apparently unswitch had the same "Feature". Stop its
[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
98     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
99     bool processCurrentLoop();
100
101     /// This transformation requires natural loop information & requires that
102     /// loop preheaders be inserted into the CFG.
103     ///
104     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
105       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
106       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
107       AU.addRequired<LoopInfo>();
108       AU.addPreserved<LoopInfo>();
109       AU.addRequiredID(LCSSAID);
110       AU.addPreservedID(LCSSAID);
111       AU.addPreserved<DominatorTree>();
112     }
113
114   private:
115
116     virtual void releaseMemory() {
117       UnswitchedVals.clear();
118     }
119
120     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
121     /// remove it.
122     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
123       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
124                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
125       if (I != LoopProcessWorklist.end())
126         LoopProcessWorklist.erase(I);
127     }
128
129     void initLoopData() {
130       loopHeader = currentLoop->getHeader();
131       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
132     }
133
134     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
135     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
136     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
137
138     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
139     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
140                                   BasicBlock *ExitBlock);
141     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
142
143     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
144                                               Constant *Val, bool isEqual);
145
146     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
147                                         BasicBlock *TrueDest, 
148                                         BasicBlock *FalseDest,
149                                         Instruction *InsertPt);
150
151     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
152     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
153                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
154     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
155     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
156                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
157
158   };
159 }
160 char LoopUnswitch::ID = 0;
161 INITIALIZE_PASS(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops", false, false);
162
163 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
164   return new LoopUnswitch(Os); 
165 }
166
167 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
168 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
169 /// Otherwise, return null.
170 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
171   // We can never unswitch on vector conditions.
172   if (Cond->getType()->isVectorTy())
173     return 0;
174
175   // Constants should be folded, not unswitched on!
176   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
177
178   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
179
180   // Hoist simple values out.
181   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
182     return Cond;
183
184   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
185     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
186         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
187       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
188       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
189       // simplify in the other one.
190       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
191         return LHS;
192       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
193         return RHS;
194     }
195   
196   return 0;
197 }
198
199 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
200   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
201   LPM = &LPM_Ref;
202   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
203   currentLoop = L;
204   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
205   bool Changed = false;
206   do {
207     assert(currentLoop->isLCSSAForm(*DT));
208     redoLoop = false;
209     Changed |= processCurrentLoop();
210   } while(redoLoop);
211
212   if (Changed) {
213     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
214     if (DT)
215       DT->runOnFunction(*F);
216   }
217   return Changed;
218 }
219
220 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
221 /// and profitable.
222 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
223   bool Changed = false;
224   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
225
226   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
227   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
228   // loop.
229   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
230          E = currentLoop->block_end(); I != E; ++I) {
231     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
232     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
233       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
234       // it.
235       if (BI->isConditional()) {
236         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
237         // unswitch on it if we desire.
238         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
239                                                currentLoop, Changed);
240         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
241                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
242           ++NumBranches;
243           return true;
244         }
245       }      
246     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
247       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
248                                              currentLoop, Changed);
249       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
250         // Find a value to unswitch on:
251         // FIXME: this should chose the most expensive case!
252         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
253         // Do not process same value again and again.
254         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
255           continue;
256
257         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
258           ++NumSwitches;
259           return true;
260         }
261       }
262     }
263     
264     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
265     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
266          BBI != E; ++BBI)
267       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
268         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
269                                                currentLoop, Changed);
270         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
271                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
272           ++NumSelects;
273           return true;
274         }
275       }
276   }
277   return Changed;
278 }
279
280 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
281 ///   1. Exit the loop with no side effects.
282 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
283 ///
284 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
285 /// exit through.
286 ///
287 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
288                                          BasicBlock *&ExitBB,
289                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
290   if (!Visited.insert(BB).second) {
291     // Already visited and Ok, end of recursion.
292     return true;
293   } else if (!L->contains(BB)) {
294     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
295     // first exit.
296     if (ExitBB != 0) return false;
297     ExitBB = BB;
298     return true;
299   }
300   
301   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
302   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
303     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
304     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
305       return false;
306   }
307
308   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
309   // doesn't include any side effects.
310   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
311     if (I->mayHaveSideEffects())
312       return false;
313   
314   return true;
315 }
316
317 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
318 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
319 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
320 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
321   std::set<BasicBlock*> Visited;
322   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
323   BasicBlock *ExitBB = 0;
324   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
325     return ExitBB;
326   return 0;
327 }
328
329 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
330 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
331 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
332 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
333 /// loop, which gets deleted).
334 ///
335 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
336 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
337 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
338 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
339 /// Cond == Val.
