Back out Owen's 6/9 changes. They broke MultiSource/Benchmarks/Prolangs-C/bison ...
[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                                   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 true, otherwise return false.  When
286 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
287 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
288 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
289 /// Cond == Val.
290 ///
291 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant **Val = 0,
292                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
293   BasicBlock *Header = L->getHeader();
294   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
295   
296   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
297   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
298     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
299     // can't handle it.
300     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
301       return false;
302   
303     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
304     // latch block or exit through a one exit block without having any 
305     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
306     // this.
307     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
308       if (Val) *Val = ConstantBool::True;
309     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
310       if (Val) *Val = ConstantBool::False;
311     }
312   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
313     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
314     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
315     
316     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
317     // latch block or exit through a one exit block without having any 
318     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
319     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
320     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
321       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
322         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
323         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
324         break;
325       }
326   }
327
328   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
329   // contains phi nodes, this isn't trivial.
330   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
331     return false;   // Can't handle this.
332   
333   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
334   
335   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
336   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
337   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
338   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
339   // tail, check the header now.
340   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
341     if (I->mayWriteToMemory())
342       return false;
343   return true;
344 }
345
346 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
347 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
348 ///
349 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
350   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
351   // this case.
352   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
353     return 0;
354   
355   unsigned Cost = 0;
356   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
357   // shrinkage.
358   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
359        I != E; ++I) {
360     BasicBlock *BB = *I;
361     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
362     // loop canonicalization and will be removed.
363     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
364       continue;
365     
366     // Count basic blocks.
367     ++Cost;
368   }
369
370   return Cost;
371 }
372
373 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch L when
374 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
375 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
376 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
377   // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
378   unsigned Cost = getLoopUnswitchCost(L, LoopCond);
379   if (Cost > Threshold) {
380     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
381     // resultant unswitched loops.
382     //
383     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %"
384                     << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
385                     << L->getBlocks().size() << "\n");
386     return false;
387   }
388     
389   // If this loop has live-out values, we can't unswitch it. We need something
390   // like loop-closed SSA form in order to know how to insert PHI nodes for
391   // these values.
392   if (LoopValuesUsedOutsideLoop(L)) {
393     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %" << L->getHeader()->getName()
394                     << ", a loop value is used outside loop!  Cost: "
395                     << Cost << "\n");
396     return false;
397   }
398       
399   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
400   // duplication), do it now.
401   Constant *CondVal;
402   BasicBlock *ExitBlock;
403   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
404     UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
405   } else {
406     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, L);
407   }
408  
409   return true;
410 }
411
412 /// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
413 /// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
414 /// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
415 /// the loop info is updated.
416 ///
417 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
418   BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
419   while (isa<PHINode>(SplitIt))
420     ++SplitIt;
421   BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
422
423   // The new block lives in whichever loop the old one did.
424   if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
425     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
426   
427   return New;
428 }
429
430
431 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
432   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
433   unsigned SuccNum = 0;
434   for (unsigned i = 0, e = LatchTerm->getNumSuccessors(); ; ++i) {
435     assert(i != e && "Didn't find edge?");
436     if (LatchTerm->getSuccessor(i) == Succ) {
437       SuccNum = i;
438       break;
439     }
440   }
441   
442   // If this is a critical edge, let SplitCriticalEdge do it.
443   if (SplitCriticalEdge(BB->getTerminator(), SuccNum, this))
444     return LatchTerm->getSuccessor(SuccNum);
445
446   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
447   // single pred.  Split the block.
448   BasicBlock::iterator SplitPoint;
449   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
450     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
451     // block.
452     assert(SP == BB && "CFG broken");
453     return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
454   } else {
455     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
456     // block.
457     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
458            "Should have a single succ!"); 
459     return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
460   }
461 }
462   
463
464
465 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
466 // current values into those specified by ValueMap.
467 //
468 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
469                                     std::map<const Value *, Value*> &ValueMap) {
470   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
471     Value *Op = I->getOperand(op);
472     std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
473     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
474     I->setOperand(op, Op);
475   }
476 }
477
478 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
479 /// mapping the blocks with the specified map.
