Implement unconditional unswitching of 'trivial' loops, those loops that contain
[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/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
37 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
38 #include "llvm/Support/Debug.h"
39 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
40 #include <algorithm>
41 #include <iostream>
42 #include <set>
43 using namespace llvm;
44
45 namespace {
46   Statistic<> NumUnswitched("loop-unswitch", "Number of loops unswitched");
47   cl::opt<unsigned>
48   Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
49             cl::init(10), cl::Hidden);
50   
51   class LoopUnswitch : public FunctionPass {
52     LoopInfo *LI;  // Loop information
53   public:
54     virtual bool runOnFunction(Function &F);
55     bool visitLoop(Loop *L);
56
57     /// This transformation requires natural loop information & requires that
58     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
59     ///
60     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
61       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
62       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
63       AU.addRequired<LoopInfo>();
64       AU.addPreserved<LoopInfo>();
65     }
66
67   private:
68     unsigned getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC);
69     void VersionLoop(Value *LIC, Loop *L, Loop *&Out1, Loop *&Out2);
70     BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *BB, bool SplitAtTop);
71     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC, bool Val);
72     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, ConstantBool *LoopCond);
73   };
74   RegisterOpt<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
75 }
76
77 FunctionPass *llvm::createLoopUnswitchPass() { return new LoopUnswitch(); }
78
79 bool LoopUnswitch::runOnFunction(Function &F) {
80   bool Changed = false;
81   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
82
83   // Transform all the top-level loops.  Copy the loop list so that the child
84   // can update the loop tree if it needs to delete the loop.
85   std::vector<Loop*> SubLoops(LI->begin(), LI->end());
86   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
87     Changed |= visitLoop(SubLoops[i]);
88
89   return Changed;
90 }
91
92
93 /// LoopValuesUsedOutsideLoop - Return true if there are any values defined in
94 /// the loop that are used by instructions outside of it.
95 static bool LoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L) {
96   // We will be doing lots of "loop contains block" queries.  Loop::contains is
97   // linear time, use a set to speed this up.
98   std::set<BasicBlock*> LoopBlocks;
99
100   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
101        BB != E; ++BB)
102     LoopBlocks.insert(*BB);
103   
104   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
105        BB != E; ++BB) {
106     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ++I)
107       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
108            ++UI) {
109         BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(*UI)->getParent();
110         if (!LoopBlocks.count(UserBB))
111           return true;
112       }
113   }
114   return false;
115 }
116
117 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
118 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
119 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
120 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
121 /// loop, which gets deleted).
122 ///
123 /// If this is a trivial condition, return ConstantBool::True if the loop body
124 /// runs when the condition is true, False if the loop body executes when the
125 /// condition is false.  Otherwise, return null to indicate a complex condition.
126 static ConstantBool *IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond) {
127   BasicBlock *Header = L->getHeader();
128   BranchInst *HeaderTerm = dyn_cast<BranchInst>(Header->getTerminator());
129   ConstantBool *RetVal = 0;
130   
131   // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we can't
132   // handle it.
133   if (!HeaderTerm || !HeaderTerm->isConditional() ||
134       HeaderTerm->getCondition() != Cond)
135     return 0;
136   
137   // Check to see if the conditional branch goes to the latch block.  If not,
138   // it's not trivial.  This also determines the value of Cond that will execute
139   // the loop.
140   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
141   if (HeaderTerm->getSuccessor(1) == Latch)
142     RetVal = ConstantBool::True;
143   else if (HeaderTerm->getSuccessor(0) == Latch)
144     RetVal = ConstantBool::False;
145   else
146     return 0;  // Doesn't branch to latch block.
147   
148   // The latch block must end with a conditional branch where one edge goes to
149   // the header (this much we know) and one edge goes OUT of the loop.
150   BranchInst *LatchBranch = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
151   if (!LatchBranch || !LatchBranch->isConditional()) return 0;
152
153   if (LatchBranch->getSuccessor(0) == Header) {
154     if (L->contains(LatchBranch->getSuccessor(1))) return 0;
155   } else {
156     assert(LatchBranch->getSuccessor(1) == Header);
157     if (L->contains(LatchBranch->getSuccessor(0))) return 0;
158   }
159   
160   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
161   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
162   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
163   // part of the loop that the code *would* execute.
164   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
165     if (I->mayWriteToMemory())
166       return 0;
167   for (BasicBlock::iterator I = Latch->begin(), E = Latch->end(); I != E; ++I)
168     if (I->mayWriteToMemory())
169       return 0;
170   return RetVal;
171 }
172
173 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
174 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
175 ///
176 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
177   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
178   // this case.
