improved support for branch folding, still not enabled.
[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/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
38 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/Support/Debug.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include <algorithm>
43 #include <iostream>
44 #include <set>
45 using namespace llvm;
46
47 namespace {
48   Statistic<> NumBranches("loop-unswitch", "Number of branches unswitched");
49   Statistic<> NumSwitches("loop-unswitch", "Number of switches unswitched");
50   Statistic<> NumSelects ("loop-unswitch", "Number of selects unswitched");
51   Statistic<> NumTrivial ("loop-unswitch",
52                           "Number of unswitches that are trivial");
53   Statistic<> NumSimplify("loop-unswitch", 
54                           "Number of simplifications of unswitched code");
55   cl::opt<unsigned>
56   Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
57             cl::init(10), cl::Hidden);
58   
59   class LoopUnswitch : public FunctionPass {
60     LoopInfo *LI;  // Loop information
61
62     // LoopProcessWorklist - List of loops we need to process.
63     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
64   public:
65     virtual bool runOnFunction(Function &F);
66     bool visitLoop(Loop *L);
67
68     /// This transformation requires natural loop information & requires that
69     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
70     ///
71     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
72       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
73       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
74       AU.addRequired<LoopInfo>();
75       AU.addPreserved<LoopInfo>();
76     }
77
78   private:
79     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
80     /// remove it.
81     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
82       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
83                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
84       if (I != LoopProcessWorklist.end())
85         LoopProcessWorklist.erase(I);
86     }
87       
88     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L);
89     unsigned getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC);
90     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
91                                   bool EntersWhenTrue, BasicBlock *ExitBlock);
92     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
93     BasicBlock *SplitEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
94     BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt);
95
96     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
97                                               Constant *Val, bool isEqual);
98     
99     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist);
100     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
101                            std::vector<Instruction*> &Worklist);
102     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
103   };
104   RegisterOpt<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
105 }
106
107 FunctionPass *llvm::createLoopUnswitchPass() { return new LoopUnswitch(); }
108
109 bool LoopUnswitch::runOnFunction(Function &F) {
110   bool Changed = false;
111   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
112
113   // Populate the worklist of loops to process in post-order.
114   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
115     for (po_iterator<Loop*> LI = po_begin(*I), E = po_end(*I); LI != E; ++LI)
116       LoopProcessWorklist.push_back(*LI);
117
118   // Process the loops in worklist order, this is a post-order visitation of
119   // the loops.  We use a worklist of loops so that loops can be removed at any
120   // time if they are deleted (e.g. the backedge of a loop is removed).
121   while (!LoopProcessWorklist.empty()) {
122     Loop *L = LoopProcessWorklist.back();
123     LoopProcessWorklist.pop_back();    
124     Changed |= visitLoop(L);
125   }
126
127   return Changed;
128 }
129
130 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
131 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
132 /// Otherwise, return null.
133 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
134   // Constants should be folded, not unswitched on!
135   if (isa<Constant>(Cond)) return false;
136   
137   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
138   // TODO: Hoist simple expressions out of loops.
139   if (L->isLoopInvariant(Cond)) return Cond;
140   
141   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
142     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
143         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
144       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
145       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
146       // simplify in the other one.
147       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
148         return LHS;
149       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
150         return RHS;
151     }
152       
153       return 0;
154 }
155
156 bool LoopUnswitch::visitLoop(Loop *L) {
157   bool Changed = false;
158   
159   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
160   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
161   // loop.
162   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
163        I != E; ++I) {
164     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
165     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
166       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
167       // it.
168       if (BI->isConditional()) {
169         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
170         // unswitch on it if we desire.
171         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), L, Changed);
172         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantBool::True, L)) {
173           ++NumBranches;
174           return true;
175         }
176       }      
177     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
178       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
179       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
180         // Find a value to unswitch on:
181         // FIXME: this should chose the most expensive case!
