Revamp the ValueMapper interfaces in a couple ways:
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
1 //===-- LoopUnswitch.cpp - Hoist loop-invariant conditionals in loop ------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
11 // to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
12 //
13 //  for (...)                  if (lic)
14 //    A                          for (...)
15 //    if (lic)                     A; B; C
16 //      B                      else
17 //    C                          for (...)
18 //                                 A; C
19 //
20 // This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time
21 // a loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be
22 // smaller than a threshold.
23 //
24 // This pass expects LICM to be run before it to hoist invariant conditions out
25 // of the loop, to make the unswitching opportunity obvious.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #define DEBUG_TYPE "loop-unswitch"
30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
31 #include "llvm/Constants.h"
32 #include "llvm/DerivedTypes.h"
33 #include "llvm/Function.h"
34 #include "llvm/Instructions.h"
35 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
36 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
37 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
45 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include <algorithm>
50 #include <set>
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
54 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
55 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
56 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
57 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
58
59 // The specific value of 50 here was chosen based only on intuition and a
60 // few specific examples.
61 static cl::opt<unsigned>
62 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
63           cl::init(50), cl::Hidden);
64   
65 namespace {
66   class LoopUnswitch : public LoopPass {
67     LoopInfo *LI;  // Loop information
68     LPPassManager *LPM;
69
70     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
71     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
72     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
73     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
74     
75     bool OptimizeForSize;
76     bool redoLoop;
77
78     Loop *currentLoop;
79     DominatorTree *DT;
80     BasicBlock *loopHeader;
81     BasicBlock *loopPreheader;
82     
83     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
84     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
85     // loop, in that order.
86     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
87     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
88     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
89
90   public:
91     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
92     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
93       LoopPass(ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
94       currentLoop(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
95       loopPreheader(NULL) {
96         initializeLoopUnswitchPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
97       }
98
99     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
100     bool processCurrentLoop();
101
102     /// This transformation requires natural loop information & requires that
103     /// loop preheaders be inserted into the CFG.
104     ///
105     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
106       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
107       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
108       AU.addRequired<LoopInfo>();
109       AU.addPreserved<LoopInfo>();
110       AU.addRequiredID(LCSSAID);
111       AU.addPreservedID(LCSSAID);
112       AU.addPreserved<DominatorTree>();
113     }
114
115   private:
116
117     virtual void releaseMemory() {
118       UnswitchedVals.clear();
119     }
120
121     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
122     /// remove it.
123     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
124       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
125                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
126       if (I != LoopProcessWorklist.end())
127         LoopProcessWorklist.erase(I);
128     }
129
130     void initLoopData() {
131       loopHeader = currentLoop->getHeader();
132       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
133     }
134
135     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
136     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
137     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
138
139     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
140     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
141                                   BasicBlock *ExitBlock);
142     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
143
144     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
145                                               Constant *Val, bool isEqual);
146
147     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
148                                         BasicBlock *TrueDest, 
149                                         BasicBlock *FalseDest,
150                                         Instruction *InsertPt);
151
152     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
153     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
154                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
155     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
156     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
157                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
158
159   };
160 }
161 char LoopUnswitch::ID = 0;
162 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops",
163                       false, false)
164 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
165 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
166 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
167 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops",
168                       false, false)
169
170 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
171   return new LoopUnswitch(Os); 
172 }
173
174 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
175 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
176 /// Otherwise, return null.
177 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
178   // We can never unswitch on vector conditions.
179   if (Cond->getType()->isVectorTy())
180     return 0;
181
182   // Constants should be folded, not unswitched on!
183   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
184
185   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
186
187   // Hoist simple values out.
188   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
189     return Cond;
190
191   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
192     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
193         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
194       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
195       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
196       // simplify in the other one.
