Factor code for testing whether replacing one value with another
[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/ConstantFolding.h"
36 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
37 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
44 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
45 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
46 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
47 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <set>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
55 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
56 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
57 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
58 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
59
60 // The specific value of 50 here was chosen based only on intuition and a
61 // few specific examples.
62 static cl::opt<unsigned>
63 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
64           cl::init(50), cl::Hidden);
65   
66 namespace {
67   class LoopUnswitch : public LoopPass {
68     LoopInfo *LI;  // Loop information
69     LPPassManager *LPM;
70
71     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
72     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
73     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
74     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
75     
76     bool OptimizeForSize;
77     bool redoLoop;
78
79     Loop *currentLoop;
80     DominatorTree *DT;
81     BasicBlock *loopHeader;
82     BasicBlock *loopPreheader;
83     
84     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
85     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
86     // loop, in that order.
87     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
88     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
89     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
90
91   public:
92     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
93     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
94       LoopPass(ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
95       currentLoop(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
96       loopPreheader(NULL) {
97         initializeLoopUnswitchPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
98       }
99
100     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
101     bool processCurrentLoop();
102
103     /// This transformation requires natural loop information & requires that
104     /// loop preheaders be inserted into the CFG.
105     ///
106     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
107       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
108       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
109       AU.addRequired<LoopInfo>();
110       AU.addPreserved<LoopInfo>();
111       AU.addRequiredID(LCSSAID);
112       AU.addPreservedID(LCSSAID);
113       AU.addPreserved<DominatorTree>();
114     }
115
116   private:
117
118     virtual void releaseMemory() {
119       UnswitchedVals.clear();
120     }
121
122     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
123     /// remove it.
124     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
125       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
126                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
127       if (I != LoopProcessWorklist.end())
128         LoopProcessWorklist.erase(I);
129     }
130
131     void initLoopData() {
132       loopHeader = currentLoop->getHeader();
133       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
134     }
135
136     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
137     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
138     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
139
140     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
141     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
142                                   BasicBlock *ExitBlock);
143     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
144
145     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
146                                               Constant *Val, bool isEqual);
147
148     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
149                                         BasicBlock *TrueDest, 
150                                         BasicBlock *FalseDest,
151                                         Instruction *InsertPt);
152
153     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
154     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
155                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
156     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
157     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
158                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
159
160   };
161 }
162 char LoopUnswitch::ID = 0;
163 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops",
164                       false, false)
165 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
166 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
167 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
168 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops",
169                       false, false)
170
171 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
172   return new LoopUnswitch(Os); 
173 }
174
175 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
176 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
177 /// Otherwise, return null.
178 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
179   // We can never unswitch on vector conditions.
180   if (Cond->getType()->isVectorTy())
181     return 0;
182
183   // Constants should be folded, not unswitched on!
184   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
185
186   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
187
188   // Hoist simple values out.
189   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
190     return Cond;
191
192   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
193     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
194         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
195       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
196       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
197       // simplify in the other one.
198       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
199         return LHS;
200       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
201         return RHS;
202     }
203   
204   return 0;
205 }
206
207 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
208   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
209   LPM = &LPM_Ref;
210   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
211   currentLoop = L;
212   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
213   bool Changed = false;
214   do {
215     assert(currentLoop->isLCSSAForm(*DT));
216     redoLoop = false;
217     Changed |= processCurrentLoop();
218   } while(redoLoop);
219
220   if (Changed) {
221     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
222     if (DT)
223       DT->runOnFunction(*F);
224   }
225   return Changed;
226 }
227
228 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
229 /// and profitable.
230 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
231   bool Changed = false;
232   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
233
234   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
235   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
236   // loop.
237   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
238          E = currentLoop->block_end(); I != E; ++I) {
239     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
240     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
241       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
242       // it.
243       if (BI->isConditional()) {
244         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
245         // unswitch on it if we desire.
