[PM] Split DominatorTree into a concrete analysis result object which
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SampleProfile.cpp
1 //===- SampleProfile.cpp - Incorporate sample profiles into the IR --------===//
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 file implements the SampleProfileLoader transformation. This pass
11 // reads a profile file generated by a sampling profiler (e.g. Linux Perf -
12 // http://perf.wiki.kernel.org/) and generates IR metadata to reflect the
13 // profile information in the given profile.
14 //
15 // This pass generates branch weight annotations on the IR:
16 //
17 // - prof: Represents branch weights. This annotation is added to branches
18 //      to indicate the weights of each edge coming out of the branch.
19 //      The weight of each edge is the weight of the target block for
20 //      that edge. The weight of a block B is computed as the maximum
21 //      number of samples found in B.
22 //
23 //===----------------------------------------------------------------------===//
24
25 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/OwningPtr.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
32 #include "llvm/ADT/StringMap.h"
33 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
34 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
35 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
36 #include "llvm/DebugInfo.h"
37 #include "llvm/IR/Constants.h"
38 #include "llvm/IR/Dominators.h"
39 #include "llvm/IR/Function.h"
40 #include "llvm/IR/Instructions.h"
41 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
42 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
43 #include "llvm/IR/Metadata.h"
44 #include "llvm/IR/Module.h"
45 #include "llvm/Pass.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
49 #include "llvm/Support/LineIterator.h"
50 #include "llvm/Support/MemoryBuffer.h"
51 #include "llvm/Support/Regex.h"
52 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
53
54 using namespace llvm;
55
56 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
57 // mainly used for debugging.
58 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
59     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
60     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
61 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
62     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
63     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
64              "sample block/edge weights through the CFG."));
65
66 namespace {
67
68 typedef DenseMap<uint32_t, uint32_t> BodySampleMap;
69 typedef DenseMap<BasicBlock *, uint32_t> BlockWeightMap;
70 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
71 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
72 typedef DenseMap<Edge, uint32_t> EdgeWeightMap;
73 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8> > BlockEdgeMap;
74
75 /// \brief Representation of the runtime profile for a function.
76 ///
77 /// This data structure contains the runtime profile for a given
78 /// function. It contains the total number of samples collected
79 /// in the function and a map of samples collected in every statement.
80 class SampleFunctionProfile {
81 public:
82   SampleFunctionProfile()
83       : TotalSamples(0), TotalHeadSamples(0), HeaderLineno(0), DT(0), PDT(0),
84         LI(0) {}
85
86   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
87   bool emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
88                        PostDominatorTree *PostDomTree, LoopInfo *Loops);
89   uint32_t getInstWeight(Instruction &I);
90   uint32_t getBlockWeight(BasicBlock *B);
91   void addTotalSamples(unsigned Num) { TotalSamples += Num; }
92   void addHeadSamples(unsigned Num) { TotalHeadSamples += Num; }
93   void addBodySamples(unsigned LineOffset, unsigned Num) {
94     BodySamples[LineOffset] += Num;
95   }
96   void print(raw_ostream &OS);
97   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
98   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
99   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
100   bool computeBlockWeights(Function &F);
101   void findEquivalenceClasses(Function &F);
102   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
103                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
104                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
105   void propagateWeights(Function &F);
106   uint32_t visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
107   void buildEdges(Function &F);
108   bool propagateThroughEdges(Function &F);
109   bool empty() { return BodySamples.empty(); }
110
111 protected:
112   /// \brief Total number of samples collected inside this function.
113   ///
114   /// Samples are cumulative, they include all the samples collected
115   /// inside this function and all its inlined callees.
116   unsigned TotalSamples;
117
118   /// \brief Total number of samples collected at the head of the function.
119   /// FIXME: Use head samples to estimate a cold/hot attribute for the function.
120   unsigned TotalHeadSamples;
121
122   /// \brief Line number for the function header. Used to compute relative
123   /// line numbers from the absolute line LOCs found in instruction locations.
124   /// The relative line numbers are needed to address the samples from the
125   /// profile file.
126   unsigned HeaderLineno;
127
128   /// \brief Map line offsets to collected samples.
