Add LCSSA as a requirement for LoopUnswitch, and assert that LoopUnswitch preserves
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
1 //===-- LoopUnswitch.cpp - Hoist loop-invariant conditionals in loop ------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
11 // to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
12 //
13 //  for (...)                  if (lic)
14 //    A                          for (...)
15 //    if (lic)                     A; B; C
16 //      B                      else
17 //    C                          for (...)
18 //                                 A; C
19 //
20 // This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time
21 // a loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be
22 // smaller than a threshold.
23 //
24 // This pass expects LICM to be run before it to hoist invariant conditions out
25 // of the loop, to make the unswitching opportunity obvious.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #define DEBUG_TYPE "loop-unswitch"
30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
31 #include "llvm/Constants.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
37 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
38 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/Support/Debug.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include <algorithm>
43 #include <iostream>
44 #include <set>
45 using namespace llvm;
46
47 namespace {
48   Statistic<> NumBranches("loop-unswitch", "Number of branches unswitched");
49   Statistic<> NumSwitches("loop-unswitch", "Number of switches unswitched");
50   Statistic<> NumSelects ("loop-unswitch", "Number of selects unswitched");
51   Statistic<> NumTrivial ("loop-unswitch",
52                           "Number of unswitches that are trivial");
53   Statistic<> NumSimplify("loop-unswitch", 
54                           "Number of simplifications of unswitched code");
55   cl::opt<unsigned>
56   Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
57             cl::init(10), cl::Hidden);
58   
59   class LoopUnswitch : public FunctionPass {
60     LoopInfo *LI;  // Loop information
61
62     // LoopProcessWorklist - List of loops we need to process.
63     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
64   public:
65     virtual bool runOnFunction(Function &F);
66     bool visitLoop(Loop *L);
67
68     /// This transformation requires natural loop information & requires that
69     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
70     ///
71     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
72       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
73       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
74       AU.addRequired<LoopInfo>();
75       AU.addPreserved<LoopInfo>();
76       AU.addRequiredID(LCSSAID);
77       AU.addPreservedID(LCSSAID);
78     }
79
80   private:
81     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
82     /// remove it.
83     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
84       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
85                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
86       if (I != LoopProcessWorklist.end())
87         LoopProcessWorklist.erase(I);
88     }
89       
90     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L);
91     unsigned getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC);
92     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
93                                   BasicBlock *ExitBlock);
94     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
95     BasicBlock *SplitEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To);
96     BasicBlock *SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt);
97
98     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
99                                               Constant *Val, bool isEqual);
100     
101     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist);
102     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
103                            std::vector<Instruction*> &Worklist);
104     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
105   };
106   RegisterOpt<LoopUnswitch> X("loop-unswitch", "Unswitch loops");
107 }
108
109 FunctionPass *llvm::createLoopUnswitchPass() { return new LoopUnswitch(); }
110
111 bool LoopUnswitch::runOnFunction(Function &F) {
112   bool Changed = false;
113   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
114
115   // Populate the worklist of loops to process in post-order.
116   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
117     for (po_iterator<Loop*> LI = po_begin(*I), E = po_end(*I); LI != E; ++LI)
118       LoopProcessWorklist.push_back(*LI);
119
120   // Process the loops in worklist order, this is a post-order visitation of
121   // the loops.  We use a worklist of loops so that loops can be removed at any
122   // time if they are deleted (e.g. the backedge of a loop is removed).
123   while (!LoopProcessWorklist.empty()) {
124     Loop *L = LoopProcessWorklist.back();
125     LoopProcessWorklist.pop_back();    
126     Changed |= visitLoop(L);
127   }
128
129   return Changed;
130 }
131
132 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
133 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
134 /// Otherwise, return null.
135 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
136   // Constants should be folded, not unswitched on!
137   if (isa<Constant>(Cond)) return false;
138   
139   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
140   // TODO: Hoist simple expressions out of loops.