246         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
247                                                currentLoop, Changed);
248         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
249                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
250           ++NumBranches;
251           return true;
252         }
253       }      
254     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
255       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
256                                              currentLoop, Changed);
257       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
258         // Find a value to unswitch on:
259         // FIXME: this should chose the most expensive case!
260         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
261         // Do not process same value again and again.
262         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
263           continue;
264
265         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
266           ++NumSwitches;
267           return true;
268         }
269       }
270     }
271     
272     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
273     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
274          BBI != E; ++BBI)
275       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
276         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
277                                                currentLoop, Changed);
278         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
279                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
280           ++NumSelects;
281           return true;
282         }
283       }
284   }
285   return Changed;
286 }
287
288 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB exit the
289 /// loop with no side effects (including infinite loops).
290 ///
291 /// If true, we return true and set ExitBB to the block we
292 /// exit through.
293 ///
294 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
295                                          BasicBlock *&ExitBB,
296                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
297   if (!Visited.insert(BB).second) {
298     // Already visited. Without more analysis, this could indicate an infinte loop.
299     return false;
300   } else if (!L->contains(BB)) {
301     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
302     // first exit.
303     if (ExitBB != 0) return false;
304     ExitBB = BB;
305     return true;
306   }
307   
308   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
309   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
310     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
311     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
312       return false;
313   }
314
315   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
316   // doesn't include any side effects.
317   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
318     if (I->mayHaveSideEffects())
319       return false;
320   
321   return true;
322 }
323
324 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
325 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
326 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
327 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
328   std::set<BasicBlock*> Visited;
329   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header make infinite loops.
330   BasicBlock *ExitBB = 0;
331   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
332     return ExitBB;
333   return 0;
334 }
335
336 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
337 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
338 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
339 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
340 /// loop, which gets deleted).
341 ///
342 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
343 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
344 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
345 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
346 /// Cond == Val.
347 ///
348 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
349                                        BasicBlock **LoopExit) {
350   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
351   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
352   LLVMContext &Context = Header->getContext();
353   
354   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
355   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
356     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
357     // can't handle it.
358     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
359       return false;
360   
361     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to 
362     // exit through a unique exit block without having any 
363     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
364     // this.
365     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
366                                              BI->getSuccessor(0)))) {
367       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
368     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
369                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
370       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
371     }
372   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
373     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
374     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
375     
376     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
377     // latch block or exit through a one exit block without having any 
378     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
379     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
380     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
381       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
382                                                SI->getSuccessor(i)))) {
383         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
384         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
385         break;
386       }
387   }
388
389   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
390   // contains phi nodes, this isn't trivial.
391   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
392     return false;   // Can't handle this.
393   
394   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
395   
396   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
397   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
398   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
399   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
400   // tail, check the header now.
401   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
402     if (I->mayHaveSideEffects())
403       return false;
404   return true;
405 }
406
407 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
408 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
409 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
410 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val) {
411
412   initLoopData();
413
414   // If LoopSimplify was unable to form a preheader, don't do any unswitching.
415   if (!loopPreheader)
416     return false;
417
418   Function *F = loopHeader->getParent();
419
420   Constant *CondVal = 0;
421   BasicBlock *ExitBlock = 0;
422   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
423     // If the condition is trivial, always unswitch. There is no code growth
424     // for this case.
425     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
426     return true;
427   }
428
429   // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
430
431   // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
432   if (OptimizeForSize || F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
433     return false;
434
435   // FIXME: This is overly conservative because it does not take into
436   // consideration code simplification opportunities and code that can
437   // be shared by the resultant unswitched loops.
438   CodeMetrics Metrics;
439   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
440          E = currentLoop->block_end();
441        I != E; ++I)
442     Metrics.analyzeBasicBlock(*I);
443
444   // Limit the number of instructions to avoid causing significant code
445   // expansion, and the number of basic blocks, to avoid loops with
446   // large numbers of branches which cause loop unswitching to go crazy.
