Now LoopUnswitch is a LoopPass.
[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     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
73
74     /// This transformation requires natural loop information & requires that
75     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
76     ///
77     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
78       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
79       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
80       AU.addRequired<LoopInfo>();
81       AU.addPreserved<LoopInfo>();
82       AU.addRequiredID(LCSSAID);
83       AU.addPreservedID(LCSSAID);
84     }
85
86   private:
87     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
88     /// remove it.
89     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
90       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
91                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
92       if (I != LoopProcessWorklist.end())
93         LoopProcessWorklist.erase(I);
94     }
95       
96     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L);
97     unsigned getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC);
98     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
99                                   BasicBlock *ExitBlock);
100     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
101     BasicBlock *SplitEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
102     BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt);
103
104     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
105                                               Constant *Val, bool isEqual);
106     
107     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist);
108     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
109                            std::vector<Instruction*> &Worklist);
110     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
111   };
112   RegisterPass<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
113 }
114
115 LoopPass *llvm::createLoopUnswitchPass() { return new LoopUnswitch(); }
116
117 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
118 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
119 /// Otherwise, return null.
120 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
121   // Constants should be folded, not unswitched on!
122   if (isa<Constant>(Cond)) return false;
123   
124   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
125   // TODO: Hoist simple expressions out of loops.
126   if (L->isLoopInvariant(Cond)) return Cond;
127   
128   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
129     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
130         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
131       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
132       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
133       // simplify in the other one.
134       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
135         return LHS;
136       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
137         return RHS;
138     }
139       
140       return 0;
141 }
142
143 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
144   assert(L->isLCSSAForm());
145   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
146   LPM = &LPM_Ref;
147   bool Changed = false;
148   
149   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
150   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
151   // loop.
152   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
153        I != E; ++I) {
154     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
155     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
156       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
157       // it.
158       if (BI->isConditional()) {
159         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
160         // unswitch on it if we desire.
161         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), L, Changed);
162         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantInt::getTrue(),
163                                              L)) {
164           ++NumBranches;
165           return true;
166         }
167       }      
168     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
169       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
170       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
171         // Find a value to unswitch on:
172         // FIXME: this should chose the most expensive case!
173         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
174         // Do not process same value again and again.
175         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
176           continue;
177
178         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal, L)) {
179           ++NumSwitches;
180           return true;
181         }
182       }
183     }
184     
185     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
186     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
187          BBI != E; ++BBI)
188       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
189         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
190         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantInt::getTrue(),
191                                              L)) {
192           ++NumSelects;
193           return true;
194         }
195       }
196   }
197   
198   assert(L->isLCSSAForm());
199   
200   return Changed;
201 }
202
203 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
204 ///   1. Exit the loop with no side effects.
205 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
206 ///
207 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
208 /// exit through.
209 ///
210 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
211                                          BasicBlock *&ExitBB,
212                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
213   if (!Visited.insert(BB).second) {
214     // Already visited and Ok, end of recursion.
215     return true;
216   } else if (!L->contains(BB)) {
217     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
218     // first exit.
219     if (ExitBB != 0) return false;
220     ExitBB = BB;
221     return true;
222   }
223   
224   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
225   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
226     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
227     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
228       return false;
229   }
230
231   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
232   // doesn't include any side effects.
233   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
234     if (I->mayWriteToMemory())
235       return false;
236   
237   return true;
238 }
239
240 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
241 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
242 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
243 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
244   std::set<BasicBlock*> Visited;
245   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
246   BasicBlock *ExitBB = 0;
247   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
248     return ExitBB;
249   return 0;
250 }
251
252 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
253 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
254 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
255 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
256 /// loop, which gets deleted).
257 ///
258 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
259 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
260 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
261 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
262 /// Cond == Val.
263 ///
264 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant **Val = 0,
265                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
266   BasicBlock *Header = L->getHeader();
267   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
268   
269   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
270   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
271     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
272     // can't handle it.
273     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
274       return false;
275   
276     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
277     // latch block or exit through a one exit block without having any 
278     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
279     // this.