182         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
183         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal, L)) {
184           ++NumSwitches;
185           return true;
186         }
187       }
188     }
189     
190     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
191     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
192          BBI != E; ++BBI)
193       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
194         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
195         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantBool::True, L)) {
196           ++NumSelects;
197           return true;
198         }
199       }
200   }
201     
202   return Changed;
203 }
204
205
206 /// LoopValuesUsedOutsideLoop - Return true if there are any values defined in
207 /// the loop that are used by instructions outside of it.
208 static bool LoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L) {
209   // We will be doing lots of "loop contains block" queries.  Loop::contains is
210   // linear time, use a set to speed this up.
211   std::set<BasicBlock*> LoopBlocks;
212
213   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
214        BB != E; ++BB)
215     LoopBlocks.insert(*BB);
216   
217   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
218        BB != E; ++BB) {
219     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ++I)
220       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
221            ++UI) {
222         BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(*UI)->getParent();
223         if (!LoopBlocks.count(UserBB))
224           return true;
225       }
226   }
227   return false;
228 }
229
230 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
231 ///   1. Exit the loop with no side effects.
232 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
233 ///
234 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
235 /// exit through.
236 ///
237 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
238                                          BasicBlock *&ExitBB,
239                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
240   if (!Visited.insert(BB).second) {
241     // Already visited and Ok, end of recursion.
242     return true;
243   } else if (!L->contains(BB)) {
244     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
245     // first exit.
246     if (ExitBB != 0) return false;
247     ExitBB = BB;
248     return true;
249   }
250   
251   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
252   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
253     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
254     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
255       return false;
256   }
257
258   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
259   // doesn't include any side effects.
260   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
261     if (I->mayWriteToMemory())
262       return false;
263   
264   return true;
265 }
266
267 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
268 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
269 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
270 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
271   std::set<BasicBlock*> Visited;
272   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
273   BasicBlock *ExitBB = 0;
274   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
275     return ExitBB;
276   return 0;
277 }
278
279 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
280 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
281 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
282 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
283 /// loop, which gets deleted).
284 ///
285 /// If this is a trivial condition, return ConstantBool::True if the loop body
286 /// runs when the condition is true, False if the loop body executes when the
287 /// condition is false.  Otherwise, return null to indicate a complex condition.
288 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond,
289                                        Constant **Val = 0,
290                                        bool *EntersWhenTrue = 0,
291                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
292   BasicBlock *Header = L->getHeader();
293   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
294
295   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
296   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
297     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
298     // can't handle it.
299     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
300       return false;
301   
302     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
303     // latch block or exit through a one exit block without having any 
304     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
305     // this.
306     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
307       if (Val) *Val = ConstantBool::False;
308     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
309       if (Val) *Val = ConstantBool::True;
310     }
311   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
312     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
313     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
314     
315     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
316     // latch block or exit through a one exit block without having any 
317     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
318     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
319     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
320       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
321         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
322         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
323         if (EntersWhenTrue) *EntersWhenTrue = false;
324         break;
325       }
326   }
327
328   if (!LoopExitBB)
329     return false;   // Can't handle this.
330   
331   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
332   
333   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
334   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
335   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
336   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
337   // tail, check the header now.
338   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
339     if (I->mayWriteToMemory())
340       return false;
341   return true;
342 }
343
344 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
345 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
346 ///
347 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
348   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
349   // this case.
350   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
351     return 0;
352   
353   unsigned Cost = 0;
354   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
355   // shrinkage.
356   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
357        I != E; ++I) {
358     BasicBlock *BB = *I;
359     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
360     // loop canonicalization and will be removed.
361     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
362       continue;
363     
364     // Count basic blocks.
365     ++Cost;
366   }
367
368   return Cost;
369 }
370
371 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch L when
372 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
373 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
374 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
375   // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
376   if (getLoopUnswitchCost(L, LoopCond) > Threshold) {
377     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
378     // resultant unswitched loops.