447   // This is a very ad-hoc heuristic.
448   if (Metrics.NumInsts > Threshold ||
449       Metrics.NumBlocks * 5 > Threshold ||
450       Metrics.containsIndirectBr || Metrics.isRecursive) {
451     DEBUG(dbgs() << "NOT unswitching loop %"
452           << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
453           << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
454     return false;
455   }
456
457   UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
458   return true;
459 }
460
461 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
462 // current values into those specified by VMap.
463 //
464 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
465                                     ValueToValueMapTy &VMap) {
466   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
467     Value *Op = I->getOperand(op);
468     ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(Op);
469     if (It != VMap.end()) Op = It->second;
470     I->setOperand(op, Op);
471   }
472 }
473
474 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
475 /// mapping the blocks with the specified map.
476 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, ValueToValueMapTy &VM,
477                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
478   Loop *New = new Loop();
479   LPM->insertLoop(New, PL);
480
481   // Add all of the blocks in L to the new loop.
482   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
483        I != E; ++I)
484     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
485       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
486
487   // Add all of the subloops to the new loop.
488   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
489     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
490
491   return New;
492 }
493
494 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
495 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
496 /// code immediately before InsertPt.
497 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
498                                                   BasicBlock *TrueDest,
499                                                   BasicBlock *FalseDest,
500                                                   Instruction *InsertPt) {
501   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
502   // code is the true version and the new code is the false version.
503   Value *BranchVal = LIC;
504   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
505       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
506     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
507   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
508     // We want to enter the new loop when the condition is true.
509     std::swap(TrueDest, FalseDest);
510
511   // Insert the new branch.
512   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
513
514   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
515   // form for enclosing loops.
516   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
517   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
518 }
519
520 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
521 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
522 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
523 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
524 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
525 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
526                                             Constant *Val, 
527                                             BasicBlock *ExitBlock) {
528   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
529         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
530         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
531         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
532   
533   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
534   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
535   // conditional branch on Cond.
536   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
537
538   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
539   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
540   // short-circuit to.
541   
542   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
543   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
544   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
545   // loop header, not the preheader).
546   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
547   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
548     
549   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
550   // insert the new conditional branch.
551   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
552                                  loopPreheader->getTerminator());
553   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
554   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
555
556   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
557   redoLoop = true;
558   
559   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
560   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
561   // at least eliminate the old branch.
562   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
563   ++NumTrivial;
564 }
565
566 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
567 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
568 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
569                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks){
570
571   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
572     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
573     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
574                                        pred_end(ExitBlock));
575     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
576                            ".us-lcssa", this);
577   }
578 }
579
580 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
581 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
582 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
583 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
584                                                Loop *L) {
585   Function *F = loopHeader->getParent();
586   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
587         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
588         << " blocks] in Function " << F->getName()
589         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
590
591   LoopBlocks.clear();
592   NewBlocks.clear();
593
594   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
595   // the LoopBlocks list.
596   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
597   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
598
599   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
600   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
601
602   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
603   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
604
605   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
606   // the appropriate Phi nodes as we do so.
607   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
608
609   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
610   ExitBlocks.clear();
611   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
612
613   // Add exit blocks to the loop blocks.
614   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
615
616   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
617   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
618   // the instructions and blocks.
619   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
620   ValueToValueMapTy VMap;
621   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
622     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], VMap, ".us", F);
623     NewBlocks.push_back(NewBB);
624     VMap[LoopBlocks[i]] = NewBB;  // Keep the BB mapping.
625     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], NewBB, L);
626   }
627
628   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
629   // original preheader.
630   F->getBasicBlockList().splice(NewPreheader, F->getBasicBlockList(),
631                                 NewBlocks[0], F->end());
632
633   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
634   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), VMap, LI, LPM);
635   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
636   if (ParentLoop) {
637     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
638     // as well.