280     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
281       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue();
282     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
283       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse();
284     }
285   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
286     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
287     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
288     
289     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
290     // latch block or exit through a one exit block without having any 
291     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
292     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
293     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
294       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
295         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
296         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
297         break;
298       }
299   }
300
301   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
302   // contains phi nodes, this isn't trivial.
303   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
304     return false;   // Can't handle this.
305   
306   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
307   
308   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
309   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
310   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
311   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
312   // tail, check the header now.
313   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
314     if (I->mayWriteToMemory())
315       return false;
316   return true;
317 }
318
319 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
320 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
321 ///
322 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
323   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
324   // this case.
325   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
326     return 0;
327   
328   // FIXME: This is really overly conservative.  However, more liberal 
329   // estimations have thus far resulted in excessive unswitching, which is bad
330   // both in compile time and in code size.  This should be replaced once
331   // someone figures out how a good estimation.
332   return L->getBlocks().size();
333   
334   unsigned Cost = 0;
335   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
336   // shrinkage.
337   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
338        I != E; ++I) {
339     BasicBlock *BB = *I;
340     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
341     // loop canonicalization and will be removed.
342     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
343       continue;
344     
345     // Count basic blocks.
346     ++Cost;
347   }
348
349   return Cost;
350 }
351
352 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch L when
353 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
354 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
355 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
356   // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
357   unsigned Cost = getLoopUnswitchCost(L, LoopCond);
358   if (Cost > Threshold) {
359     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
360     // resultant unswitched loops.
361     //
362     DOUT << "NOT unswitching loop %"
363          << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
364          << L->getBlocks().size() << "\n";
365     return false;
366   }
367   
368   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
369   // duplication), do it now.
370   Constant *CondVal;
371   BasicBlock *ExitBlock;
372   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
373     UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
374   } else {
375     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, L);
376   }
377  
378   return true;
379 }
380
381 /// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
382 /// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
383 /// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
384 /// the loop info is updated.
385 ///
386 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
387   BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
388   while (isa<PHINode>(SplitIt))
389     ++SplitIt;
390   BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
391
392   // The new block lives in whichever loop the old one did.
393   if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
394     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
395   
396   return New;
397 }
398
399
400 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
401   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
402   unsigned SuccNum = 0;
403   for (unsigned i = 0, e = LatchTerm->getNumSuccessors(); ; ++i) {
404     assert(i != e && "Didn't find edge?");
405     if (LatchTerm->getSuccessor(i) == Succ) {
406       SuccNum = i;
407       break;
408     }
409   }
410   
411   // If this is a critical edge, let SplitCriticalEdge do it.
412   if (SplitCriticalEdge(BB->getTerminator(), SuccNum, this))
413     return LatchTerm->getSuccessor(SuccNum);
414
415   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
416   // single pred.  Split the block.
417   BasicBlock::iterator SplitPoint;
418   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
419     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
420     // block.
421     assert(SP == BB && "CFG broken");
422     return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
423   } else {
424     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
425     // block.
426     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
427            "Should have a single succ!"); 
428     return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
429   }
430 }
431   
432
433
434 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
435 // current values into those specified by ValueMap.
436 //
437 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
438                                     DenseMap<const Value *, Value*> &ValueMap) {
439   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
440     Value *Op = I->getOperand(op);
441     DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
442     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
443     I->setOperand(op, Op);
444   }
445 }
446
447 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
448 /// mapping the blocks with the specified map.
449 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, DenseMap<const Value*, Value*> &VM,
450                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
451   Loop *New = new Loop();
452
453   LPM->insertLoop(New, PL);
454
455   // Add all of the blocks in L to the new loop.
456   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
457        I != E; ++I)
458     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
459       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
460
461   // Add all of the subloops to the new loop.
462   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
463     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
464
465   return New;
466 }
467
468 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
469 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
470 /// code immediately before InsertPt.
471 static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
472                                            BasicBlock *TrueDest,
473                                            BasicBlock *FalseDest,
474                                            Instruction *InsertPt) {
475   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
476   // code is the true version and the new code is the false version.
477   Value *BranchVal = LIC;
478   if (!isa<ConstantInt>(Val) || Val->getType() != Type::Int1Ty)
479     BranchVal = new ICmpInst(ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp", InsertPt);
480   else if (Val != ConstantInt::getTrue())
481     // We want to enter the new loop when the condition is true.