129   ///
130   /// Each entry in this map contains the number of samples
131   /// collected at the corresponding line offset. All line locations
132   /// are an offset from the start of the function.
133   BodySampleMap BodySamples;
134
135   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
136   ///
137   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
138   /// of all the instruction weights in that block.
139   BlockWeightMap BlockWeights;
140
141   /// \brief Map edges to their computed weights.
142   ///
143   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
144   /// SampleProfile::propagateWeights.
145   EdgeWeightMap EdgeWeights;
146
147   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
148   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
149
150   /// \brief Set of visited edges during propagation.
151   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
152
153   /// \brief Equivalence classes for block weights.
154   ///
155   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
156   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
157   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
158   /// the same number of times.
159   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
160
161   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
162   DominatorTree *DT;
163   PostDominatorTree *PDT;
164   LoopInfo *LI;
165
166   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
167   BlockEdgeMap Predecessors;
168
169   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
170   BlockEdgeMap Successors;
171 };
172
173 /// \brief Sample-based profile reader.
174 ///
175 /// Each profile contains sample counts for all the functions
176 /// executed. Inside each function, statements are annotated with the
177 /// collected samples on all the instructions associated with that
178 /// statement.
179 ///
180 /// For this to produce meaningful data, the program needs to be
181 /// compiled with some debug information (at minimum, line numbers:
182 /// -gline-tables-only). Otherwise, it will be impossible to match IR
183 /// instructions to the line numbers collected by the profiler.
184 ///
185 /// From the profile file, we are interested in collecting the
186 /// following information:
187 ///
188 /// * A list of functions included in the profile (mangled names).
189 ///
190 /// * For each function F:
191 ///   1. The total number of samples collected in F.
192 ///
193 ///   2. The samples collected at each line in F. To provide some
194 ///      protection against source code shuffling, line numbers should
195 ///      be relative to the start of the function.
196 class SampleModuleProfile {
197 public:
198   SampleModuleProfile(StringRef F) : Profiles(0), Filename(F) {}
199
200   void dump();
201   void loadText();
202   void loadNative() { llvm_unreachable("not implemented"); }
203   void printFunctionProfile(raw_ostream &OS, StringRef FName);
204   void dumpFunctionProfile(StringRef FName);
205   SampleFunctionProfile &getProfile(const Function &F) {
206     return Profiles[F.getName()];
207   }
208
209   /// \brief Report a parse error message and stop compilation.
210   void reportParseError(int64_t LineNumber, Twine Msg) const {
211     report_fatal_error(Filename + ":" + Twine(LineNumber) + ": " + Msg + "\n");
212   }
213
214 protected:
215   /// \brief Map every function to its associated profile.
216   ///
217   /// The profile of every function executed at runtime is collected
218   /// in the structure SampleFunctionProfile. This maps function objects
219   /// to their corresponding profiles.
220   StringMap<SampleFunctionProfile> Profiles;
221
222   /// \brief Path name to the file holding the profile data.
223   ///
224   /// The format of this file is defined by each profiler
225   /// independently. If possible, the profiler should have a text
226   /// version of the profile format to be used in constructing test
227   /// cases and debugging.
228   StringRef Filename;
229 };
230
231 /// \brief Sample profile pass.
232 ///
233 /// This pass reads profile data from the file specified by
234 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
235 /// profile information found in that file.
236 class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
237 public:
238   // Class identification, replacement for typeinfo
239   static char ID;
240
241   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
242       : FunctionPass(ID), Profiler(0), Filename(Name) {
243     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
244   }
245
246   virtual bool doInitialization(Module &M);
247
248   void dump() { Profiler->dump(); }
249
250   virtual const char *getPassName() const { return "Sample profile pass"; }
251
252   virtual bool runOnFunction(Function &F);
253
254   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
255     AU.setPreservesCFG();
256     AU.addRequired<LoopInfo>();
257     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
258     AU.addRequired<PostDominatorTree>();
259   }
260
261 protected:
262   /// \brief Profile reader object.
263   OwningPtr<SampleModuleProfile> Profiler;
264
265   /// \brief Name of the profile file to load.
266   StringRef Filename;
267 };
268 }
269
270 /// \brief Print this function profile on stream \p OS.
271 ///
272 /// \param OS Stream to emit the output to.