141   if (L->isLoopInvariant(Cond)) return Cond;
142   
143   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
144     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
145         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
146       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
147       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
148       // simplify in the other one.
149       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
150         return LHS;
151       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
152         return RHS;
153     }
154       
155       return 0;
156 }
157
158 bool LoopUnswitch::visitLoop(Loop *L) {
159   bool Changed = false;
160   
161   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
162   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
163   // loop.
164   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
165        I != E; ++I) {
166     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
167     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
168       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
169       // it.
170       if (BI->isConditional()) {
171         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
172         // unswitch on it if we desire.
173         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), L, Changed);
174         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantBool::True, L)) {
175           ++NumBranches;
176           return true;
177         }
178       }      
179     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
180       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
181       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
182         // Find a value to unswitch on:
183         // FIXME: this should chose the most expensive case!
184         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
185         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal, L)) {
186           ++NumSwitches;
187           return true;
188         }
189       }
190     }
191     
192     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
193     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
194          BBI != E; ++BBI)
195       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
196         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), L, Changed);
197         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, ConstantBool::True, L)) {
198           ++NumSelects;
199           return true;
200         }
201       }
202   }
203     
204   assert(L->isLCSSAForm());
205   
206   return Changed;
207 }
208
209
210 /// LoopValuesUsedOutsideLoop - Return true if there are any values defined in
211 /// the loop that are used by instructions outside of it.
212 static bool LoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L) {
213   // We will be doing lots of "loop contains block" queries.  Loop::contains is
214   // linear time, use a set to speed this up.
215   std::set<BasicBlock*> LoopBlocks;
216
217   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
218        BB != E; ++BB)
219     LoopBlocks.insert(*BB);
220   
221   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
222        BB != E; ++BB) {
223     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ++I)
224       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
225            ++UI) {
226         BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(*UI)->getParent();
227         if (!LoopBlocks.count(UserBB))
228           return true;
229       }
230   }
231   return false;
232 }
233
234 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB either:
235 ///   1. Exit the loop with no side effects.
236 ///   2. Branch to the latch block with no side-effects.
237 ///
238 /// If these conditions are true, we return true and set ExitBB to the block we
239 /// exit through.
240 ///
241 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
242                                          BasicBlock *&ExitBB,
243                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
244   if (!Visited.insert(BB).second) {
245     // Already visited and Ok, end of recursion.
246     return true;
247   } else if (!L->contains(BB)) {
248     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
249     // first exit.
250     if (ExitBB != 0) return false;
251     ExitBB = BB;
252     return true;
253   }
254   
255   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
256   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
257     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
258     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
259       return false;
260   }
261
262   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
263   // doesn't include any side effects.
264   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
265     if (I->mayWriteToMemory())
266       return false;
267   
268   return true;
269 }
270
271 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
272 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
273 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
274 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
275   std::set<BasicBlock*> Visited;
276   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header are ok.
277   BasicBlock *ExitBB = 0;
278   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
279     return ExitBB;
280   return 0;
281 }
282
283 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
284 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
285 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
286 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
287 /// loop, which gets deleted).
288 ///
289 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
290 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
291 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
292 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
293 /// Cond == Val.
294 ///
295 static bool IsTrivialUnswitchCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant **Val = 0,
296                                        BasicBlock **LoopExit = 0) {
297   BasicBlock *Header = L->getHeader();
298   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
299   
300   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
301   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
302     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
303     // can't handle it.
304     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
305       return false;
306   
307     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to go to the
308     // latch block or exit through a one exit block without having any 
309     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
310     // this.
311     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(0)))) {
312       if (Val) *Val = ConstantBool::True;
313     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, BI->getSuccessor(1)))) {
314       if (Val) *Val = ConstantBool::False;
315     }
316   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
317     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
318     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
319     
320     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
321     // latch block or exit through a one exit block without having any 
322     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
323     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
324     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
325       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(L, SI->getSuccessor(i)))) {
326         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
327         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
328         break;
329       }
330   }
331
332   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
333   // contains phi nodes, this isn't trivial.