482     std::swap(TrueDest, FalseDest);
483
484   // Insert the new branch.
485   new BranchInst(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
486 }
487
488
489 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
490 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
491 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
492 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
493 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
494 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
495                                             Constant *Val, 
496                                             BasicBlock *ExitBlock) {
497   DOUT << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
498        << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
499        << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
500        << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n";
501   
502   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
503   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
504   // conditional branch on Cond.
505   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
506   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(OrigPH, L->getHeader());
507
508   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
509   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
510   // short-circuit to.
511   
512   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
513   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
514   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
515   // loop header, not the preheader).
516   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
517   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
518     
519   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
520   // insert the new conditional branch.
521   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
522                                  OrigPH->getTerminator());
523   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
524
525   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
526   LPM->redoLoop(L);
527   
528   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
529   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
530   // at least eliminate the old branch.
531   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
532   ++NumTrivial;
533 }
534
535
536 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch when LIC
537 /// equal Val.  Split it into loop versions and test the condition outside of
538 /// either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
539 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
540                                                Loop *L) {
541   Function *F = L->getHeader()->getParent();
542   DOUT << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
543        << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
544        << " blocks] in Function " << F->getName()
545        << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n";
546
547   // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
548   // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
549   // loop, in that order.
550   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
551
552   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
553   // the LoopBlocks list.
554   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
555   LoopBlocks.push_back(SplitEdge(OrigPreheader, L->getHeader()));
556
557   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
558   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
559
560   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
561   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
562
563   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
564   // the appropriate Phi nodes as we do so.
565   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
566     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
567     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(ExitBlock), pred_end(ExitBlock));
568
569     for (unsigned j = 0, e = Preds.size(); j != e; ++j) {
570       assert(L->contains(Preds[j]) &&
571              "All preds of loop exit blocks must be the same loop!");
572       BasicBlock* MiddleBlock = SplitEdge(Preds[j], ExitBlock);
573       BasicBlock* StartBlock = Preds[j];
574       BasicBlock* EndBlock;
575       if (MiddleBlock->getSinglePredecessor() == ExitBlock) {
576         EndBlock = MiddleBlock;
577         MiddleBlock = EndBlock->getSinglePredecessor();;
578       } else {
579         EndBlock = ExitBlock;
580       }
581       
582       std::set<PHINode*> InsertedPHIs;
583       PHINode* OldLCSSA = 0;
584       for (BasicBlock::iterator I = EndBlock->begin();
585            (OldLCSSA = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
586         Value* OldValue = OldLCSSA->getIncomingValueForBlock(MiddleBlock);
587         PHINode* NewLCSSA = new PHINode(OldLCSSA->getType(),
588                                         OldLCSSA->getName() + ".us-lcssa",
589                                         MiddleBlock->getTerminator());
590         NewLCSSA->addIncoming(OldValue, StartBlock);
591         OldLCSSA->setIncomingValue(OldLCSSA->getBasicBlockIndex(MiddleBlock),
592                                    NewLCSSA);
593         InsertedPHIs.insert(NewLCSSA);
594       }
595
596       BasicBlock::iterator InsertPt = EndBlock->begin();
597       while (dyn_cast<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
598       for (BasicBlock::iterator I = MiddleBlock->begin();
599          (OldLCSSA = dyn_cast<PHINode>(I)) && InsertedPHIs.count(OldLCSSA) == 0;
600          ++I) {
601         PHINode *NewLCSSA = new PHINode(OldLCSSA->getType(),
602                                         OldLCSSA->getName() + ".us-lcssa",
603                                         InsertPt);
604         OldLCSSA->replaceAllUsesWith(NewLCSSA);
605         NewLCSSA->addIncoming(OldLCSSA, MiddleBlock);
606       }
607     }    
608   }
609   
610   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
611   ExitBlocks.clear();
612   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
613
614   // Add exit blocks to the loop blocks.
615   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
616
617   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
618   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
619   // the instructions and blocks.
620   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
621   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
622   DenseMap<const Value*, Value*> ValueMap;
623   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
624     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
625     NewBlocks.push_back(New);
626     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
627   }
628
629   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
630   // original preheader.