197       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
198         return LHS;
199       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
200         return RHS;
201     }
202   
203   return 0;
204 }
205
206 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
207   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
208   LPM = &LPM_Ref;
209   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
210   currentLoop = L;
211   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
212   bool Changed = false;
213   do {
214     assert(currentLoop->isLCSSAForm(*DT));
215     redoLoop = false;
216     Changed |= processCurrentLoop();
217   } while(redoLoop);
218
219   if (Changed) {
220     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
221     if (DT)
222       DT->runOnFunction(*F);
223   }
224   return Changed;
225 }
226
227 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
228 /// and profitable.
229 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
230   bool Changed = false;
231   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
232
233   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
234   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
235   // loop.
236   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
237          E = currentLoop->block_end(); I != E; ++I) {
238     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
239     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
240       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
241       // it.
242       if (BI->isConditional()) {
243         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
244         // unswitch on it if we desire.
245         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
246                                                currentLoop, Changed);
247         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
248                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
249           ++NumBranches;
250           return true;
251         }
252       }      
253     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
254       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
255                                              currentLoop, Changed);
256       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
257         // Find a value to unswitch on:
258         // FIXME: this should chose the most expensive case!
259         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
260         // Do not process same value again and again.
261         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
262           continue;
263
264         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
265           ++NumSwitches;
266           return true;
267         }
268       }
269     }
270     
271     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
272     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
273          BBI != E; ++BBI)
274       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
275         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
276                                                currentLoop, Changed);
277         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
278                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
279           ++NumSelects;
280           return true;
281         }
282       }
283   }
284   return Changed;
285 }
286
287 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB exit the
288 /// loop with no side effects (including infinite loops).
289 ///
290 /// If true, we return true and set ExitBB to the block we
291 /// exit through.
292 ///
293 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
294                                          BasicBlock *&ExitBB,
295                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
296   if (!Visited.insert(BB).second) {
297     // Already visited. Without more analysis, this could indicate an infinte loop.
298     return false;
299   } else if (!L->contains(BB)) {
300     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
301     // first exit.
302     if (ExitBB != 0) return false;
303     ExitBB = BB;
304     return true;
305   }
306   
307   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
308   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
309     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
310     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
311       return false;
312   }
313
314   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
315   // doesn't include any side effects.
316   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
317     if (I->mayHaveSideEffects())
318       return false;
319   
320   return true;
321 }
322
323 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
324 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
325 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
326 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
327   std::set<BasicBlock*> Visited;
328   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header make infinite loops.
329   BasicBlock *ExitBB = 0;
330   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
331     return ExitBB;
332   return 0;
333 }
334
335 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
336 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
337 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
338 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
339 /// loop, which gets deleted).
340 ///
341 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
342 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
343 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
344 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
345 /// Cond == Val.
346 ///
347 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
348                                        BasicBlock **LoopExit) {
349   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
350   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
351   LLVMContext &Context = Header->getContext();
352   
353   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
354   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
355     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
356     // can't handle it.
357     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
358       return false;
359   
360     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to 
361     // exit through a unique exit block without having any 
362     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
363     // this.
364     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
365                                              BI->getSuccessor(0)))) {
366       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
367     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
368                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
369       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
370     }
371   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
372     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
373     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
374     
375     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
376     // latch block or exit through a one exit block without having any 
377     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
378     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
379     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
380       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
381                                                SI->getSuccessor(i)))) {
382         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
383         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
384         break;
385       }
386   }
387
388   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
389   // contains phi nodes, this isn't trivial.
390   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
391     return false;   // Can't handle this.
392   
393   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
394   
395   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
396   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
397   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
398   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
399   // tail, check the header now.
400   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
401     if (I->mayHaveSideEffects())
402       return false;
403   return true;
404 }
405
406 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
407 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
408 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
409 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val) {
410
411   initLoopData();
412
413   // If LoopSimplify was unable to form a preheader, don't do any unswitching.