273 void SampleFunctionProfile::print(raw_ostream &OS) {
274   OS << TotalSamples << ", " << TotalHeadSamples << ", " << BodySamples.size()
275      << " sampled lines\n";
276   for (BodySampleMap::const_iterator SI = BodySamples.begin(),
277                                      SE = BodySamples.end();
278        SI != SE; ++SI)
279     OS << "\tline offset: " << SI->first
280        << ", number of samples: " << SI->second << "\n";
281   OS << "\n";
282 }
283
284 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
285 ///
286 /// \param OS  Stream to emit the output to.
287 /// \param E  Edge to print.
288 void SampleFunctionProfile::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
289   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
290      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
291 }
292
293 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
294 ///
295 /// \param OS  Stream to emit the output to.
296 /// \param BB  Block to print.
297 void SampleFunctionProfile::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
298                                                   BasicBlock *BB) {
299   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
300   OS << "equivalence[" << BB->getName()
301      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
302 }
303
304 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
305 ///
306 /// \param OS  Stream to emit the output to.
307 /// \param BB  Block to print.
308 void SampleFunctionProfile::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
309   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
310 }
311
312 /// \brief Print the function profile for \p FName on stream \p OS.
313 ///
314 /// \param OS Stream to emit the output to.
315 /// \param FName Name of the function to print.
316 void SampleModuleProfile::printFunctionProfile(raw_ostream &OS,
317                                                StringRef FName) {
318   OS << "Function: " << FName << ":\n";
319   Profiles[FName].print(OS);
320 }
321
322 /// \brief Dump the function profile for \p FName.
323 ///
324 /// \param FName Name of the function to print.
325 void SampleModuleProfile::dumpFunctionProfile(StringRef FName) {
326   printFunctionProfile(dbgs(), FName);
327 }
328
329 /// \brief Dump all the function profiles found.
330 void SampleModuleProfile::dump() {
331   for (StringMap<SampleFunctionProfile>::const_iterator I = Profiles.begin(),
332                                                         E = Profiles.end();
333        I != E; ++I)
334     dumpFunctionProfile(I->getKey());
335 }
336
337 /// \brief Load samples from a text file.
338 ///
339 /// The file contains a list of samples for every function executed at
340 /// runtime. Each function profile has the following format:
341 ///
342 ///    function1:total_samples:total_head_samples
343 ///    offset1[.discriminator]: number_of_samples [fn1:num fn2:num ... ]
344 ///    offset2[.discriminator]: number_of_samples [fn3:num fn4:num ... ]
345 ///    ...
346 ///    offsetN[.discriminator]: number_of_samples [fn5:num fn6:num ... ]
347 ///
348 /// Function names must be mangled in order for the profile loader to
349 /// match them in the current translation unit. The two numbers in the
350 /// function header specify how many total samples were accumulated in
351 /// the function (first number), and the total number of samples accumulated
352 /// at the prologue of the function (second number). This head sample
353 /// count provides an indicator of how frequent is the function invoked.
354 ///
355 /// Each sampled line may contain several items. Some are optional
356 /// (marked below):
357 ///
358 /// a- Source line offset. This number represents the line number
359 ///    in the function where the sample was collected. The line number
360 ///    is always relative to the line where symbol of the function
361 ///    is defined. So, if the function has its header at line 280,
362 ///    the offset 13 is at line 293 in the file.
363 ///
364 /// b- [OPTIONAL] Discriminator. This is used if the sampled program
365 ///    was compiled with DWARF discriminator support
366 ///    (http://wiki.dwarfstd.org/index.php?title=Path_Discriminators)
367 ///    This is currently only emitted by GCC and we just ignore it.
368 ///
369 ///    FIXME: Handle discriminators, since they are needed to distinguish
370 ///           multiple control flow within a single source LOC.
371 ///
372 /// c- Number of samples. This is the number of samples collected by
373 ///    the profiler at this source location.
374 ///
375 /// d- [OPTIONAL] Potential call targets and samples. If present, this
376 ///    line contains a call instruction. This models both direct and
377 ///    indirect calls. Each called target is listed together with the
378 ///    number of samples. For example,
379 ///
380 ///    130: 7  foo:3  bar:2  baz:7
381 ///
382 ///    The above means that at relative line offset 130 there is a
383 ///    call instruction that calls one of foo(), bar() and baz(). With
384 ///    baz() being the relatively more frequent call target.