340 ///
341 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
342                                        BasicBlock **LoopExit) {
343   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
344   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
345   LLVMContext &Context = Header->getContext();
346   
347   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
348   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
349     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
350     // can't handle it.
351     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
352       return false;
353   
354     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
355     // latch block or exit through a one exit block without having any 
356     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
357     // this.
358     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
359                                              BI->getSuccessor(0)))) {
360       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
361     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
362                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
363       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
364     }
365   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
366     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
367     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
368     
369     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
370     // latch block or exit through a one exit block without having any 
371     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
372     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
373     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
374       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
375                                                SI->getSuccessor(i)))) {
376         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
377         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
378         break;
379       }
380   }
381
382   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
383   // contains phi nodes, this isn't trivial.
384   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
385     return false;   // Can't handle this.
386   
387   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
388   
389   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
390   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
391   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
392   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
393   // tail, check the header now.
394   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
395     if (I->mayHaveSideEffects())
396       return false;
397   return true;
398 }
399
400 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
401 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
402 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
403 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val) {
404
405   initLoopData();
406
407   // If LoopSimplify was unable to form a preheader, don't do any unswitching.
408   if (!loopPreheader)
409     return false;
410
411   Function *F = loopHeader->getParent();
412
413   Constant *CondVal = 0;
414   BasicBlock *ExitBlock = 0;
415   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
416     // If the condition is trivial, always unswitch. There is no code growth
417     // for this case.
418     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
419     return true;
420   }
421
422   // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
423
424   // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
425   if (OptimizeForSize || F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
426     return false;
427
428   // FIXME: This is overly conservative because it does not take into
429   // consideration code simplification opportunities and code that can
430   // be shared by the resultant unswitched loops.
431   CodeMetrics Metrics;
432   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
433          E = currentLoop->block_end();
434        I != E; ++I)
435     Metrics.analyzeBasicBlock(*I);
436
437   // Limit the number of instructions to avoid causing significant code
438   // expansion, and the number of basic blocks, to avoid loops with
439   // large numbers of branches which cause loop unswitching to go crazy.
440   // This is a very ad-hoc heuristic.
441   if (Metrics.NumInsts > Threshold ||
442       Metrics.NumBlocks * 5 > Threshold ||
443       Metrics.containsIndirectBr || Metrics.isRecursive) {
444     DEBUG(dbgs() << "NOT unswitching loop %"
445           << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
446           << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
447     return false;
448   }
449
450   UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
451   return true;
452 }
453
454 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
455 // current values into those specified by VMap.
456 //
457 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
458                                     ValueMap<const Value *, Value*> &VMap) {
459   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
460     Value *Op = I->getOperand(op);
461     ValueMap<const Value *, Value*>::iterator It = VMap.find(Op);
462     if (It != VMap.end()) Op = It->second;
463     I->setOperand(op, Op);
464   }
465 }
466
467 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
468 /// mapping the blocks with the specified map.
469 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, ValueMap<const Value*, Value*> &VM,
470                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
471   Loop *New = new Loop();
472   LPM->insertLoop(New, PL);
473
474   // Add all of the blocks in L to the new loop.
475   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
476        I != E; ++I)
477     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
478       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
479
480   // Add all of the subloops to the new loop.
481   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
482     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
483
484   return New;
485 }
486
487 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
488 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
489 /// code immediately before InsertPt.
490 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
491                                                   BasicBlock *TrueDest,
492                                                   BasicBlock *FalseDest,
493                                                   Instruction *InsertPt) {
494   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
495   // code is the true version and the new code is the false version.
496   Value *BranchVal = LIC;
497   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
498       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
499     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
500   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
501     // We want to enter the new loop when the condition is true.
502     std::swap(TrueDest, FalseDest);
503
504   // Insert the new branch.
505   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
506
507   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
508   // form for enclosing loops.
509   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
510   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
511 }
512
513 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
514 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
515 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
516 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
517 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
518 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
519                                             Constant *Val, 
520                                             BasicBlock *ExitBlock) {
521   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
522         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
523         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
524         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
525   
526   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
527   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
528   // conditional branch on Cond.
529   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
530
531   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
532   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
533   // short-circuit to.
534   
535   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
536   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
537   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
538   // loop header, not the preheader).
539   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
540   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
541     
542   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
543   // insert the new conditional branch.
544   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
545                                  loopPreheader->getTerminator());
546   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
547   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
548
549   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
550   redoLoop = true;
551   
552   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
553   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
554   // at least eliminate the old branch.