379     //
380     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %"
381                     << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
382                     << L->getBlocks().size() << "\n");
383     return false;
384   }
385     
386   // If this loop has live-out values, we can't unswitch it. We need something
387   // like loop-closed SSA form in order to know how to insert PHI nodes for
388   // these values.
389   if (LoopValuesUsedOutsideLoop(L)) {
390     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %" << L->getHeader()->getName()
391                     << ", a loop value is used outside loop!\n");
392     return false;
393   }
394       
395   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
396   // duplication), do it now.
397   Constant *CondVal;
398   bool EntersWhenTrue = true;
399   BasicBlock *ExitBlock;
400   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal,
401                                  &EntersWhenTrue, &ExitBlock)) {
402     UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, EntersWhenTrue, ExitBlock);
403   } else {
404     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, L);
405   }
406  
407   return true;
408 }
409
410 /// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
411 /// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
412 /// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
413 /// the loop info is updated.
414 ///
415 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
416   BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
417   while (isa<PHINode>(SplitIt))
418     ++SplitIt;
419   BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
420
421   // The new block lives in whichever loop the old one did.
422   if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
423     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
424   
425   return New;
426 }
427
428
429 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
430   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
431   unsigned SuccNum = 0;
432   for (unsigned i = 0, e = LatchTerm->getNumSuccessors(); ; ++i) {
433     assert(i != e && "Didn't find edge?");
434     if (LatchTerm->getSuccessor(i) == Succ) {
435       SuccNum = i;
436       break;
437     }
438   }
439   
440   // If this is a critical edge, let SplitCriticalEdge do it.
441   if (SplitCriticalEdge(BB->getTerminator(), SuccNum, this))
442     return LatchTerm->getSuccessor(SuccNum);
443
444   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
445   // single pred.  Split the block.
446   BasicBlock::iterator SplitPoint;
447   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
448     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
449     // block.
450     assert(SP == BB && "CFG broken");
451     return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
452   } else {
453     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
454     // block.
455     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
456            "Should have a single succ!"); 
457     return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
458   }
459 }
460   
461
462
463 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
464 // current values into those specified by ValueMap.
465 //
466 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
467                                     std::map<const Value *, Value*> &ValueMap) {
468   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
469     Value *Op = I->getOperand(op);
470     std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
471     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
472     I->setOperand(op, Op);
473   }
474 }
475
476 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
477 /// mapping the blocks with the specified map.
478 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, std::map<const Value*, Value*> &VM,
479                        LoopInfo *LI) {
480   Loop *New = new Loop();
481
482   if (PL)
483     PL->addChildLoop(New);
484   else
485     LI->addTopLevelLoop(New);
486
487   // Add all of the blocks in L to the new loop.
488   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
489        I != E; ++I)
490     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
491       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
492
493   // Add all of the subloops to the new loop.
494   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
495     CloneLoop(*I, New, VM, LI);
496
497   return New;
498 }
499
500 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
501 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
502 /// code immediately before InsertPt.
503 static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
504                                            BasicBlock *TrueDest,
505                                            BasicBlock *FalseDest,
506                                            Instruction *InsertPt) {
507   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
508   // code is the true version and the new code is the false version.
509   Value *BranchVal = LIC;
510   if (!isa<ConstantBool>(Val)) {
511     BranchVal = BinaryOperator::createSetEQ(LIC, Val, "tmp", InsertPt);
512   } else if (Val != ConstantBool::True) {
513     // We want to enter the new loop when the condition is true.
514     std::swap(TrueDest, FalseDest);
515   }
516
517   // Insert the new branch.
518   new BranchInst(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
519 }
520
521
522 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
523 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
524 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
525 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
526 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
527 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
528                                             Constant *Val, bool EntersWhenTrue,
529                                             BasicBlock *ExitBlock) {
530   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
531         << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
532         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
533         << " on cond: " << *Val << (EntersWhenTrue ? " == " : " != ") << 
534         *Cond << "\n");
535   
536   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
537   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
538   // conditional branch on Cond.
