89f0c27070b0e0297202f1a3567f384df3dbad5d
[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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
26 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
27 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
28 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
29 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
30 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
31 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
32 #include "llvm/IR/Constants.h"
33 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
34 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
35 #include "llvm/IR/Dominators.h"
36 #include "llvm/IR/Function.h"
37 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
38 #include "llvm/IR/Instructions.h"
39 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
40 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
41 #include "llvm/IR/Metadata.h"
42 #include "llvm/IR/Module.h"
43 #include "llvm/Pass.h"
44 #include "llvm/ProfileData/SampleProfReader.h"
45 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
46 #include "llvm/Support/Debug.h"
47 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
48 #include <cctype>
49
50 using namespace llvm;
51 using namespace sampleprof;
52
53 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
54
55 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
56 // mainly used for debugging.
57 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
58     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
59     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
60 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
61     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
62     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
63              "sample block/edge weights through the CFG."));
64
65 namespace {
66 typedef DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
67 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
68 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
69 typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
70 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8>> BlockEdgeMap;
71
72 /// \brief Sample profile pass.
73 ///
74 /// This pass reads profile data from the file specified by
75 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
76 /// profile information found in that file.
77 class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
78 public:
79   // Class identification, replacement for typeinfo
80   static char ID;
81
82   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
83       : FunctionPass(ID), DT(nullptr), PDT(nullptr), LI(nullptr), Ctx(nullptr),
84         Reader(), Samples(nullptr), Filename(Name), ProfileIsValid(false) {
85     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
86   }
87
88   bool doInitialization(Module &M) override;
89
90   void dump() { Reader->dump(); }
91
92   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
93
94   bool runOnFunction(Function &F) override;
95
96   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
97     AU.setPreservesCFG();
98     AU.addRequired<LoopInfo>();
99     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
100     AU.addRequired<PostDominatorTree>();
101   }
102
103 protected:
104   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
105   bool emitAnnotations(Function &F);
106   unsigned getInstWeight(Instruction &I);
107   unsigned getBlockWeight(BasicBlock *BB);
108   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
109   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
110   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
111   bool computeBlockWeights(Function &F);
112   void findEquivalenceClasses(Function &F);
113   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
114                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
115                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
116   void propagateWeights(Function &F);
117   unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
118   void buildEdges(Function &F);
119   bool propagateThroughEdges(Function &F);
120
121   /// \brief Line number for the function header. Used to compute absolute
122   /// line numbers from the relative line numbers found in the profile.
123   unsigned HeaderLineno;
124
125   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
126   ///
127   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
128   /// of all the instruction weights in that block.
129   BlockWeightMap BlockWeights;
130
131   /// \brief Map edges to their computed weights.
132   ///
133   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
134   /// SampleProfile::propagateWeights.
135   EdgeWeightMap EdgeWeights;
136
137   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
138   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
139
140   /// \brief Set of visited edges during propagation.
141   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
142
143   /// \brief Equivalence classes for block weights.
144   ///
145   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
146   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
147   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
148   /// the same number of times.
149   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
150
151   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
152   DominatorTree *DT;
153   PostDominatorTree *PDT;
154   LoopInfo *LI;
155
156   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
157   BlockEdgeMap Predecessors;
158
159   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
160   BlockEdgeMap Successors;
161
162   /// \brief LLVM context holding the debug data we need.
163   LLVMContext *Ctx;
164
165   /// \brief Profile reader object.
166   std::unique_ptr<SampleProfileReader> Reader;
167
168   /// \brief Samples collected for the body of this function.
169   FunctionSamples *Samples;
170
171   /// \brief Name of the profile file to load.
172   StringRef Filename;
173
174   /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded successfully.
175   bool ProfileIsValid;
176 };
177 }
178
179 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
180 ///
181 /// \param OS  Stream to emit the output to.
182 /// \param E  Edge to print.
183 void SampleProfileLoader::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
184   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
185      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
186 }
187
188 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
189 ///
190 /// \param OS  Stream to emit the output to.
191 /// \param BB  Block to print.
192 void SampleProfileLoader::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
193                                                 BasicBlock *BB) {
194   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
195   OS << "equivalence[" << BB->getName()
196      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
197 }
198
199 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
200 ///
201 /// \param OS  Stream to emit the output to.
202 /// \param BB  Block to print.
203 void SampleProfileLoader::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
204   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
205 }
206
207 /// \brief Get the weight for an instruction.
208 ///
209 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
210 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
211 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
212 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
213 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
214 ///
215 /// \param Inst Instruction to query.