555   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
556   ++NumTrivial;
557 }
558
559 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
560 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
561 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
562                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks){
563
564   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
565     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
566     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
567                                        pred_end(ExitBlock));
568     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
569                            ".us-lcssa", this);
570   }
571 }
572
573 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
574 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
575 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
576 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
577                                                Loop *L) {
578   Function *F = loopHeader->getParent();
579   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
580         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
581         << " blocks] in Function " << F->getName()
582         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
583
584   LoopBlocks.clear();
585   NewBlocks.clear();
586
587   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
588   // the LoopBlocks list.
589   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
590   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
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   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
596   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
597
598   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
599   // the appropriate Phi nodes as we do so.
600   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
601
602   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
603   ExitBlocks.clear();
604   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
605
606   // Add exit blocks to the loop blocks.
607   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
608
609   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
610   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
611   // the instructions and blocks.
612   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
613   ValueMap<const Value*, Value*> VMap;
614   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
615     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], VMap, ".us", F);
616     NewBlocks.push_back(NewBB);
617     VMap[LoopBlocks[i]] = NewBB;  // Keep the BB mapping.
618     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], NewBB, L);
619   }
620
621   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
622   // original preheader.
623   F->getBasicBlockList().splice(NewPreheader, F->getBasicBlockList(),
624                                 NewBlocks[0], F->end());
625
626   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
627   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), VMap, LI, LPM);
628   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
629   if (ParentLoop) {
630     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
631     // as well.
632     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
633   }
634   
635   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
636     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(VMap[ExitBlocks[i]]);
637     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
638     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
639       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
640     
641     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
642            "Exit block should have been split to have one successor!");
643     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
644
645     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
646     // NewExit.
647     PHINode *PN;
648     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
649       PN = cast<PHINode>(I);
650       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
651       ValueMap<const Value *, Value*>::iterator It = VMap.find(V);
652       if (It != VMap.end()) V = It->second;
653       PN->addIncoming(V, NewExit);
654     }
655   }
656
657   // Rewrite the code to refer to itself.
658   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
659     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
660            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
661       RemapInstruction(I, VMap);
662   
663   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
664   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
665   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
666          "Preheader splitting did not work correctly!");
667
668   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
669   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
670   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
671   OldBR->eraseFromParent();
672
673   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
674   redoLoop = true;
675
676   // Keep a WeakVH holding onto LIC.  If the first call to RewriteLoopBody
677   // deletes the instruction (for example by simplifying a PHI that feeds into
678   // the condition that we're unswitching on), we don't rewrite the second
679   // iteration.
680   WeakVH LICHandle(LIC);
681   
682   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
683   // new code to know that the condition is false.
684   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
685
686   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
687   // changed to another value or a constant.  If its a constant, don't simplify
688   // it.
689   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop &&
690       LICHandle && !isa<Constant>(LICHandle))
691     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LICHandle, Val, true);
692 }
693
694 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
695 /// specified.
696 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
697                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
698   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
699                                                      Worklist.end(), I);
700   while (WI != Worklist.end()) {
701     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
702     Worklist.erase(WI);
703     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
704   }
705 }
706
707 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
708 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
709 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
710                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
711                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
712   DEBUG(dbgs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
713
714   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
715   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
716     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
717       Worklist.push_back(Use);
718
719   // Add users to the worklist which may be simplified now.
720   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
721        UI != E; ++UI)
722     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
723   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
724   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
725   I->replaceAllUsesWith(V);
726   I->eraseFromParent();
727   ++NumSimplify;
728 }
729
730 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
731 /// information, and remove any dead successors it has.
732 ///
733 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
734                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
735                                      Loop *L) {
736   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
737     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
738     // are any easy simplifications we can do now.
739     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
740       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
741       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
742         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
743                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
744                           Worklist, L, LPM);
745       
746       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
747       // have an unreachable loop.
748       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
749         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
750           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
751           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
752           // dominates the latch).
753           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
754           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
755           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
756           
757           // The loop is now broken, remove it from LI.
758           RemoveLoopFromHierarchy(L);
759           
760           // Reprocess the header, which now IS dead.
761           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
762           return;
763         }
764       
765       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
766       // the two blocks will get merged.
767       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
768         if (BI->isUnconditional())
769           Worklist.push_back(BI);
770     }
771     return;
772   }
773
774   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
775   
776   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
777   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
778     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
779     
780     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
781     // uses replaced with undefs.
782     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
783     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
784     if (!I->getType()->isVoidTy())
785       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
786   }
787   
788   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
789   // promote all subloops.
790   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
791     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
792       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
793   }
794
795   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
796   // was in.
797   LI->removeBlock(BB);
798   
799   
800   // Remove phi node entries in successors for this block.
801   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
802   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
803   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
804     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
805     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
806   }
807   
808   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
809   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
810   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
811   
812   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
813   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
814   BB->eraseFromParent();
815   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
816   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
817   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
818   //
819   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
820     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
821       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
822       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
823       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
824       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
825       // above and headers can only have two predecessors.