334   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
335     return false;   // Can't handle this.
336   
337   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
338   
339   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
340   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
341   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
342   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
343   // tail, check the header now.
344   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
345     if (I->mayWriteToMemory())
346       return false;
347   return true;
348 }
349
350 /// getLoopUnswitchCost - Return the cost (code size growth) that will happen if
351 /// we choose to unswitch the specified loop on the specified value.
352 ///
353 unsigned LoopUnswitch::getLoopUnswitchCost(Loop *L, Value *LIC) {
354   // If the condition is trivial, always unswitch.  There is no code growth for
355   // this case.
356   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LIC))
357     return 0;
358   
359   unsigned Cost = 0;
360   // FIXME: this is brain dead.  It should take into consideration code
361   // shrinkage.
362   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
363        I != E; ++I) {
364     BasicBlock *BB = *I;
365     // Do not include empty blocks in the cost calculation.  This happen due to
366     // loop canonicalization and will be removed.
367     if (BB->begin() == BasicBlock::iterator(BB->getTerminator()))
368       continue;
369     
370     // Count basic blocks.
371     ++Cost;
372   }
373
374   return Cost;
375 }
376
377 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch L when
378 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
379 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
380 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val,Loop *L){
381   // Check to see if it would be profitable to unswitch this loop.
382   unsigned Cost = getLoopUnswitchCost(L, LoopCond);
383   if (Cost > Threshold) {
384     // FIXME: this should estimate growth by the amount of code shared by the
385     // resultant unswitched loops.
386     //
387     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %"
388                     << L->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
389                     << L->getBlocks().size() << "\n");
390     return false;
391   }
392     
393   // If this loop has live-out values, we can't unswitch it. We need something
394   // like loop-closed SSA form in order to know how to insert PHI nodes for
395   // these values.
396   if (LoopValuesUsedOutsideLoop(L)) {
397     DEBUG(std::cerr << "NOT unswitching loop %" << L->getHeader()->getName()
398                     << ", a loop value is used outside loop!  Cost: "
399                     << Cost << "\n");
400     return false;
401   }
402       
403   // If this is a trivial condition to unswitch (which results in no code
404   // duplication), do it now.
405   Constant *CondVal;
406   BasicBlock *ExitBlock;
407   if (IsTrivialUnswitchCondition(L, LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
408     UnswitchTrivialCondition(L, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
409   } else {
410     UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, L);
411   }
412  
413   return true;
414 }
415
416 /// SplitBlock - Split the specified block at the specified instruction - every
417 /// thing before SplitPt stays in Old and everything starting with SplitPt moves
418 /// to a new block.  The two blocks are joined by an unconditional branch and
419 /// the loop info is updated.
420 ///
421 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitBlock(BasicBlock *Old, Instruction *SplitPt) {
422   BasicBlock::iterator SplitIt = SplitPt;
423   while (isa<PHINode>(SplitIt))
424     ++SplitIt;
425   BasicBlock *New = Old->splitBasicBlock(SplitIt, Old->getName()+".split");
426
427   // The new block lives in whichever loop the old one did.
428   if (Loop *L = LI->getLoopFor(Old))
429     L->addBasicBlockToLoop(New, *LI);
430   
431   return New;
432 }
433
434
435 BasicBlock *LoopUnswitch::SplitEdge(BasicBlock *BB, BasicBlock *Succ) {
436   TerminatorInst *LatchTerm = BB->getTerminator();
437   unsigned SuccNum = 0;
438   for (unsigned i = 0, e = LatchTerm->getNumSuccessors(); ; ++i) {
439     assert(i != e && "Didn't find edge?");
440     if (LatchTerm->getSuccessor(i) == Succ) {
441       SuccNum = i;
442       break;
443     }
444   }
445   
446   // If this is a critical edge, let SplitCriticalEdge do it.