216 ///
217 /// \returns The profiled weight of I.
218 unsigned SampleProfileLoader::getInstWeight(Instruction &Inst) {
219   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
220   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
221   if (Lineno < HeaderLineno)
222     return 0;
223
224   DILocation DIL(DLoc.getAsMDNode(*Ctx));
225   int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
226   unsigned Discriminator = DIL.getDiscriminator();
227   unsigned Weight = Samples->samplesAt(LOffset, Discriminator);
228   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
229                << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
230                << " - weight: " << Weight << ")\n");
231   return Weight;
232 }
233
234 /// \brief Compute the weight of a basic block.
235 ///
236 /// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
237 /// instructions in BB. The weight of \p BB is computed and cached in
238 /// the BlockWeights map.
239 ///
240 /// \param BB The basic block to query.
241 ///
242 /// \returns The computed weight of BB.
243 unsigned SampleProfileLoader::getBlockWeight(BasicBlock *BB) {
244   // If we've computed BB's weight before, return it.
245   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
246       BlockWeights.insert(std::make_pair(BB, 0));
247   if (!Entry.second)
248     return Entry.first->second;
249
250   // Otherwise, compute and cache BB's weight.
251   unsigned Weight = 0;
252   for (auto &I : BB->getInstList()) {
253     unsigned InstWeight = getInstWeight(I);
254     if (InstWeight > Weight)
255       Weight = InstWeight;
256   }
257   Entry.first->second = Weight;
258   return Weight;
259 }
260
261 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
262 ///
263 /// This populates the BlockWeights map by computing
264 /// the weights of every basic block in the CFG.
265 ///
266 /// \param F The function to query.
267 bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
268   bool Changed = false;
269   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
270   for (auto &BB : F) {
271     unsigned Weight = getBlockWeight(&BB);
272     Changed |= (Weight > 0);
273     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
274   }
275
276   return Changed;
277 }
278
279 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
280 ///
281 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
282 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
283 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
284 ///
285 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
286 /// the following holds:
287 ///
288 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
289 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
290 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
291 ///
292 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
293 ///
294 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
295 /// equivalence class to \p BB1.
296 ///
297 /// \param BB1  Block to check.
298 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
299 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
300 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
301 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
302 void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
303     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
304     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
305   for (auto *BB2 : Descendants) {
306     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
307     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
308     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
309         IsInSameLoop) {
310       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
311
312       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
313       // as BB1.
314       //
315       // Note that we don't worry about the opposite situation here
316       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
317       // during the propagation phase. Right now, we just want to
318       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
319       // members of its equivalence set.
320       unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
321       unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
322       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
323     }
324   }
325 }
326
327 /// \brief Find equivalence classes.
328 ///
329 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
330 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
331 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
332 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
333 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
334 ///
335 /// \param F The function to query.
336 void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
337   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
338   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
339   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
340   for (auto &BB : F) {
341     BasicBlock *BB1 = &BB;
342
343     // Compute BB1's equivalence class once.
344     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
345       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
346       continue;
347     }
348
349     // By default, blocks are in their own equivalence class.
350     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
351
352     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
353     // every basic block BB2 such that:
354     //
355     // 1- BB1 dominates BB2.
356     // 2- BB2 post-dominates BB1.
357     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
358     //
359     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
360     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
361     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
362     DominatedBBs.clear();
363     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
364     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
365
366     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
367     // We are looking for every basic block BB2 such that:
368     //
369     // 1- BB1 post-dominates BB2.
370     // 2- BB2 dominates BB1.
371     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
372     //
373     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
374     DominatedBBs.clear();
375     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
376     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
377
378     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
379   }
380
381   // Assign weights to equivalence classes.
382   //
383   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
384   // the same number of times. Since we know that the head block in
385   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
386   // to all the blocks in that equivalence class.
387   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
388   for (auto &BI : F) {
389     BasicBlock *BB = &BI;
390     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
391     if (BB != EquivBB)
392       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
393     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
394   }
395 }
396
397 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
398 ///
399 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
400 /// and increment the count of unknown edges.
401 ///
402 /// \param E  Edge to visit.
403 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
404 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
405 ///
406 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
407 unsigned SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
408                                         Edge *UnknownEdge) {
409   if (!VisitedEdges.count(E)) {
410     (*NumUnknownEdges)++;
411     *UnknownEdge = E;
412     return 0;
413   }
414
415   return EdgeWeights[E];
416 }
417
418 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
419 ///
420 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
421 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
422 ///
423 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
424 /// count of the basic block, if needed.