539   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
540   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(OrigPH, L->getHeader());
541
542   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
543   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
544   // short-circuit to.
545   
546   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
547   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
548   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
549   // loop header, not the preheader).
550   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
551   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
552     
553   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
554   // insert the new conditional branch.
555   {
556     BasicBlock *TrueDest = NewPH, *FalseDest = NewExit;
557     if (!EntersWhenTrue) std::swap(TrueDest, FalseDest);
558     EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, TrueDest, FalseDest, 
559                                    OrigPH->getTerminator());
560   }
561   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
562
563   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
564   LoopProcessWorklist.push_back(L);
565   
566   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
567   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
568   // at least eliminate the old branch.
569   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, EntersWhenTrue);
570   ++NumTrivial;
571 }
572
573
574 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch when LIC
575 /// equal Val.  Split it into loop versions and test the condition outside of
576 /// either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
577 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
578                                                Loop *L) {
579   Function *F = L->getHeader()->getParent();
580   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
581                   << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
582                   << " blocks] in Function " << F->getName()
583                   << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
584
585   // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
586   // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
587   // loop, in that order.
588   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
589
590   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
591   // the LoopBlocks list.
592   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
593   LoopBlocks.push_back(SplitEdge(OrigPreheader, L->getHeader()));
594
595   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
596   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
597
598   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
599   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
600   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
601   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
602                    ExitBlocks.end());
603   
604   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  This
605   // unswitching trivial: no phi nodes to update.
606   unsigned NumBlocks = L->getBlocks().size();
607   
608   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
609     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
610     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(ExitBlock), pred_end(ExitBlock));
611
612     for (unsigned j = 0, e = Preds.size(); j != e; ++j) {
613       assert(L->contains(Preds[j]) &&
614              "All preds of loop exit blocks must be the same loop!");
615       SplitEdge(Preds[j], ExitBlock);
616     }
617   }
618   
619   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
620   ExitBlocks.clear();
621   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
622   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
623   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
624                    ExitBlocks.end());
625   
626   // Add exit blocks to the loop blocks.
627   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
628
629   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
630   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
631   // the instructions and blocks.
632   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
633   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
634   std::map<const Value*, Value*> ValueMap;
635   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
636     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
637     NewBlocks.push_back(New);
638     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
639   }
640
641   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
642   // original preheader.
643   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
644                                 NewBlocks[0], F->end());
645
646   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
647   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI);
648   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
649   if (ParentLoop) {
650     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
651     // as well.
652     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
653   }
654   
655   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
656     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
657     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
658     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
659       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, *LI);
660     
661     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
662            "Exit block should have been split to have one successor!");
663     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
664     
665     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
666     // NewExit.
667     PHINode *PN;
668     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
669          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
670       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
671       std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
672       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
673       PN->addIncoming(V, NewExit);
674     }
675   }
676
677   // Rewrite the code to refer to itself.
678   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
679     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
680            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
681       RemapInstruction(I, ValueMap);
682   
683   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
684   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
685   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
686          "Preheader splitting did not work correctly!");
687
688   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
689   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
690   OldBR->eraseFromParent();
691   
692   LoopProcessWorklist.push_back(L);
693   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
694
695   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
696   // new code to know that the condition is false.
697   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L      , LIC, Val, false);
698   
699   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
700   // deleted.  If so, don't simplify it.
701   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
702     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
703 }
704
705 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
706 /// specified.
707 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
708                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
709   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
710                                                      Worklist.end(), I);
711   while (WI != Worklist.end()) {
712     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
713     Worklist.erase(WI);
714     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
715   }
716 }
717
718 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
719 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
720 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
721                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
722   DEBUG(std::cerr << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
723
724   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
725   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
726     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
727       Worklist.push_back(Use);
728
729   // Add users to the worklist which may be simplified now.