631   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
632                                 NewBlocks[0], F->end());
633
634   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
635   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI, LPM);
636   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
637   if (ParentLoop) {
638     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
639     // as well.
640     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
641   }
642   
643   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
644     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
645     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
646     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
647       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, *LI);
648     
649     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
650            "Exit block should have been split to have one successor!");
651     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
652     
653     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
654     // NewExit.
655     PHINode *PN;
656     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
657          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
658       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
659       DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
660       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
661       PN->addIncoming(V, NewExit);
662     }
663   }
664
665   // Rewrite the code to refer to itself.
666   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
667     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
668            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
669       RemapInstruction(I, ValueMap);
670   
671   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
672   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
673   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
674          "Preheader splitting did not work correctly!");
675
676   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
677   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
678   OldBR->eraseFromParent();
679   
680   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
681   LPM->redoLoop(L);
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 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
694 /// specified.
695 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
696                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
697   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
698                                                      Worklist.end(), I);
699   while (WI != Worklist.end()) {
700     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
701     Worklist.erase(WI);
702     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
703   }
704 }
705
706 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
707 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
708 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
709                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
710   DOUT << "Replace with '" << *V << "': " << *I;
711
712   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
713   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
714     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
715       Worklist.push_back(Use);
716
717   // Add users to the worklist which may be simplified now.
718   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
719        UI != E; ++UI)
720     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
721   I->replaceAllUsesWith(V);
722   I->eraseFromParent();
723   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
724   ++NumSimplify;
725 }
726
727 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
728 /// information, and remove any dead successors it has.
729 ///
730 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
731                                      std::vector<Instruction*> &Worklist) {
732   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
733     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
734     // are any easy simplifications we can do now.
735     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
736       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
737       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
738         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
739                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
740                           Worklist);
741       
742       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
743       // have an unreachable loop.
744       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
745         if (L->getHeader() == BB && L->contains(Pred)) {
746           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
747           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
748           // dominates the latch).
749           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
750           new UnreachableInst(Pred);
751           
752           // The loop is now broken, remove it from LI.
753           RemoveLoopFromHierarchy(L);
754           
755           // Reprocess the header, which now IS dead.
756           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist);
757           return;
758         }
759       
760       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
761       // the two blocks will get merged.
762       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
763         if (BI->isUnconditional())
764           Worklist.push_back(BI);
765     }
766     return;
767   }
768
769   DOUT << "Nuking dead block: " << *BB;
770   
771   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
772   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
773     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
774     
775     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
776     // uses replaced with undefs.
777     if (!I->use_empty())
778       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
779   }
780   
781   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
782   // promote all subloops.
783   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
784     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
785       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
786   }
787
788   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
789   // was in.
790   LI->removeBlock(BB);
791   
792   
793   // Remove phi node entries in successors for this block.
794   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
795   std::vector<BasicBlock*> Succs;
796   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
797     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
798     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
799   }
800   
801   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
802   std::sort(Succs.begin(), Succs.end());
803   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
804   
805   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
806   BB->eraseFromParent();
807   
808   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
809   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
810   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
811   //
812   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
813     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
814       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
815       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
816       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
817       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
818       // above and headers can only have two predecessors.
819       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
820         Succs.erase(Succs.begin()+i);
821         --i;
822       }
823     }
824   
825   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
826     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist);
827 }
828
829 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
830 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
831 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
832 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
833 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
834 /// removed later.
835 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
836   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
837   RemoveLoopFromWorklist(L);
838 }
839
840
841
842 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
843 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
844 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
845 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
846                                                         Constant *Val,
847                                                         bool IsEqual) {
848   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
849   
850   // FIXME: Support correlated properties, like:
851   //  for (...)
852   //    if (li1 < li2)
853   //      ...
854   //    if (li1 > li2)
855   //      ...
856   
857   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
858   // selects, switches.
859   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
860   std::vector<Instruction*> Worklist;
861
862   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
863   // in the loop with the appropriate one directly.