385 ///
386 ///    FIXME: This is currently unhandled, but it has a lot of
387 ///           potential for aiding the inliner.
388 ///
389 ///
390 /// Since this is a flat profile, a function that shows up more than
391 /// once gets all its samples aggregated across all its instances.
392 ///
393 /// FIXME: flat profiles are too imprecise to provide good optimization
394 ///        opportunities. Convert them to context-sensitive profile.
395 ///
396 /// This textual representation is useful to generate unit tests and
397 /// for debugging purposes, but it should not be used to generate
398 /// profiles for large programs, as the representation is extremely
399 /// inefficient.
400 void SampleModuleProfile::loadText() {
401   OwningPtr<MemoryBuffer> Buffer;
402   error_code EC = MemoryBuffer::getFile(Filename, Buffer);
403   if (EC)
404     report_fatal_error("Could not open file " + Filename + ": " + EC.message());
405   line_iterator LineIt(*Buffer, '#');
406
407   // Read the profile of each function. Since each function may be
408   // mentioned more than once, and we are collecting flat profiles,
409   // accumulate samples as we parse them.
410   Regex HeadRE("^([^:]+):([0-9]+):([0-9]+)$");
411   Regex LineSample("^([0-9]+)(\\.[0-9]+)?: ([0-9]+)(.*)$");
412   while (!LineIt.is_at_eof()) {
413     // Read the header of each function. The function header should
414     // have this format:
415     //
416     //        function_name:total_samples:total_head_samples
417     //
418     // See above for an explanation of each field.
419     SmallVector<StringRef, 3> Matches;
420     if (!HeadRE.match(*LineIt, &Matches))
421       reportParseError(LineIt.line_number(),
422                        "Expected 'mangled_name:NUM:NUM', found " + *LineIt);
423     assert(Matches.size() == 4);
424     StringRef FName = Matches[1];
425     unsigned NumSamples, NumHeadSamples;
426     Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
427     Matches[3].getAsInteger(10, NumHeadSamples);
428     Profiles[FName] = SampleFunctionProfile();
429     SampleFunctionProfile &FProfile = Profiles[FName];
430     FProfile.addTotalSamples(NumSamples);
431     FProfile.addHeadSamples(NumHeadSamples);
432     ++LineIt;
433
434     // Now read the body. The body of the function ends when we reach
435     // EOF or when we see the start of the next function.
436     while (!LineIt.is_at_eof() && isdigit((*LineIt)[0])) {
437       if (!LineSample.match(*LineIt, &Matches))
438         reportParseError(
439             LineIt.line_number(),
440             "Expected 'NUM[.NUM]: NUM[ mangled_name:NUM]*', found " + *LineIt);
441       assert(Matches.size() == 5);
442       unsigned LineOffset, NumSamples;
443       Matches[1].getAsInteger(10, LineOffset);
444
445       // FIXME: Handle discriminator information (in Matches[2]).
446
447       Matches[3].getAsInteger(10, NumSamples);
448
449       // FIXME: Handle called targets (in Matches[4]).
450
451       // When dealing with instruction weights, we use the value
452       // zero to indicate the absence of a sample. If we read an
453       // actual zero from the profile file, return it as 1 to
454       // avoid the confusion later on.
455       if (NumSamples == 0)
456         NumSamples = 1;
457       FProfile.addBodySamples(LineOffset, NumSamples);
458       ++LineIt;
459     }
460   }
461 }
462
463 /// \brief Get the weight for an instruction.
464 ///
465 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
466 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
467 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
468 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
469 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
470 ///
471 /// \param Inst Instruction to query.
472 ///
473 /// \returns The profiled weight of I.
474 uint32_t SampleFunctionProfile::getInstWeight(Instruction &Inst) {
475   unsigned Lineno = Inst.getDebugLoc().getLine();
476   if (Lineno < HeaderLineno)
477     return 0;
478   unsigned LOffset = Lineno - HeaderLineno;
479   uint32_t Weight = BodySamples.lookup(LOffset);
480   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << ":" << Inst.getDebugLoc().getCol() << ":"
481                << Inst << " (line offset: " << LOffset
482                << " - weight: " << Weight << ")\n");
483   return Weight;
484 }
485
486 /// \brief Compute the weight of a basic block.