414   if (!loopPreheader)
415     return false;
416
417   Function *F = loopHeader->getParent();
418
419   Constant *CondVal = 0;
420   BasicBlock *ExitBlock = 0;
421   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
422     // If the condition is trivial, always unswitch. There is no code growth
423     // for this case.
424     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
425     return true;
426   }
427
428   // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
429
430   // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
431   if (OptimizeForSize || F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
432     return false;
433
434   // FIXME: This is overly conservative because it does not take into
435   // consideration code simplification opportunities and code that can
436   // be shared by the resultant unswitched loops.
437   CodeMetrics Metrics;
438   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
439          E = currentLoop->block_end();
440        I != E; ++I)
441     Metrics.analyzeBasicBlock(*I);
442
443   // Limit the number of instructions to avoid causing significant code
444   // expansion, and the number of basic blocks, to avoid loops with
445   // large numbers of branches which cause loop unswitching to go crazy.
446   // This is a very ad-hoc heuristic.
447   if (Metrics.NumInsts > Threshold ||
448       Metrics.NumBlocks * 5 > Threshold ||
449       Metrics.containsIndirectBr || Metrics.isRecursive) {
450     DEBUG(dbgs() << "NOT unswitching loop %"
451           << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
452           << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
453     return false;
454   }
455
456   UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
457   return true;
458 }
459
460 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
461 /// mapping the blocks with the specified map.
462 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, ValueToValueMapTy &VM,
463                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
464   Loop *New = new Loop();
465   LPM->insertLoop(New, PL);
466
467   // Add all of the blocks in L to the new loop.
468   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
469        I != E; ++I)
470     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
471       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
472
473   // Add all of the subloops to the new loop.
474   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
475     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
476
477   return New;
478 }
479
480 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
481 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
482 /// code immediately before InsertPt.
483 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
484                                                   BasicBlock *TrueDest,
485                                                   BasicBlock *FalseDest,
486                                                   Instruction *InsertPt) {
487   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
488   // code is the true version and the new code is the false version.
489   Value *BranchVal = LIC;
490   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
491       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
492     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
493   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
494     // We want to enter the new loop when the condition is true.
495     std::swap(TrueDest, FalseDest);
496
497   // Insert the new branch.
498   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
499
500   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
501   // form for enclosing loops.
502   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
503   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
504 }
505
506 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
507 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
508 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
509 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
510 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
511 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
512                                             Constant *Val, 
513                                             BasicBlock *ExitBlock) {
514   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
515         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
516         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
517         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
518   
519   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
520   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
521   // conditional branch on Cond.
522   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
523
524   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
525   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
526   // short-circuit to.
527   
528   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
529   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
530   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
531   // loop header, not the preheader).
532   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
533   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
534     
535   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
536   // insert the new conditional branch.
537   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
538                                  loopPreheader->getTerminator());
539   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
540   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
541
542   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
543   redoLoop = true;
544   
545   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
546   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
547   // at least eliminate the old branch.
548   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
549   ++NumTrivial;
550 }
551
552 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
553 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
554 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
555                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks){
556
557   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
558     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
559     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
560                                        pred_end(ExitBlock));
561     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
562                            ".us-lcssa", this);
563   }
564 }
565
566 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
567 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
568 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
569 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
570                                                Loop *L) {
571   Function *F = loopHeader->getParent();
572   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
573         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
574         << " blocks] in Function " << F->getName()
575         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
576
577   LoopBlocks.clear();
578   NewBlocks.clear();
579
580   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
581   // the LoopBlocks list.
582   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
583   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
584
585   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
586   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
587
588   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
589   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
590
591   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
592   // the appropriate Phi nodes as we do so.
593   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
594
595   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
596   ExitBlocks.clear();
597   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
598
599   // Add exit blocks to the loop blocks.
600   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
601
602   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
603   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
604   // the instructions and blocks.