864   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) && Val->getType() == Type::Int1Ty)) {
865     Value *Replacement;
866     if (IsEqual)
867       Replacement = Val;
868     else
869       Replacement = ConstantInt::get(Type::Int1Ty, 
870                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
871     
872     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
873       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
874         if (!L->contains(U->getParent()))
875           continue;
876         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
877         Worklist.push_back(U);
878       }
879   } else {
880     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
881     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
882     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
883     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
884       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
885         if (!L->contains(U->getParent()))
886           continue;
887
888         Worklist.push_back(U);
889
890         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
891         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
892           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
893             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
894               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
895               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
896               // be in the Users list.
897               
898               // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
899               // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
900               // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
901               // loop structure and put the block on an dead code path.
902               
903               BasicBlock* Old = SI->getParent();
904               BasicBlock* Split = SplitBlock(Old, SI);
905               
906               Instruction* OldTerm = Old->getTerminator();
907               new BranchInst(Split, SI->getSuccessor(i),
908                              ConstantInt::getTrue(), OldTerm);
909               
910               Old->getTerminator()->eraseFromParent();
911               
912               
913               PHINode *PN;
914               for (BasicBlock::iterator II = SI->getSuccessor(i)->begin();
915                    (PN = dyn_cast<PHINode>(II)); ++II) {
916                 Value *InVal = PN->removeIncomingValue(Split, false);
917                 PN->addIncoming(InVal, Old);
918               }
919
920               SI->removeCase(i);
921               break;
922             }
923           }
924         }
925         
926         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
927         // LIC == Val -> false.
928       }
929   }
930   
931   SimplifyCode(Worklist);
932 }
933
934 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the 
935 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
936 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
937 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
938 /// it must not be used.
939 ///
940 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
941 /// pass.
942 ///
943 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist) {
944   while (!Worklist.empty()) {
945     Instruction *I = Worklist.back();
946     Worklist.pop_back();
947     
948     // Simple constant folding.
949     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
950       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
951       continue;
952     }
953     
954     // Simple DCE.
955     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
956       DOUT << "Remove dead instruction '" << *I;
957       
958       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
959       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
960         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
961           Worklist.push_back(Use);
962       I->eraseFromParent();
963       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
964       ++NumSimplify;
965       continue;
966     }
967     
968     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
969     switch (I->getOpcode()) {
970     case Instruction::Select:
971       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(0))) {
972         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getZExtValue()+1), Worklist);
973         continue;
974       }
975       break;
976     case Instruction::And:
977       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) && 
978           I->getOperand(0)->getType() == Type::Int1Ty)   // constant -> RHS
979         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
980       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) 
981         if (CB->getType() == Type::Int1Ty) {
982           if (CB->isOne())      // X & 1 -> X
983             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
984           else                  // X & 0 -> 0
985             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
986           continue;
987         }
988       break;
989     case Instruction::Or:
990       if (isa<ConstantInt>(I->getOperand(0)) &&
991           I->getOperand(0)->getType() == Type::Int1Ty)   // constant -> RHS
992         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
993       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
994         if (CB->getType() == Type::Int1Ty) {
995           if (CB->isOne())   // X | 1 -> 1
996             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
997           else                  // X | 0 -> X
998             ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
999           continue;
1000         }
1001       break;
1002     case Instruction::Br: {
1003       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1004       if (BI->isUnconditional()) {
1005         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1006         // together.
1007         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1008         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1009         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1010         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1011         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1012
1013         DOUT << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1014              << Succ->getName() << "\n";
1015         
1016         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1017         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1018           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
1019         
1020         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1021         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1022                                    Succ->end());
1023         BI->eraseFromParent();
1024         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1025         
1026         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1027         // entries coming from Pred instead of Succ.
1028         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1029         
1030         // Remove Succ from the loop tree.
1031         LI->removeBlock(Succ);
1032         Succ->eraseFromParent();
1033         ++NumSimplify;
1034       } else if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1035         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1036         // remove dead blocks.
1037         break;  // FIXME: Enable.
1038
1039         DOUT << "Folded branch: " << *BI;
1040         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1041         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1042         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1043         Worklist.push_back(new BranchInst(LiveSucc, BI));
1044         BI->eraseFromParent();
1045         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1046         ++NumSimplify;
1047
1048         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist);
1049       }
1050       break;
1051     }
1052     }
1053   }
1054 }