487 ///
488 /// The weight of basic block \p B is the maximum weight of all the
489 /// instructions in B. The weight of \p B is computed and cached in
490 /// the BlockWeights map.
491 ///
492 /// \param B The basic block to query.
493 ///
494 /// \returns The computed weight of B.
495 uint32_t SampleFunctionProfile::getBlockWeight(BasicBlock *B) {
496   // If we've computed B's weight before, return it.
497   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
498       BlockWeights.insert(std::make_pair(B, 0));
499   if (!Entry.second)
500     return Entry.first->second;
501
502   // Otherwise, compute and cache B's weight.
503   uint32_t Weight = 0;
504   for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), E = B->end(); I != E; ++I) {
505     uint32_t InstWeight = getInstWeight(*I);
506     if (InstWeight > Weight)
507       Weight = InstWeight;
508   }
509   Entry.first->second = Weight;
510   return Weight;
511 }
512
513 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
514 ///
515 /// This populates the BlockWeights map by computing
516 /// the weights of every basic block in the CFG.
517 ///
518 /// \param F The function to query.
519 bool SampleFunctionProfile::computeBlockWeights(Function &F) {
520   bool Changed = false;
521   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
522   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
523     uint32_t Weight = getBlockWeight(B);
524     Changed |= (Weight > 0);
525     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), B));
526   }
527
528   return Changed;
529 }
530
531 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
532 ///
533 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
534 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
535 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
536 ///
537 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
538 /// the following holds:
539 ///
540 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
541 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
542 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
543 ///
544 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
545 ///
546 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
547 /// equivalence class to \p BB1.
548 ///
549 /// \param BB1  Block to check.
550 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
551 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
552 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
553 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
554 void SampleFunctionProfile::findEquivalencesFor(
555     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
556     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
557   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = Descendants.begin(),
558                                                E = Descendants.end();
559        I != E; ++I) {
560     BasicBlock *BB2 = *I;
561     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
562     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
563     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
564         IsInSameLoop) {
565       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
566
567       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
568       // as BB1.
569       //
570       // Note that we don't worry about the opposite situation here
571       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
572       // during the propagation phase. Right now, we just want to
573       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
574       // members of its equivalence set.
575       uint32_t &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
576       uint32_t &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
577       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
578     }
579   }
580 }
581
582 /// \brief Find equivalence classes.
583 ///
584 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
585 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
586 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
587 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
588 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
589 ///
590 /// \param F The function to query.
591 void SampleFunctionProfile::findEquivalenceClasses(Function &F) {
592   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
593   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
594   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
595   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
596     BasicBlock *BB1 = B;
597
598     // Compute BB1's equivalence class once.
599     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
600       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
601       continue;
602     }
603
604     // By default, blocks are in their own equivalence class.
605     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
606
607     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
608     // every basic block BB2 such that:
609     //
610     // 1- BB1 dominates BB2.
611     // 2- BB2 post-dominates BB1.
612     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
613     //
614     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
615     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
616     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
617     DominatedBBs.clear();
618     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
619     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
620
621     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
622     // We are looking for every basic block BB2 such that:
623     //
624     // 1- BB1 post-dominates BB2.
625     // 2- BB2 dominates BB1.
626     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
627     //
628     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
629     DominatedBBs.clear();
630     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
631     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
632
633     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
634   }
635
636   // Assign weights to equivalence classes.
637   //
638   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
639   // the same number of times. Since we know that the head block in
640   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
641   // to all the blocks in that equivalence class.
642   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
643   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
644     BasicBlock *BB = B;
645     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
646     if (BB != EquivBB)
647       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
648     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
649   }
650 }
651
652 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
653 ///
654 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
655 /// and increment the count of unknown edges.
656 ///
657 /// \param E  Edge to visit.