605   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
606   ValueToValueMapTy VMap;
607   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
608     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], VMap, ".us", F);
609     NewBlocks.push_back(NewBB);
610     VMap[LoopBlocks[i]] = NewBB;  // Keep the BB mapping.
611     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], NewBB, L);
612   }
613
614   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
615   // original preheader.
616   F->getBasicBlockList().splice(NewPreheader, F->getBasicBlockList(),
617                                 NewBlocks[0], F->end());
618
619   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
620   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), VMap, LI, LPM);
621   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
622   if (ParentLoop) {
623     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
624     // as well.
625     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
626   }
627   
628   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
629     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(VMap[ExitBlocks[i]]);
630     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
631     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
632       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
633     
634     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
635            "Exit block should have been split to have one successor!");
636     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
637
638     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
639     // NewExit.
640     PHINode *PN;
641     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
642       PN = cast<PHINode>(I);
643       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
644       ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(V);
645       if (It != VMap.end()) V = It->second;
646       PN->addIncoming(V, NewExit);
647     }
648   }
649
650   // Rewrite the code to refer to itself.
651   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
652     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
653            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
654       RemapInstruction(I, VMap,RF_NoModuleLevelChanges|RF_IgnoreMissingEntries);
655   
656   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
657   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
658   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
659          "Preheader splitting did not work correctly!");
660
661   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
662   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
663   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
664   OldBR->eraseFromParent();
665
666   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
667   redoLoop = true;
668
669   // Keep a WeakVH holding onto LIC.  If the first call to RewriteLoopBody
670   // deletes the instruction (for example by simplifying a PHI that feeds into
671   // the condition that we're unswitching on), we don't rewrite the second
672   // iteration.
673   WeakVH LICHandle(LIC);
674   
675   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
676   // new code to know that the condition is false.
677   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
678
679   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
680   // changed to another value or a constant.  If its a constant, don't simplify
681   // it.
682   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop &&
683       LICHandle && !isa<Constant>(LICHandle))
684     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LICHandle, Val, true);
685 }
686
687 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
688 /// specified.
689 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
690                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
691   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
692                                                      Worklist.end(), I);
693   while (WI != Worklist.end()) {
694     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
695     Worklist.erase(WI);
696     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
697   }
698 }
699
700 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
701 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
702 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
703                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
704                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
705   DEBUG(dbgs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
706
707   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
708   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
709     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
710       Worklist.push_back(Use);
711
712   // Add users to the worklist which may be simplified now.
713   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
714        UI != E; ++UI)
715     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
716   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
717   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
718   I->replaceAllUsesWith(V);
719   I->eraseFromParent();
720   ++NumSimplify;
721 }
722
723 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
724 /// information, and remove any dead successors it has.
725 ///
726 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
727                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
728                                      Loop *L) {
729   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
730     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
731     // are any easy simplifications we can do now.
732     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
733       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
734       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
735         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
736                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
737                           Worklist, L, LPM);
738       
739       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
740       // have an unreachable loop.
741       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
742         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
743           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
744           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
745           // dominates the latch).
746           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
747           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
748           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
749           
750           // The loop is now broken, remove it from LI.
751           RemoveLoopFromHierarchy(L);
752           
753           // Reprocess the header, which now IS dead.
754           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
755           return;
756         }
757       
758       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
759       // the two blocks will get merged.
760       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
761         if (BI->isUnconditional())
762           Worklist.push_back(BI);
763     }
764     return;
765   }
766
767   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
768   
769   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
770   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
771     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
772     
773     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
774     // uses replaced with undefs.
775     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
776     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
777     if (!I->getType()->isVoidTy())
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   SmallVector<BasicBlock*, 4> 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   array_pod_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   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
807   BB->eraseFromParent();
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, L);
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 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
841 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
842 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
843 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
844                                                         Constant *Val,
845                                                         bool IsEqual) {
846   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
847   
848   // FIXME: Support correlated properties, like:
849   //  for (...)
850   //    if (li1 < li2)
851   //      ...