639     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
640   }
641   
642   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
643     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(VMap[ExitBlocks[i]]);
644     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
645     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
646       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
647     
648     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
649            "Exit block should have been split to have one successor!");
650     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
651
652     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
653     // NewExit.
654     PHINode *PN;
655     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
656       PN = cast<PHINode>(I);
657       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
658       ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(V);
659       if (It != VMap.end()) V = It->second;
660       PN->addIncoming(V, NewExit);
661     }
662   }
663
664   // Rewrite the code to refer to itself.
665   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
666     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
667            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
668       RemapInstruction(I, VMap);
669   
670   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
671   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
672   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
673          "Preheader splitting did not work correctly!");
674
675   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
676   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
677   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
678   OldBR->eraseFromParent();
679
680   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
681   redoLoop = true;
682
683   // Keep a WeakVH holding onto LIC.  If the first call to RewriteLoopBody
684   // deletes the instruction (for example by simplifying a PHI that feeds into
685   // the condition that we're unswitching on), we don't rewrite the second
686   // iteration.
687   WeakVH LICHandle(LIC);
688   
689   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
690   // new code to know that the condition is false.
691   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
692
693   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
694   // changed to another value or a constant.  If its a constant, don't simplify
695   // it.
696   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop &&
697       LICHandle && !isa<Constant>(LICHandle))
698     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LICHandle, Val, true);
699 }
700
701 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
702 /// specified.
703 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
704                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
705   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
706                                                      Worklist.end(), I);
707   while (WI != Worklist.end()) {
708     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
709     Worklist.erase(WI);
710     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
711   }
712 }
713
714 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
715 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
716 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
717                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
718                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
719   DEBUG(dbgs() << "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   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
731   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
732   I->replaceAllUsesWith(V);
733   I->eraseFromParent();
734   ++NumSimplify;
735 }
736
737 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
738 /// information, and remove any dead successors it has.
739 ///
740 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
741                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
742                                      Loop *L) {
743   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
744     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
745     // are any easy simplifications we can do now.
746     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
747       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
748       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
749         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
750                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
751                           Worklist, L, LPM);
752       
753       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
754       // have an unreachable loop.
755       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
756         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
757           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
758           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
759           // dominates the latch).
760           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
761           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
762           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
763           
764           // The loop is now broken, remove it from LI.
765           RemoveLoopFromHierarchy(L);
766           
767           // Reprocess the header, which now IS dead.
768           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
769           return;
770         }
771       
772       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
773       // the two blocks will get merged.
774       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
775         if (BI->isUnconditional())
776           Worklist.push_back(BI);
777     }
778     return;
779   }
780
781   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
782   
783   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
784   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
785     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
786     
787     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
788     // uses replaced with undefs.
789     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
790     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
791     if (!I->getType()->isVoidTy())
792       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
793   }
794   
795   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
796   // promote all subloops.
797   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
798     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
799       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
800   }
801
802   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
803   // was in.
804   LI->removeBlock(BB);
805   
806   
807   // Remove phi node entries in successors for this block.
808   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
809   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
810   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
811     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
812     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
813   }
814   
815   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
816   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
817   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
818   
819   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
820   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
821   BB->eraseFromParent();
822   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
823   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
824   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
825   //
826   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
827     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
828       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
829       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
830       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
831       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
832       // above and headers can only have two predecessors.
833       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
834         Succs.erase(Succs.begin()+i);
835         --i;
836       }
837     }
838   
839   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
840     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
841 }
842
843 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
844 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
845 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
846 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
847 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
848 /// removed later.
849 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
850   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
851   RemoveLoopFromWorklist(L);
852 }
853
854 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
855 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
856 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
857 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
858                                                         Constant *Val,
859                                                         bool IsEqual) {
860   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
861   
862   // FIXME: Support correlated properties, like:
863   //  for (...)
864   //    if (li1 < li2)
865   //      ...
866   //    if (li1 > li2)
867   //      ...
868   
869   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
870   // selects, switches.