480 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, std::map<const Value*, Value*> &VM,
481                        LoopInfo *LI) {
482   Loop *New = new Loop();
483
484   if (PL)
485     PL->addChildLoop(New);
486   else
487     LI->addTopLevelLoop(New);
488
489   // Add all of the blocks in L to the new loop.
490   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
491        I != E; ++I)
492     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
493       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
494
495   // Add all of the subloops to the new loop.
496   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
497     CloneLoop(*I, New, VM, LI);
498
499   return New;
500 }
501
502 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
503 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
504 /// code immediately before InsertPt.
505 static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
506                                            BasicBlock *TrueDest,
507                                            BasicBlock *FalseDest,
508                                            Instruction *InsertPt) {
509   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
510   // code is the true version and the new code is the false version.
511   Value *BranchVal = LIC;
512   if (!isa<ConstantBool>(Val)) {
513     BranchVal = BinaryOperator::createSetEQ(LIC, Val, "tmp", InsertPt);
514   } else if (Val != ConstantBool::True) {
515     // We want to enter the new loop when the condition is true.
516     std::swap(TrueDest, FalseDest);
517   }
518
519   // Insert the new branch.
520   new BranchInst(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
521 }
522
523
524 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
525 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
526 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
527 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
528 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
529 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
530                                             Constant *Val, 
531                                             BasicBlock *ExitBlock) {
532   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
533         << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
534         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
535         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
536   
537   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
538   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
539   // conditional branch on Cond.
540   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
541   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(OrigPH, L->getHeader());
542
543   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
544   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
545   // short-circuit to.
546   
547   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
548   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
549   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
550   // loop header, not the preheader).
551   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
552   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
553     
554   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
555   // insert the new conditional branch.
556   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
557                                  OrigPH->getTerminator());
558   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
559
560   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
561   LoopProcessWorklist.push_back(L);
562   
563   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
564   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
565   // at least eliminate the old branch.
566   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
567   ++NumTrivial;
568 }
569
570
571 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch when LIC
572 /// equal Val.  Split it into loop versions and test the condition outside of
573 /// either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
574 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
575                                                Loop *L) {
576   Function *F = L->getHeader()->getParent();
577   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
578                   << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
579                   << " blocks] in Function " << F->getName()
580                   << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
581
582   // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
583   // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
584   // loop, in that order.
585   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
586
587   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
588   // the LoopBlocks list.
589   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
590   LoopBlocks.push_back(SplitEdge(OrigPreheader, L->getHeader()));
591
592   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
593   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
594
595   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
596   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
597   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
598   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
599                    ExitBlocks.end());
600   
601   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  This
602   // unswitching trivial: no phi nodes to update.
603   unsigned NumBlocks = L->getBlocks().size();
604   
605   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
606     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
607     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(ExitBlock), pred_end(ExitBlock));
608
609     for (unsigned j = 0, e = Preds.size(); j != e; ++j) {
610       assert(L->contains(Preds[j]) &&
611              "All preds of loop exit blocks must be the same loop!");
612       SplitEdge(Preds[j], ExitBlock);
613     }
614   }
615   
616   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
617   ExitBlocks.clear();
618   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
619   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
620   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
621                    ExitBlocks.end());
622   
623   // Add exit blocks to the loop blocks.
624   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
625
626   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
627   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
628   // the instructions and blocks.
629   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
630   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
631   std::map<const Value*, Value*> ValueMap;
632   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
633     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
634     NewBlocks.push_back(New);
635     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
636   }
637
638   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
639   // original preheader.
640   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
641                                 NewBlocks[0], F->end());
642
643   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
644   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI);
645   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
646   if (ParentLoop) {
647     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
648     // as well.
649     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
650   }
651   
652   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
653     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
654     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
655     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
656       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, *LI);
657     
658     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
659            "Exit block should have been split to have one successor!");
660     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
661     
662     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
663     // NewExit.
664     PHINode *PN;
665     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
666          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
667       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
668       std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
669       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
670       PN->addIncoming(V, NewExit);
671     }
672   }
673
674   // Rewrite the code to refer to itself.
675   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
676     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
677            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
678       RemapInstruction(I, ValueMap);
679   
680   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
681   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
682   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
683          "Preheader splitting did not work correctly!");
684
685   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
686   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
687   OldBR->eraseFromParent();
688   
689   LoopProcessWorklist.push_back(L);
690   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
691
692   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
693   // new code to know that the condition is false.