852   //    if (li1 > li2)
853   //      ...
854   
855   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
856   // selects, switches.
857   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
858   std::vector<Instruction*> Worklist;
859   LLVMContext &Context = Val->getContext();
860
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) &&
865       Val->getType()->isIntegerTy(1))) {
866     Value *Replacement;
867     if (IsEqual)
868       Replacement = Val;
869     else
870       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
871                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
872     
873     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
874       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
875         if (!L->contains(U))
876           continue;
877         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
878         Worklist.push_back(U);
879       }
880     SimplifyCode(Worklist, L);
881     return;
882   }
883   
884   // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
885   // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
886   // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
887   for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i) {
888     Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]);
889     if (!L->contains(U))
890       continue;
891
892     Worklist.push_back(U);
893
894     // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
895     // 'icmp eq LIC, Val' -> false.
896
897     // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
898     SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U);
899     if (SI == 0 || !isa<ConstantInt>(Val)) continue;
900     
901     unsigned DeadCase = SI->findCaseValue(cast<ConstantInt>(Val));
902     if (DeadCase == 0) continue;  // Default case is live for multiple values.
903     
904     // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
905     // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
906     // be in the Users list.
907         
908     // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
909     // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
910     // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
911     // loop structure and put the block on a dead code path.
912     BasicBlock *Switch = SI->getParent();
913     SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(DeadCase), this);
914     // Compute the successors instead of relying on the return value
915     // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
916     // after PHI nodes.
917     BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(DeadCase);
918     BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
919     // Create an "unreachable" destination.
920     BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
921                                            Switch->getParent(),
922                                            OldSISucc);
923     new UnreachableInst(Context, Abort);
924     // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
925     // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
926     NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
927     BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
928                        ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
929     // Release the PHI operands for this edge.
930     for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
931          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
932       PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
933                            UndefValue::get(PN->getType()));
934     // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
935     // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
936     // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
937     // new blocks.
938     if (DT)
939       DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
940   }
941   
942   SimplifyCode(Worklist, L);
943 }
944
945 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
946 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
947 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
948 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
949 /// it must not be used.
950 ///
951 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
952 /// pass.
953 ///
954 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
955   while (!Worklist.empty()) {
956     Instruction *I = Worklist.back();
957     Worklist.pop_back();
958
959     // Simple DCE.
960     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
961       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
962       
963       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
964       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
965         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
966           Worklist.push_back(Use);
967       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
968       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
969       I->eraseFromParent();
970       ++NumSimplify;
971       continue;
972     }
973
974     // See if instruction simplification can hack this up.  This is common for
975     // things like "select false, X, Y" after unswitching made the condition be
976     // 'false'.
977     if (Value *V = SimplifyInstruction(I, 0, DT))
978       if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(I, V)) {
979         ReplaceUsesOfWith(I, V, Worklist, L, LPM);
980         continue;
981       }
982
983     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
984     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(I)) {
985       if (BI->isUnconditional()) {
986         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
987         // together.
988         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
989         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
990         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
991         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
992         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
993
994         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
995               << Succ->getName() << "\n");
996         
997         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
998         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
999           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1000         
1001         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1002         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1003                                    Succ->end());
1004         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1005         BI->eraseFromParent();
1006         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1007         
1008         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1009         // entries coming from Pred instead of Succ.
1010         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1011         
1012         // Remove Succ from the loop tree.
1013         LI->removeBlock(Succ);
1014         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1015         Succ->eraseFromParent();
1016         ++NumSimplify;
1017         continue;
1018       }
1019       
1020       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1021         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1022         // remove dead blocks.
1023         continue;  // FIXME: Enable.
1024
1025         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1026         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1027         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1028         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1029         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1030         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1031         BI->eraseFromParent();
1032         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1033         ++NumSimplify;
1034
1035         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1036       }
1037       continue;
1038     }
1039   }
1040 }