179   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
180     return 0;
181   
182   unsigned Cost = 0;
183   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
184   // shrinkage.
185   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
186        I != E; ++I) {
187     BasicBlock *BB = *I;
188     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
189     // loop canonicalization and will be removed.
190     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
191       continue;
192     
193     // Count basic blocks.
194     ++Cost;
195   }
196
197   return Cost;
198 }
199
200 bool LoopUnswitch::visitLoop(Loop *L) {
201   bool Changed = false;
202
203   // Recurse through all subloops before we process this loop.  Copy the loop
204   // list so that the child can update the loop tree if it needs to delete the
205   // loop.
206   std::vector<Loop*> SubLoops(L->begin(), L->end());
207   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
208     Changed |= visitLoop(SubLoops[i]);
209
210   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
211   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
212   // loop.
213   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
214        I != E; ++I) {
215     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
216     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
217       if (!isa<Constant>(SI) && L->isLoopInvariant(SI->getCondition()))
218         DEBUG(std::cerr << "TODO: Implement unswitching 'switch' loop %"
219               << L->getHeader()->getName() << ", cost = "
220               << L->getBlocks().size() << "\n" << **I);
221       continue;
222     }
223     
224     BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
225     if (!BI) continue;
226     
227     // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch it.
228     if (!BI->isConditional() || isa<Constant>(BI->getCondition()) ||
229         !L->isLoopInvariant(BI->getCondition()))
230       continue;
231     
232     // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
233     if (getLoopUnswitchCost(L, BI->getCondition()) > Threshold) {
234       // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
235       // resultant unswitched loops.  This should have no code growth:
236       //    for () { if (iv) {...} }
237       // as one copy of the loop will be empty.
238       //
239       DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %"
240             << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
241             << L->getBlocks().size() << "\n");
242       continue;
243     }
244     
245     // If this loop has live-out values, we can't unswitch it. We need something
246     // like loop-closed SSA form in order to know how to insert PHI nodes for
247     // these values.
248     if (LoopValuesUsedOutsideLoop(L)) {
249       DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %"
250                       << L->getHeader()->getName()
251                       << ", a loop value is used outside loop!\n");
252       continue;
253     }
254       
255     //std::cerr << "BEFORE:\n"; LI->dump();
256     Loop *NewLoop1 = 0, *NewLoop2 = 0;
257  
258     // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
259     // duplication), do it now.
260     if (ConstantBool *V = IsTrivialUnswitchCondition(L, BI->getCondition())) {
261       UnswitchTrivialCondition(L, BI->getCondition(), V);
262       NewLoop1 = L;
263     } else {
264       VersionLoop(BI->getCondition(), L, NewLoop1, NewLoop2);
265     }
266     
267     //std::cerr << "AFTER:\n"; LI->dump();
268     
269     // Try to unswitch each of our new loops now!
270     if (NewLoop1) visitLoop(NewLoop1);
271     if (NewLoop2) visitLoop(NewLoop2);
272     return true;
273   }
274
275   return Changed;
276 }
277
278 /// SplitBlock - Split the specified basic block into two pieces.  If SplitAtTop
279 /// is false, this splits the block so the second half only has an unconditional
280 /// branch.  If SplitAtTop is true, it makes it so the first half of the block
281 /// only has an unconditional branch in it.
282 ///
283 /// This method updates the LoopInfo for this function to correctly reflect the
284 /// CFG changes made.
285 ///
286 /// This routine returns the new basic block that was inserted, which is always
287 /// the later part of the block.
288 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *BB, bool SplitAtTop) {
289   BasicBlock::iterator SplitPoint;
290   if (!SplitAtTop)
291     SplitPoint = BB->getTerminator();
292   else {
293     SplitPoint = BB->begin();
294     while (isa<PHINode>(SplitPoint)) ++SplitPoint;
295   }
296   
297   BasicBlock *New = BB->splitBasicBlock(SplitPoint, BB->getName()+".tail");
298   // New now lives in whichever loop that BB used to.
299   if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
300     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
301   return New;
302 }
303
304
305 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
306 // current values into those specified by ValueMap.
307 //
308 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
309                                     std::map<const Value *, Value*> &ValueMap) {
310   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
311     Value *Op = I->getOperand(op);
312     std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
313     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
314     I->setOperand(op, Op);
315   }
316 }
317
318 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
319 /// mapping the blocks with the specified map.