694   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L      , LIC, Val, false);
695   
696   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
697   // deleted.  If so, don't simplify it.
698   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
699     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
700 }
701
702 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
703 /// specified.
704 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
705                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
706   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
707                                                      Worklist.end(), I);
708   while (WI != Worklist.end()) {
709     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
710     Worklist.erase(WI);
711     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
712   }
713 }
714
715 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
716 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
717 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
718                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
719   DEBUG(std::cerr << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
720
721   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
722   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
723     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
724       Worklist.push_back(Use);
725
726   // Add users to the worklist which may be simplified now.
727   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
728        UI != E; ++UI)
729     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
730   I->replaceAllUsesWith(V);
731   I->eraseFromParent();
732   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
733   ++NumSimplify;
734 }
735
736 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
737 /// information, and remove any dead successors it has.
738 ///
739 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
740                                      std::vector<Instruction*> &Worklist) {
741   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
742     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
743     // are any easy simplifications we can do now.
744     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
745       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
746       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
747         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
748                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
749                           Worklist);
750       
751       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
752       // have an unreachable loop.
753       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
754         if (L->getHeader() == BB && L->contains(Pred)) {
755           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
756           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
757           // dominates the latch).
758           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
759           new UnreachableInst(Pred);
760           
761           // The loop is now broken, remove it from LI.
762           RemoveLoopFromHierarchy(L);
763           
764           // Reprocess the header, which now IS dead.
765           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist);
766           return;
767         }
768       
769       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
770       // the two blocks will get merged.
771       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
772         if (BI->isUnconditional())
773           Worklist.push_back(BI);
774     }
775     return;
776   }
777
778   DEBUG(std::cerr << "Nuking dead block: " << *BB);
779   
780   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
781   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
782     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
783     
784     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
785     // uses replaced with undefs.
786     if (!I->use_empty())
787       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
788   }
789   
790   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
791   // promote all subloops.
792   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
793     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
794       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
795   }
796
797   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
798   // was in.
799   LI->removeBlock(BB);
800   
801   
802   // Remove phi node entries in successors for this block.
803   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
804   std::vector<BasicBlock*> Succs;
805   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
806     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
807     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
808   }
809   
810   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
811   std::sort(Succs.begin(), Succs.end());
812   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
813   
814   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
815   BB->eraseFromParent();
816   
817   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
818   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
819   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
820   //
821   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
822     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
823       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
824       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
825       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
826       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
827       // above and headers can only have two predecessors.
828       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
829         Succs.erase(Succs.begin()+i);
830         --i;
831       }
832     }
833   
834   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
835     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist);
836 }
837
838 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
839 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
840 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
841 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
842 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
843 /// removed later.
844 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
845   if (Loop *ParentLoop = L->getParentLoop()) { // Not a top-level loop.
846     // Reparent all of the blocks in this loop.  Since BBLoop had a parent,
847     // they are now all in it.
848     for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end(); 
849          I != E; ++I)
850       if (LI->getLoopFor(*I) == L)    // Don't change blocks in subloops.
851         LI->changeLoopFor(*I, ParentLoop);
852     
853     // Remove the loop from its parent loop.
854     for (Loop::iterator I = ParentLoop->begin(), E = ParentLoop->end();;
855          ++I) {
856       assert(I != E && "Couldn't find loop");
857       if (*I == L) {
858         ParentLoop->removeChildLoop(I);
859         break;
860       }
861     }
862     
863     // Move all subloops into the parent loop.
864     while (L->begin() != L->end())
865       ParentLoop->addChildLoop(L->removeChildLoop(L->end()-1));
866   } else {
867     // Reparent all of the blocks in this loop.  Since BBLoop had no parent,
868     // they no longer in a loop at all.
869     
870     for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
871       // Don't change blocks in subloops.
872       if (LI->getLoopFor(L->getBlocks()[i]) == L) {
873         LI->removeBlock(L->getBlocks()[i]);
874         --i;
875       }
876     }
877
878     // Remove the loop from the top-level LoopInfo object.
879     for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end();; ++I) {
880       assert(I != E && "Couldn't find loop");
881       if (*I == L) {
882         LI->removeLoop(I);
883         break;
884       }
885     }
886
887     // Move all of the subloops to the top-level.