447   if (SplitCriticalEdge(BB->getTerminator(), SuccNum, this))
448     return LatchTerm->getSuccessor(SuccNum);
449
450   // If the edge isn't critical, then BB has a single successor or Succ has a
451   // single pred.  Split the block.
452   BasicBlock::iterator SplitPoint;
453   if (BasicBlock *SP = Succ->getSinglePredecessor()) {
454     // If the successor only has a single pred, split the top of the successor
455     // block.
456     assert(SP == BB && "CFG broken");
457     return SplitBlock(Succ, Succ->begin());
458   } else {
459     // Otherwise, if BB has a single successor, split it at the bottom of the
460     // block.
461     assert(BB->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
462            "Should have a single succ!"); 
463     return SplitBlock(BB, BB->getTerminator());
464   }
465 }
466   
467
468
469 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
470 // current values into those specified by ValueMap.
471 //
472 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
473                                     std::map<const Value *, Value*> &ValueMap) {
474   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
475     Value *Op = I->getOperand(op);
476     std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
477     if (It != ValueMap.end()) Op = It->second;
478     I->setOperand(op, Op);
479   }
480 }
481
482 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
483 /// mapping the blocks with the specified map.
484 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, std::map<const Value*, Value*> &VM,
485                        LoopInfo *LI) {
486   Loop *New = new Loop();
487
488   if (PL)
489     PL->addChildLoop(New);
490   else
491     LI->addTopLevelLoop(New);
492
493   // Add all of the blocks in L to the new loop.
494   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
495        I != E; ++I)
496     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
497       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), *LI);
498
499   // Add all of the subloops to the new loop.
500   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
501     CloneLoop(*I, New, VM, LI);
502
503   return New;
504 }
505
506 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
507 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
508 /// code immediately before InsertPt.
509 static void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
510                                            BasicBlock *TrueDest,
511                                            BasicBlock *FalseDest,
512                                            Instruction *InsertPt) {
513   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
514   // code is the true version and the new code is the false version.
515   Value *BranchVal = LIC;
516   if (!isa<ConstantBool>(Val)) {
517     BranchVal = BinaryOperator::createSetEQ(LIC, Val, "tmp", InsertPt);
518   } else if (Val != ConstantBool::True) {
519     // We want to enter the new loop when the condition is true.
520     std::swap(TrueDest, FalseDest);
521   }
522
523   // Insert the new branch.
524   new BranchInst(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
525 }
526
527
528 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
529 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
530 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
531 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
532 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
533 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
534                                             Constant *Val, 
535                                             BasicBlock *ExitBlock) {
536   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
537         << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
538         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
539         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
540   
541   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
542   // to insert the conditional branch.  We will change 'OrigPH' to have a
543   // conditional branch on Cond.
544   BasicBlock *OrigPH = L->getLoopPreheader();
545   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(OrigPH, L->getHeader());
546
547   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
548   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
549   // short-circuit to.
550   
551   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
552   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
553   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
554   // loop header, not the preheader).
555   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
556   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin());
557     
558   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
559   // insert the new conditional branch.
560   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
561                                  OrigPH->getTerminator());
562   OrigPH->getTerminator()->eraseFromParent();
563
564   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
565   LoopProcessWorklist.push_back(L);
566   
567   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
568   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
569   // at least eliminate the old branch.
570   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
571   ++NumTrivial;
572 }
573
574
575 /// VersionLoop - We determined that the loop is profitable to unswitch when LIC
576 /// equal Val.  Split it into loop versions and test the condition outside of
577 /// either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
578 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
579                                                Loop *L) {
580   Function *F = L->getHeader()->getParent();
581   DEBUG(std::cerr << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
582                   << L->getHeader()->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
583                   << " blocks] in Function " << F->getName()
584                   << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
585
586   // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
587   // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
588   // loop, in that order.