826       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
827         Succs.erase(Succs.begin()+i);
828         --i;
829       }
830     }
831   
832   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
833     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
834 }
835
836 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
837 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
838 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
839 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
840 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
841 /// removed later.
842 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
843   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
844   RemoveLoopFromWorklist(L);
845 }
846
847 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
848 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
849 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
850 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
851                                                         Constant *Val,
852                                                         bool IsEqual) {
853   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
854   
855   // FIXME: Support correlated properties, like:
856   //  for (...)
857   //    if (li1 < li2)
858   //      ...
859   //    if (li1 > li2)
860   //      ...
861   
862   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
863   // selects, switches.
864   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
865   std::vector<Instruction*> Worklist;
866   LLVMContext &Context = Val->getContext();
867
868
869   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
870   // in the loop with the appropriate one directly.
871   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
872       Val->getType()->isIntegerTy(1))) {
873     Value *Replacement;
874     if (IsEqual)
875       Replacement = Val;
876     else
877       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
878                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
879     
880     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
881       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
882         if (!L->contains(U))
883           continue;
884         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
885         Worklist.push_back(U);
886       }
887     SimplifyCode(Worklist, L);
888     return;
889   }
890   
891   // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
892   // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
893   // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
894   for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i) {
895     Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]);
896     if (!L->contains(U))
897       continue;
898
899     Worklist.push_back(U);
900
901     // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
902     // 'icmp eq LIC, Val' -> false.
903
904     // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
905     SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U);
906     if (SI == 0 || !isa<ConstantInt>(Val)) continue;
907     
908     unsigned DeadCase = SI->findCaseValue(cast<ConstantInt>(Val));
909     if (DeadCase == 0) continue;  // Default case is live for multiple values.
910     
911     // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
912     // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
913     // be in the Users list.
914         
915     // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
916     // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
917     // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
918     // loop structure and put the block on a dead code path.
919     BasicBlock *Switch = SI->getParent();
920     SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(DeadCase), this);
921     // Compute the successors instead of relying on the return value
922     // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
923     // after PHI nodes.
924     BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(DeadCase);
925     BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
926     // Create an "unreachable" destination.
927     BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
928                                            Switch->getParent(),
929                                            OldSISucc);
930     new UnreachableInst(Context, Abort);
931     // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
932     // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
933     NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
934     BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
935                        ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
936     // Release the PHI operands for this edge.
937     for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
938          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
939       PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
940                            UndefValue::get(PN->getType()));
941     // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
942     // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
943     // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
944     // new blocks.
945     if (DT)
946       DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
947   }
948   
949   SimplifyCode(Worklist, L);
950 }
951
952 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
953 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
954 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
955 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
956 /// it must not be used.
957 ///
958 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
959 /// pass.
960 ///
961 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
962   while (!Worklist.empty()) {
963     Instruction *I = Worklist.back();
964     Worklist.pop_back();
965     
966     // Simple constant folding.
967     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
968       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
969       continue;
970     }
971     
972     // Simple DCE.
973     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
974       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
975       
976       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
977       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
978         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
979           Worklist.push_back(Use);
980       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
981       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
982       I->eraseFromParent();
983       ++NumSimplify;
984       continue;
985     }
986     
987     // See if instruction simplification can hack this up.  This is common for
988     // things like "select false, X, Y" after unswitching made the condition be
989     // 'false'.
990     if (Value *V = SimplifyInstruction(I)) {
991       ReplaceUsesOfWith(I, V, Worklist, L, LPM);
992       continue;
993     }
994     
995     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
996     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(I)) {
997       if (BI->isUnconditional()) {
998         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
999         // together.
1000         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1001         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1002         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1003         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1004         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1005
1006         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1007               << Succ->getName() << "\n");
1008         
1009         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1010         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1011           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1012         
1013         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1014         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1015                                    Succ->end());
1016         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1017         BI->eraseFromParent();
1018         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1019         
1020         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1021         // entries coming from Pred instead of Succ.
1022         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1023         
1024         // Remove Succ from the loop tree.
1025         LI->removeBlock(Succ);
1026         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1027         Succ->eraseFromParent();
1028         ++NumSimplify;
1029         continue;
1030       }
1031       
1032       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1033         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1034         // remove dead blocks.
1035         continue;  // FIXME: Enable.
1036
1037         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1038         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1039         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1040         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1041         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1042         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1043         BI->eraseFromParent();
1044         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1045         ++NumSimplify;
1046
1047         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1048       }
1049       continue;
1050     }
1051   }
1052 }