320 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, std::map<const Value*, Value*> &VM,
321                        LoopInfo *LI) {
322   Loop *New = new Loop();
323
324   if (PL)
325     PL->addChildLoop(New);
326   else
327     LI->addTopLevelLoop(New);
328
329   // Add all of the blocks in L to the new loop.
330   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
331        I != E; ++I)
332     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
333       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
334
335   // Add all of the subloops to the new loop.
336   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
337     CloneLoop(*I, New, VM, LI);
338
339   return New;
340 }
341
342 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
343 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
344 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
345 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
346 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
347 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
348                                             ConstantBool *LoopCond) {
349   // First step, split the preahder, so that we know that there is a safe place
350   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
351   // conditional branch on Cond.
352   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
353   BasicBlock *NewPH = SplitBlock(OrigPH, false);
354
355   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
356   // to branch to: this is the non-header successor of the latch block.
357   BranchInst *LatchBranch =cast<BranchInst>(L->getLoopLatch()->getTerminator());
358   BasicBlock *ExitBlock = 
359     LatchBranch->getSuccessor(LatchBranch->getSuccessor(0) == L->getHeader());
360   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
361   
362   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block.
363   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, true);
364   
365   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
366   // insert the new conditional branch.
367   bool EnterOnTrue = LoopCond->getValue();
368   new BranchInst(EnterOnTrue ? NewPH : NewExit, EnterOnTrue ? NewExit : NewPH,
369                  Cond, OrigPH->getTerminator());
370   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
371
372   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
373   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
374   // at least eliminate the old branch.
375   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, EnterOnTrue);
376 }
377
378
379 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch and
380 /// contains a branch on a loop invariant condition.  Split it into loop
381 /// versions and test the condition outside of either loop.  Return the loops
382 /// created as Out1/Out2.
383 void LoopUnswitch::VersionLoop(Value *LIC, Loop *L, Loop *&Out1, Loop *&Out2) {
384   Function *F = L->getHeader()->getParent();
385   
386   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
387         << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
388         << " blocks] in Function " << F->getName()
389         << " on cond:" << *LIC << "\n");
390
391   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
392
393   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
394   // the LoopBlocks list.
395   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
396   LoopBlocks.push_back(SplitBlock(OrigPreheader, false));
397
398   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
399   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
400
401   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
402   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
403   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
404   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
405                    ExitBlocks.end());
406   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
407     SplitBlock(ExitBlocks[i], true);
408     LoopBlocks.push_back(ExitBlocks[i]);
409   }
410
411   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
412   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
413   // the instructions and blocks.
414   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
415   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
416   std::map<const Value*, Value*> ValueMap;
417   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
418     NewBlocks.push_back(CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F));
419     ValueMap[LoopBlocks[i]] = NewBlocks.back();  // Keep the BB mapping.
420   }
421
422   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
423   // original preheader.
424   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
425                                 NewBlocks[0], F->end());
426
427   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
428   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI);
429   if (Loop *Parent = L->getParentLoop()) {
430     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
431     // as well.
432     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
433     for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
434       Parent->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]),
435                                   *LI);
436   }
437
438   // Rewrite the code to refer to itself.
439   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
440     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
441            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
442       RemapInstruction(I, ValueMap);
443   
444   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
445   assert(isa<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator()) &&
446          cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator())->isUnconditional() &&
447          OrigPreheader->getTerminator()->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
448          "Preheader splitting did not work correctly!");
449   // Remove the unconditional branch to LoopBlocks[0].
450   OrigPreheader->getInstList().pop_back();
451
452   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
453   // code is the true version and the new code is the false version.
454   new BranchInst(LoopBlocks[0], NewBlocks[0], LIC, OrigPreheader);
455
456   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
457   // new code to know that the condition is false.
458   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, true);
459   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, false);
460   ++NumUnswitched;
461   Out1 = L;
462   Out2 = NewLoop;
463 }
464
465 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know that the boolean value LIC has
466 // the value specified by Val in the specified loop.  Rewrite any uses of LIC or
467 // of properties correlated to it.
468 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
469                                                         bool Val) {
470   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
471   // FIXME: Support correlated properties, like:
472   //  for (...)
473   //    if (li1 < li2)
474   //      ...
475   //    if (li1 > li2)
476   //      ...
477   ConstantBool *BoolVal = ConstantBool::get(Val);
478
479   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
480   for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
481     if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]))
482       if (L->contains(U->getParent()))
483         U->replaceUsesOfWith(LIC, BoolVal);
484 }