589   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
590
591   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
592   // the LoopBlocks list.
593   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
594   LoopBlocks.push_back(SplitEdge(OrigPreheader, L->getHeader()));
595
596   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
597   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
598
599   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
600   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
601   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
602   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
603                    ExitBlocks.end());
604   
605   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  This
606   // unswitching trivial: no phi nodes to update.
607   unsigned NumBlocks = L->getBlocks().size();
608   
609   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
610     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
611     std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(ExitBlock), pred_end(ExitBlock));
612
613     for (unsigned j = 0, e = Preds.size(); j != e; ++j) {
614       assert(L->contains(Preds[j]) &&
615              "All preds of loop exit blocks must be the same loop!");
616       SplitEdge(Preds[j], ExitBlock);
617     }
618   }
619   
620   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
621   ExitBlocks.clear();
622   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
623   std::sort(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
624   ExitBlocks.erase(std::unique(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end()),
625                    ExitBlocks.end());
626   
627   // Add exit blocks to the loop blocks.
628   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
629
630   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
631   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
632   // the instructions and blocks.
633   std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
634   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
635   std::map<const Value*, Value*> ValueMap;
636   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
637     BasicBlock *New = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], ValueMap, ".us", F);
638     NewBlocks.push_back(New);
639     ValueMap[LoopBlocks[i]] = New;  // Keep the BB mapping.
640   }
641
642   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
643   // original preheader.
644   F->getBasicBlockList().splice(LoopBlocks[0], F->getBasicBlockList(),
645                                 NewBlocks[0], F->end());
646
647   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
648   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), ValueMap, LI);
649   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
650   if (ParentLoop) {
651     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
652     // as well.
653     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], *LI);
654   }
655   
656   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
657     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(ValueMap[ExitBlocks[i]]);
658     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
659     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
660       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, *LI);
661     
662     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
663            "Exit block should have been split to have one successor!");
664     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
665     
666     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
667     // NewExit.
668     PHINode *PN;
669     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin();
670          (PN = dyn_cast<PHINode>(I)); ++I) {
671       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
672       std::map<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(V);
673       if (It != ValueMap.end()) V = It->second;
674       PN->addIncoming(V, NewExit);
675     }
676   }
677
678   // Rewrite the code to refer to itself.
679   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
680     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
681            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
682       RemapInstruction(I, ValueMap);
683   
684   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
685   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
686   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
687          "Preheader splitting did not work correctly!");
688
689   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
690   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
691   OldBR->eraseFromParent();
692   
693   LoopProcessWorklist.push_back(L);
694   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
695
696   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
697   // new code to know that the condition is false.
698   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L      , LIC, Val, false);
699   
700   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
701   // deleted.  If so, don't simplify it.
702   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop)
703     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LIC, Val, true);
704 }
705
706 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
707 /// specified.
708 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
709                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
710   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
711                                                      Worklist.end(), I);
712   while (WI != Worklist.end()) {
713     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
714     Worklist.erase(WI);
715     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
716   }
717 }
718
719 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
720 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
721 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
722                               std::vector<Instruction*> &Worklist) {
723   DEBUG(std::cerr << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
724
725   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
726   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
727     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
728       Worklist.push_back(Use);
729
730   // Add users to the worklist which may be simplified now.
731   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
732        UI != E; ++UI)
733     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
734   I->replaceAllUsesWith(V);
735   I->eraseFromParent();
736   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
737   ++NumSimplify;
738 }
739
740 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
741 /// information, and remove any dead successors it has.
742 ///
743 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
744                                      std::vector<Instruction*> &Worklist) {
745   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
746     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
747     // are any easy simplifications we can do now.
748     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
749       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
750       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
751         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
752                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
753                           Worklist);
754       
755       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
756       // have an unreachable loop.
757       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
758         if (L->getHeader() == BB && L->contains(Pred)) {
759           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
760           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
761           // dominates the latch).