658 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
659 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
660 ///
661 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
662 uint32_t SampleFunctionProfile::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
663                                           Edge *UnknownEdge) {
664   if (!VisitedEdges.count(E)) {
665     (*NumUnknownEdges)++;
666     *UnknownEdge = E;
667     return 0;
668   }
669
670   return EdgeWeights[E];
671 }
672
673 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
674 ///
675 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
676 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
677 ///
678 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
679 /// count of the basic block, if needed.
680 ///
681 /// \param F  Function to process.
682 ///
683 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
684 bool SampleFunctionProfile::propagateThroughEdges(Function &F) {
685   bool Changed = false;
686   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
687   for (Function::iterator BI = F.begin(), EI = F.end(); BI != EI; ++BI) {
688     BasicBlock *BB = BI;
689
690     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
691     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
692     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
693     // only case we are interested in handling is when only a single
694     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
695     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
696       uint32_t TotalWeight = 0;
697       unsigned NumUnknownEdges = 0;
698       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
699
700       if (i == 0) {
701         // First, visit all predecessor edges.
702         for (size_t I = 0; I < Predecessors[BB].size(); I++) {
703           Edge E = std::make_pair(Predecessors[BB][I], BB);
704           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
705           if (E.first == E.second)
706             SelfReferentialEdge = E;
707         }
708       } else {
709         // On the second round, visit all successor edges.
710         for (size_t I = 0; I < Successors[BB].size(); I++) {
711           Edge E = std::make_pair(BB, Successors[BB][I]);
712           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
713         }
714       }
715
716       // After visiting all the edges, there are three cases that we
717       // can handle immediately:
718       //
719       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
720       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
721       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
722       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
723       //   we mark it visited.
724       //
725       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
726       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
727       //   subtracting the total block weight from all the known
728       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
729       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
730       //
731       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
732       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
733       //   We add up all the other known edges and set the weight on
734       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
735       //
736       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
737       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
738       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
739       if (NumUnknownEdges <= 1) {
740         uint32_t &BBWeight = BlockWeights[BB];
741         if (NumUnknownEdges == 0) {
742           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
743           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
744           // of all edge weights.
745           if (TotalWeight > BBWeight) {
746             BBWeight = TotalWeight;
747             Changed = true;
748             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
749                          << " known. Set weight for block: ";
750                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
751           }
752           if (VisitedBlocks.insert(BB))
753             Changed = true;
754         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
755           // If there is a single unknown edge and the block has been
756           // visited, then we can compute E's weight.
757           if (BBWeight >= TotalWeight)
758             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
759           else
760             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
761           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
762           Changed = true;
763           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
764                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
765         }
766       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
767         uint32_t &BBWeight = BlockWeights[BB];
768         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
769         if (BBWeight >= TotalWeight)
770           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
771         else
772           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
773         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
774         Changed = true;
775         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
776               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
777       }
778     }
779   }
780
781   return Changed;
782 }
783
784 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
785 ///
786 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
787 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
788 void SampleFunctionProfile::buildEdges(Function &F) {
789   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
790     BasicBlock *B1 = I;
791
792     // Add predecessors for B1.
793     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
794     if (!Predecessors[B1].empty())
795       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
796     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
797       BasicBlock *B2 = *PI;
798       if (Visited.insert(B2))
799         Predecessors[B1].push_back(B2);
800     }
801
802     // Add successors for B1.
803     Visited.clear();
804     if (!Successors[B1].empty())
805       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
806     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
807       BasicBlock *B2 = *SI;
808       if (Visited.insert(B2))
809         Successors[B1].push_back(B2);
810     }
811   }
812 }
813
814 /// \brief Propagate weights into edges
815 ///
816 /// The following rules are applied to every block B in the CFG:
817 ///
818 /// - If B has a single predecessor/successor, then the weight
819 ///   of that edge is the weight of the block.
820 ///
821 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
822 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
823 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
824 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
825 ///   we set the unknown edge weight to zero.
826 ///
827 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
828 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
829 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
830 ///   known).
831 void SampleFunctionProfile::propagateWeights(Function &F) {
832   bool Changed = true;
833   unsigned i = 0;
834
835   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
836   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
837   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
838   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
839   // of the pass.
840   buildEdges(F);
841
842   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
843   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
844     Changed = propagateThroughEdges(F);
845   }
846
847   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
848   // edge weights computed during propagation.