888     while (L->begin() != L->end())
889       LI->addTopLevelLoop(L->removeChildLoop(L->end()-1));
890   }
891
892   delete L;
893   RemoveLoopFromWorklist(L);
894 }
895
896
897
898 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
899 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
900 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
901 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
902                                                         Constant *Val,
903                                                         bool IsEqual) {
904   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
905   
906   // FIXME: Support correlated properties, like:
907   //  for (...)
908   //    if (li1 < li2)
909   //      ...
910   //    if (li1 > li2)
911   //      ...
912   
913   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
914   // selects, switches.
915   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
916   std::vector<Instruction*> Worklist;
917
918   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
919   // in the loop with the appropriate one directly.
920   if (IsEqual || isa<ConstantBool>(Val)) {
921     Value *Replacement;
922     if (IsEqual)
923       Replacement = Val;
924     else
925       Replacement = ConstantBool::get(!cast<ConstantBool>(Val)->getValue());
926     
927     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
928       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
929         if (!L->contains(U->getParent()))
930           continue;
931         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
932         Worklist.push_back(U);
933       }
934   } else {
935     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
936     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
937     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
938     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
939       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
940         if (!L->contains(U->getParent()))
941           continue;
942
943         Worklist.push_back(U);
944
945         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
946         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
947           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
948             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
949               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
950               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
951               // be in the Users list.
952               SI->getSuccessor(i)->removePredecessor(SI->getParent(), true);
953               SI->removeCase(i);
954               break;
955             }
956           }
957         }
958         
959         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
960         // LIC == Val -> false.
961       }
962   }
963   
964   SimplifyCode(Worklist);
965 }
966
967 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the 
968 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
969 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
970 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
971 /// it must not be used.
972 ///
973 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
974 /// pass.
975 ///
976 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist) {
977   while (!Worklist.empty()) {
978     Instruction *I = Worklist.back();
979     Worklist.pop_back();
980     
981     // Simple constant folding.
982     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
983       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
984       continue;
985     }
986     
987     // Simple DCE.
988     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
989       DEBUG(std::cerr << "Remove dead instruction '" << *I);
990       
991       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
992       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
993         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
994           Worklist.push_back(Use);
995       I->eraseFromParent();
996       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
997       ++NumSimplify;
998       continue;
999     }
1000     
1001     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
1002     switch (I->getOpcode()) {
1003     case Instruction::Select:
1004       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(0))) {
1005         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getValue()+1), Worklist);
1006         continue;
1007       }
1008       break;
1009     case Instruction::And:
1010       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
1011         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1012       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
1013         if (CB->getValue())   // X & 1 -> X
1014           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1015         else                  // X & 0 -> 0
1016           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1017         continue;
1018       }
1019       break;
1020     case Instruction::Or:
1021       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
1022         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1023       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
1024         if (CB->getValue())   // X | 1 -> 1
1025           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1026         else                  // X | 0 -> X
1027           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1028         continue;
1029       }
1030       break;
1031     case Instruction::Br: {
1032       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1033       if (BI->isUnconditional()) {
1034         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1035         // together.
1036         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1037         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1038         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1039         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1040         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1041
1042         DEBUG(std::cerr << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1043                         << Succ->getName() << "\n");
1044         
1045         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1046         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1047           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
1048         
1049         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1050         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1051                                    Succ->end());
1052         BI->eraseFromParent();
1053         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1054         
1055         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1056         // entries coming from Pred instead of Succ.
1057         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1058         
1059         // Remove Succ from the loop tree.
1060         LI->removeBlock(Succ);
1061         Succ->eraseFromParent();
1062         ++NumSimplify;
1063       } else if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(BI->getCondition())){
1064         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1065         // remove dead blocks.
1066         break;  // FIXME: Enable.
1067
1068         DEBUG(std::cerr << "Folded branch: " << *BI);
1069         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getValue());
1070         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getValue());
1071         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1072         Worklist.push_back(new BranchInst(LiveSucc, BI));
1073         BI->eraseFromParent();
1074         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1075         ++NumSimplify;
1076
1077         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist);
1078       }
1079       break;
1080     }
1081     }
1082   }
1083 }