762           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
763           new UnreachableInst(Pred);
764           
765           // The loop is now broken, remove it from LI.
766           RemoveLoopFromHierarchy(L);
767           
768           // Reprocess the header, which now IS dead.
769           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist);
770           return;
771         }
772       
773       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
774       // the two blocks will get merged.
775       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
776         if (BI->isUnconditional())
777           Worklist.push_back(BI);
778     }
779     return;
780   }
781
782   DEBUG(std::cerr << "Nuking dead block: " << *BB);
783   
784   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
785   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
786     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
787     
788     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
789     // uses replaced with undefs.
790     if (!I->use_empty())
791       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
792   }
793   
794   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
795   // promote all subloops.
796   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
797     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
798       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
799   }
800
801   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
802   // was in.
803   LI->removeBlock(BB);
804   
805   
806   // Remove phi node entries in successors for this block.
807   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
808   std::vector<BasicBlock*> Succs;
809   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
810     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
811     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
812   }
813   
814   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
815   std::sort(Succs.begin(), Succs.end());
816   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
817   
818   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
819   BB->eraseFromParent();
820   
821   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
822   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
823   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
824   //
825   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
826     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
827       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
828       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
829       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
830       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
831       // above and headers can only have two predecessors.
832       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
833         Succs.erase(Succs.begin()+i);
834         --i;
835       }
836     }
837   
838   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
839     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist);
840 }
841
842 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
843 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
844 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
845 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
846 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
847 /// removed later.
848 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
849   if (Loop *ParentLoop = L->getParentLoop()) { // Not a top-level loop.
850     // Reparent all of the blocks in this loop.  Since BBLoop had a parent,
851     // they are now all in it.
852     for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end(); 
853          I != E; ++I)
854       if (LI->getLoopFor(*I) == L)    // Don't change blocks in subloops.
855         LI->changeLoopFor(*I, ParentLoop);
856     
857     // Remove the loop from its parent loop.
858     for (Loop::iterator I = ParentLoop->begin(), E = ParentLoop->end();;
859          ++I) {
860       assert(I != E && "Couldn't find loop");
861       if (*I == L) {
862         ParentLoop->removeChildLoop(I);
863         break;
864       }
865     }
866     
867     // Move all subloops into the parent loop.
868     while (L->begin() != L->end())
869       ParentLoop->addChildLoop(L->removeChildLoop(L->end()-1));
870   } else {
871     // Reparent all of the blocks in this loop.  Since BBLoop had no parent,
872     // they no longer in a loop at all.
873     
874     for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
875       // Don't change blocks in subloops.
876       if (LI->getLoopFor(L->getBlocks()[i]) == L) {
877         LI->removeBlock(L->getBlocks()[i]);
878         --i;
879       }
880     }
881
882     // Remove the loop from the top-level LoopInfo object.
883     for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end();; ++I) {
884       assert(I != E && "Couldn't find loop");
885       if (*I == L) {
886         LI->removeLoop(I);
887         break;
888       }
889     }
890
891     // Move all of the subloops to the top-level.
892     while (L->begin() != L->end())
893       LI->addTopLevelLoop(L->removeChildLoop(L->end()-1));
894   }
895
896   delete L;
897   RemoveLoopFromWorklist(L);
898 }
899
900
901
902 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
903 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
904 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
905 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
906                                                         Constant *Val,
907                                                         bool IsEqual) {
908   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
909   
910   // FIXME: Support correlated properties, like:
911   //  for (...)
912   //    if (li1 < li2)
913   //      ...
914   //    if (li1 > li2)
915   //      ...
916   
917   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
918   // selects, switches.
919   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
920   std::vector<Instruction*> Worklist;
921
922   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
923   // in the loop with the appropriate one directly.