849   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
850   MDBuilder MDB(F.getContext());
851   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
852     BasicBlock *B = I;
853     TerminatorInst *TI = B->getTerminator();
854     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
855       continue;
856     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
857       continue;
858
859     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
860                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ":"
861                  << TI->getDebugLoc().getCol() << ".\n");
862     SmallVector<uint32_t, 4> Weights;
863     bool AllWeightsZero = true;
864     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
865       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
866       Edge E = std::make_pair(B, Succ);
867       uint32_t Weight = EdgeWeights[E];
868       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
869       Weights.push_back(Weight);
870       if (Weight != 0)
871         AllWeightsZero = false;
872     }
873
874     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
875     // In any other case, let the analyzer set weights.
876     if (!AllWeightsZero) {
877       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
878       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
879                       MDB.createBranchWeights(Weights));
880     } else {
881       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
882     }
883   }
884 }
885
886 /// \brief Get the line number for the function header.
887 ///
888 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
889 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
890 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
891 /// number is relative to this line.
892 ///
893 /// \param F  Function object to query.
894 ///
895 /// \returns the line number where \p F is defined.
896 unsigned SampleFunctionProfile::getFunctionLoc(Function &F) {
897   NamedMDNode *CUNodes = F.getParent()->getNamedMetadata("llvm.dbg.cu");
898   if (CUNodes) {
899     for (unsigned I = 0, E1 = CUNodes->getNumOperands(); I != E1; ++I) {
900       DICompileUnit CU(CUNodes->getOperand(I));
901       DIArray Subprograms = CU.getSubprograms();
902       for (unsigned J = 0, E2 = Subprograms.getNumElements(); J != E2; ++J) {
903         DISubprogram Subprogram(Subprograms.getElement(J));
904         if (Subprogram.describes(&F))
905           return Subprogram.getLineNumber();
906       }
907     }
908   }
909
910   report_fatal_error("No debug information found in function " + F.getName() +
911                      "\n");
912 }
913
914 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
915 ///
916 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
917 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
918 ///
919 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
920 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
921 ///    executed instruction.
922 ///
923 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
924 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
925 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
926 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
927 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
928 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
929 ///
930 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
931 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
932 ///    block B in the CFG:
933 ///
934 ///    - If B has a single predecessor/successor, then the weight
935 ///      of that edge is the weight of the block.
936 ///
937 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
938 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
939 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
940 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
941 ///      we set the unknown edge weight to zero.
942 ///
943 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
944 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
945 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
946 ///      known).
947 ///
948 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
949 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
950 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
951 ///
952 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
953 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
954 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
955 /// work here.
956 ///
957 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
958 /// metadata on B using the computed values for each of its branches.
959 ///
960 /// \param F The function to query.
961 bool SampleFunctionProfile::emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
962                                             PostDominatorTree *PostDomTree,
963                                             LoopInfo *Loops) {
964   bool Changed = false;
965
966   // Initialize invariants used during computation and propagation.
967   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
968   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
969                << ": " << HeaderLineno << "\n");
970   DT = DomTree;
971   PDT = PostDomTree;
972   LI = Loops;
973
974   // Compute basic block weights.
975   Changed |= computeBlockWeights(F);
976
977   if (Changed) {
978     // Find equivalence classes.
979     findEquivalenceClasses(F);
980
981     // Propagate weights to all edges.
982     propagateWeights(F);
983   }
984
985   return Changed;
986 }
987
988 char SampleProfileLoader::ID = 0;
989 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
990                       "Sample Profile loader", false, false)
991 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
992 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
993 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
994 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
995                     "Sample Profile loader", false, false)
996
997 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
998   Profiler.reset(new SampleModuleProfile(Filename));
999   Profiler->loadText();
1000   return true;
1001 }
1002
1003 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1004   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1005 }
1006
1007 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1008   return new SampleProfileLoader(Name);
1009 }
1010
1011 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1012   DominatorTree *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1013   PostDominatorTree *PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
1014   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1015   SampleFunctionProfile &FunctionProfile = Profiler->getProfile(F);
1016   if (!FunctionProfile.empty())
1017     return FunctionProfile.emitAnnotations(F, DT, PDT, LI);
1018   return false;
1019 }