871   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
872   std::vector<Instruction*> Worklist;
873   LLVMContext &Context = Val->getContext();
874
875
876   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
877   // in the loop with the appropriate one directly.
878   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
879       Val->getType()->isIntegerTy(1))) {
880     Value *Replacement;
881     if (IsEqual)
882       Replacement = Val;
883     else
884       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
885                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
886     
887     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
888       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
889         if (!L->contains(U))
890           continue;
891         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
892         Worklist.push_back(U);
893       }
894     SimplifyCode(Worklist, L);
895     return;
896   }
897   
898   // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
899   // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
900   // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
901   for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i) {
902     Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]);
903     if (!L->contains(U))
904       continue;
905
906     Worklist.push_back(U);
907
908     // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
909     // 'icmp eq LIC, Val' -> false.
910
911     // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
912     SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U);
913     if (SI == 0 || !isa<ConstantInt>(Val)) continue;
914     
915     unsigned DeadCase = SI->findCaseValue(cast<ConstantInt>(Val));
916     if (DeadCase == 0) continue;  // Default case is live for multiple values.
917     
918     // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
919     // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
920     // be in the Users list.
921         
922     // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
923     // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
924     // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
925     // loop structure and put the block on a dead code path.
926     BasicBlock *Switch = SI->getParent();
927     SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(DeadCase), this);
928     // Compute the successors instead of relying on the return value
929     // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
930     // after PHI nodes.
931     BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(DeadCase);
932     BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
933     // Create an "unreachable" destination.
934     BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
935                                            Switch->getParent(),
936                                            OldSISucc);
937     new UnreachableInst(Context, Abort);
938     // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
939     // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
940     NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
941     BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
942                        ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
943     // Release the PHI operands for this edge.
944     for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
945          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
946       PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
947                            UndefValue::get(PN->getType()));
948     // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
949     // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
950     // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
951     // new blocks.
952     if (DT)
953       DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
954   }
955   
956   SimplifyCode(Worklist, L);
957 }
958
959 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
960 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
961 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
962 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
963 /// it must not be used.
964 ///
965 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
966 /// pass.
967 ///
968 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
969   while (!Worklist.empty()) {
970     Instruction *I = Worklist.back();
971     Worklist.pop_back();
972     
973     // Simple constant folding.
974     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
975       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
976       continue;
977     }
978     
979     // Simple DCE.
980     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
981       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
982       
983       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
984       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
985         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
986           Worklist.push_back(Use);
987       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
988       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
989       I->eraseFromParent();
990       ++NumSimplify;
991       continue;
992     }
993
994     // See if instruction simplification can hack this up.  This is common for
995     // things like "select false, X, Y" after unswitching made the condition be
996     // 'false'.
997     if (Value *V = SimplifyInstruction(I, 0, DT))
998       if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(I, V)) {
999         ReplaceUsesOfWith(I, V, Worklist, L, LPM);
1000         continue;
1001       }
1002
1003     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
1004     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(I)) {
1005       if (BI->isUnconditional()) {
1006         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1007         // together.
1008         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1009         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1010         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1011         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1012         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1013
1014         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1015               << Succ->getName() << "\n");
1016         
1017         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1018         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1019           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1020         
1021         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1022         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1023                                    Succ->end());
1024         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1025         BI->eraseFromParent();
1026         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1027         
1028         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1029         // entries coming from Pred instead of Succ.
1030         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1031         
1032         // Remove Succ from the loop tree.
1033         LI->removeBlock(Succ);
1034         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1035         Succ->eraseFromParent();
1036         ++NumSimplify;
1037         continue;
1038       }
1039       
1040       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1041         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1042         // remove dead blocks.
1043         continue;  // FIXME: Enable.
1044
1045         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1046         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1047         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1048         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1049         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1050         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1051         BI->eraseFromParent();
1052         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1053         ++NumSimplify;
1054
1055         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1056       }
1057       continue;
1058     }
1059   }
1060 }