924   if (IsEqual || isa<ConstantBool>(Val)) {
925     Value *Replacement;
926     if (IsEqual)
927       Replacement = Val;
928     else
929       Replacement = ConstantBool::get(!cast<ConstantBool>(Val)->getValue());
930     
931     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
932       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
933         if (!L->contains(U->getParent()))
934           continue;
935         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
936         Worklist.push_back(U);
937       }
938   } else {
939     // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
940     // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
941     // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
942     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
943       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
944         if (!L->contains(U->getParent()))
945           continue;
946
947         Worklist.push_back(U);
948
949         // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
950         if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U)) {
951           for (unsigned i = 1, e = SI->getNumCases(); i != e; ++i) {
952             if (SI->getCaseValue(i) == Val) {
953               // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
954               // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
955               // be in the Users list.
956               SI->getSuccessor(i)->removePredecessor(SI->getParent(), true);
957               SI->removeCase(i);
958               break;
959             }
960           }
961         }
962         
963         // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
964         // LIC == Val -> false.
965       }
966   }
967   
968   SimplifyCode(Worklist);
969 }
970
971 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the 
972 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
973 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
974 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
975 /// it must not be used.
976 ///
977 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
978 /// pass.
979 ///
980 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist) {
981   while (!Worklist.empty()) {
982     Instruction *I = Worklist.back();
983     Worklist.pop_back();
984     
985     // Simple constant folding.
986     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
987       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist);
988       continue;
989     }
990     
991     // Simple DCE.
992     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
993       DEBUG(std::cerr << "Remove dead instruction '" << *I);
994       
995       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
996       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
997         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
998           Worklist.push_back(Use);
999       I->eraseFromParent();
1000       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
1001       ++NumSimplify;
1002       continue;
1003     }
1004     
1005     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
1006     switch (I->getOpcode()) {
1007     case Instruction::Select:
1008       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(0))) {
1009         ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(!CB->getValue()+1), Worklist);
1010         continue;
1011       }
1012       break;
1013     case Instruction::And:
1014       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
1015         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1016       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
1017         if (CB->getValue())   // X & 1 -> X
1018           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1019         else                  // X & 0 -> 0
1020           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1021         continue;
1022       }
1023       break;
1024     case Instruction::Or:
1025       if (isa<ConstantBool>(I->getOperand(0)))   // constant -> RHS
1026         cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
1027       if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(I->getOperand(1))) {
1028         if (CB->getValue())   // X | 1 -> 1
1029           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(1), Worklist);
1030         else                  // X | 0 -> X
1031           ReplaceUsesOfWith(I, I->getOperand(0), Worklist);
1032         continue;
1033       }
1034       break;
1035     case Instruction::Br: {
1036       BranchInst *BI = cast<BranchInst>(I);
1037       if (BI->isUnconditional()) {
1038         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
1039         // together.
1040         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1041         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1042         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1043         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1044         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1045
1046         DEBUG(std::cerr << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1047                         << Succ->getName() << "\n");
1048         
1049         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1050         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1051           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist);
1052         
1053         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1054         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1055                                    Succ->end());
1056         BI->eraseFromParent();
1057         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1058         
1059         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1060         // entries coming from Pred instead of Succ.
1061         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1062         
1063         // Remove Succ from the loop tree.
1064         LI->removeBlock(Succ);
1065         Succ->eraseFromParent();
1066         ++NumSimplify;
1067       } else if (ConstantBool *CB = dyn_cast<ConstantBool>(BI->getCondition())){
1068         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1069         // remove dead blocks.
1070         break;  // FIXME: Enable.
1071
1072         DEBUG(std::cerr << "Folded branch: " << *BI);
1073         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getValue());
1074         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getValue());
1075         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1076         Worklist.push_back(new BranchInst(LiveSucc, BI));
1077         BI->eraseFromParent();
1078         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1079         ++NumSimplify;
1080
1081         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist);
1082       }
1083       break;
1084     }
1085     }
1086   }
1087 }