730   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
731        UI != E; ++UI)
732     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
733   I->replaceAllUsesWith(V);
734   I->eraseFromParent();
735   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
736   ++NumSimplify;
737 }
738
739 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
740 /// information, and remove any dead successors it has.
741 ///
742 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
743                                      std::vector<Instruction*> &Worklist) {
744   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
745     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
746     // are any easy simplifications we can do now.
747     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
748       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
749       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
750         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
751                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
752                           Worklist);
753       
754       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
755       // have an unreachable loop.
756       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
757         if (L->getHeader() == BB && L->contains(Pred)) {
758           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
759           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
760           // dominates the latch).
761           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
762           new UnreachableInst(Pred);
763           
764           // The loop is now broken, remove it from LI.
765           RemoveLoopFromHierarchy(L);
766           
767           // Reprocess the header, which now IS dead.
768           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist);
769           return;
770         }
771       
772       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
773       // the two blocks will get merged.
774       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
775         if (BI->isUnconditional())
776           Worklist.push_back(BI);
777     }
778     return;
779   }
780
781   DEBUG(std::cerr << "Nuking dead block: " << *BB);
782   
783   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
784   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
785     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
786     
787     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
788     // uses replaced with undefs.
789     if (!I->use_empty())
790       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
791   }
792   
793   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
794   // promote all subloops.
795   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
796     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
797       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
798   }
799
800   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
801   // was in.
802   LI->removeBlock(BB);
803   
804   
805   // Remove phi node entries in successors for this block.
806   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
807   std::vector<BasicBlock*> Succs;
808   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
809     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
810     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
811   }
812   
813   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
814   std::sort(Succs.begin(), Succs.end());
815   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
816   
817   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
818   BB->eraseFromParent();
819   
820   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
821   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
822   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
823   //
824   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
825     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
826       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
827       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
828       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
829       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
830       // above and headers can only have two predecessors.
831       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
832         Succs.erase(Succs.begin()+i);
833         --i;
834       }
835     }
836   
837   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
838     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist);
839 }
840
841 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
842 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
843 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
844 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
845 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
846 /// removed later.
847 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
848   if (Loop *ParentLoop = L->getParentLoop()) { // Not a top-level loop.
849     // Reparent all of the blocks in this loop.  Since BBLoop had a parent,
850     // they are now all in it.
851     for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end(); 
852          I != E; ++I)
853       if (LI->getLoopFor(*I) == L)    // Don't change blocks in subloops.
854         LI->changeLoopFor(*I, ParentLoop);
855     
856     // Remove the loop from its parent loop.
857     for (Loop::iterator I = ParentLoop->begin(), E = ParentLoop->end();;
858          ++I) {
859       assert(I != E && "Couldn't find loop");
860       if (*I == L) {
861         ParentLoop->removeChildLoop(I);
862         break;
863       }
864     }
865     
866     // Move all subloops into the parent loop.
867     while (L->begin() != L->end())
868       ParentLoop->addChildLoop(L->removeChildLoop(L->end()-1));
869   } else {
870     // Reparent all of the blocks in this loop.  Since BBLoop had no parent,
871     // they no longer in a loop at all.
872     
873     for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
874       // Don't change blocks in subloops.
875       if (LI->getLoopFor(L->getBlocks()[i]) == L) {
876         LI->removeBlock(L->getBlocks()[i]);
877         --i;
878       }
879     }
880
881     // Remove the loop from the top-level LoopInfo object.
882     for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end();; ++I) {
883       assert(I != E && "Couldn't find loop");
884       if (*I == L) {
885         LI->removeLoop(I);
886         break;
887       }
888     }
889
890     // Move all of the subloops to the top-level.
891     while (L->begin() != L->end())
892       LI->addTopLevelLoop(L->removeChildLoop(L->end()-1));
893   }
894
895   delete L;
896   RemoveLoopFromWorklist(L);
897 }
898
899
900
901 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
902 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
903 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
904 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
905                                                         Constant *Val,
906                                                         bool IsEqual) {
907   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
908   
909   // FIXME: Support correlated properties, like:
910   //  for (...)
911   //    if (li1 < li2)
912   //      ...
913   //    if (li1 > li2)
914   //      ...
915
916   // NotVal - If Val is a bool, this contains its inverse.
917   Constant *NotVal = 0;
918   if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(Val))
919     NotVal = ConstantBool::get(!CB->getValue());
920   
921   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
922   // selects, switches.
923   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
924   std::vector<Instruction*> Worklist;
925
926   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
927   // in the loop with the appropriate one directly.
928   if (IsEqual || NotVal) {
929     Value *Replacement = NotVal ? NotVal : Val;
930     
931     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
932       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
933         if (!L->contains(U->getParent()))
934           continue;
935         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
936         Worklist.push_back(U);
937       }
938   } else {
939     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
940     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
941     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
942     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
943       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
944         if (!L->contains(U->getParent()))
945           continue;
946
947         Worklist.push_back(U);
948
949         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
950         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
951           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
952             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
953               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
954               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
955               // be in the Users list.
956               SI->getSuccessor(i)->removePredecessor(SI->getParent(), true);
957               SI->removeCase(i);
958               break;
959             }
960           }
961         }
962         
963         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
964         // LIC == Val -> false.
965       }
966   }
967   
968   SimplifyCode(Worklist);
969 }
970
971 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the 
972 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
973 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
974 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
975 /// it must not be used.
976 ///
977 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
978 /// pass.
979 ///
980 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist) {
981   Worklist.back()->getParent()->getParent()->viewCFG();
982   while (!Worklist.empty()) {
983     Instruction *I = Worklist.back();
984     Worklist.pop_back();
985     
986     // Simple constant folding.
987     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
988       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
989       continue;
990     }
991     
992     // Simple DCE.
993     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
994       DEBUG(std::cerr << "Remove dead instruction '" << *I);
995       
996       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
997       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
998         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
999           Worklist.push_back(Use);
1000       I->eraseFromParent();
1001       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
1002       ++NumSimplify;
1003       continue;
1004     }
1005     
1006     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
1007     switch (I->getOpcode()) {
1008     case Instruction::Select:
1009       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(0))) {
1010         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getValue()+1), Worklist);
1011         continue;
1012       }
1013       break;
1014     case Instruction::And:
1015       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
1016         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1017       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
1018         if (CB->getValue())   // X & 1 -> X
1019           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1020         else                  // X & 0 -> 0
1021           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1022         continue;
1023       }
1024       break;
1025     case Instruction::Or:
1026       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
1027         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1028       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
1029         if (CB->getValue())   // X | 1 -> 1
1030           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1031         else                  // X | 0 -> X
1032           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1033         continue;
1034       }
1035       break;
1036     case Instruction::Br: {
1037       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1038       if (BI->isUnconditional()) {
1039         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1040         // together.
1041         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1042         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1043         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1044         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1045         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1046
1047         DEBUG(std::cerr << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1048                         << Succ->getName() << "\n");
1049         
1050         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1051         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1052           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
1053         
1054         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1055         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1056                                    Succ->end());
1057         BI->eraseFromParent();
1058         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1059         
1060         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1061         // entries coming from Pred instead of Succ.
1062         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1063         
1064         // Remove Succ from the loop tree.
1065         LI->removeBlock(Succ);
1066         Succ->eraseFromParent();
1067         ++NumSimplify;
1068       } else if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(BI->getCondition())){
1069         break;   // FIXME: Enable.
1070         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1071         // remove dead blocks.
1072         DEBUG(std::cerr << "Folded branch: " << *BI);
1073         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getValue());
1074         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getValue());
1075         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1076         Worklist.push_back(new BranchInst(LiveSucc, BI));
1077         BI->eraseFromParent();
1078         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1079         ++NumSimplify;
1080
1081         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist);
1082       }
1083       break;
1084     }
1085     }
1086   }
1087 }