425 ///
426 /// \param F  Function to process.
427 ///
428 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
429 bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
430   bool Changed = false;
431   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
432   for (auto &BI : F) {
433     BasicBlock *BB = &BI;
434
435     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
436     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
437     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
438     // only case we are interested in handling is when only a single
439     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
440     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
441       unsigned TotalWeight = 0;
442       unsigned NumUnknownEdges = 0;
443       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
444
445       if (i == 0) {
446         // First, visit all predecessor edges.
447         for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
448           Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
449           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
450           if (E.first == E.second)
451             SelfReferentialEdge = E;
452         }
453       } else {
454         // On the second round, visit all successor edges.
455         for (auto *Succ : Successors[BB]) {
456           Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
457           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
458         }
459       }
460
461       // After visiting all the edges, there are three cases that we
462       // can handle immediately:
463       //
464       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
465       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
466       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
467       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
468       //   we mark it visited.
469       //
470       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
471       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
472       //   subtracting the total block weight from all the known
473       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
474       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
475       //
476       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
477       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
478       //   We add up all the other known edges and set the weight on
479       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
480       //
481       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
482       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
483       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
484       if (NumUnknownEdges <= 1) {
485         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
486         if (NumUnknownEdges == 0) {
487           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
488           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
489           // of all edge weights.
490           if (TotalWeight > BBWeight) {
491             BBWeight = TotalWeight;
492             Changed = true;
493             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
494                          << " known. Set weight for block: ";
495                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
496           }
497           if (VisitedBlocks.insert(BB))
498             Changed = true;
499         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
500           // If there is a single unknown edge and the block has been
501           // visited, then we can compute E's weight.
502           if (BBWeight >= TotalWeight)
503             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
504           else
505             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
506           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
507           Changed = true;
508           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
509                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
510         }
511       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
512         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
513         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
514         if (BBWeight >= TotalWeight)
515           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
516         else
517           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
518         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
519         Changed = true;
520         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
521               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
522       }
523     }
524   }
525
526   return Changed;
527 }
528
529 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
530 ///
531 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
532 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
533 void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
534   for (auto &BI : F) {
535     BasicBlock *B1 = &BI;
536
537     // Add predecessors for B1.
538     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
539     if (!Predecessors[B1].empty())
540       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
541     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
542       BasicBlock *B2 = *PI;
543       if (Visited.insert(B2))
544         Predecessors[B1].push_back(B2);
545     }
546
547     // Add successors for B1.
548     Visited.clear();
549     if (!Successors[B1].empty())
550       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
551     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
552       BasicBlock *B2 = *SI;
553       if (Visited.insert(B2))
554         Successors[B1].push_back(B2);
555     }
556   }
557 }
558
559 /// \brief Propagate weights into edges
560 ///
561 /// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
562 ///
563 /// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
564 ///   of that edge is the weight of the block.
565 ///
566 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
567 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
568 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
569 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
570 ///   we set the unknown edge weight to zero.
571 ///
572 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
573 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
574 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
575 ///   known).
576 void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
577   bool Changed = true;
578   unsigned i = 0;
579
580   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
581   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
582   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
583   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
584   // of the pass.
585   buildEdges(F);
586
587   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
588   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
589     Changed = propagateThroughEdges(F);
590   }
591
592   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
593   // edge weights computed during propagation.
594   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
595   MDBuilder MDB(F.getContext());
596   for (auto &BI : F) {
597     BasicBlock *BB = &BI;
598     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
599     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
600       continue;
601     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
602       continue;
603
604     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
605                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
606     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
607     bool AllWeightsZero = true;
608     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
609       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
610       Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
611       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
612       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
613       Weights.push_back(Weight);
614       if (Weight != 0)
615         AllWeightsZero = false;
616     }
617
618     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
619     // In any other case, let the analyzer set weights.
620     if (!AllWeightsZero) {
621       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
622       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
623                       MDB.createBranchWeights(Weights));
624     } else {
625       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
626     }
627   }
628 }
629
630 /// \brief Get the line number for the function header.
631 ///
632 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
633 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
634 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
635 /// number is relative to this line.
636 ///
637 /// \param F  Function object to query.
638 ///
639 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
640 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
641 unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
642   DISubprogram S = getDISubprogram(&F);
643   if (S.isSubprogram())
644     return S.getLineNumber();
645
646   // If could not find the start of \p F, emit a diagnostic to inform the user
647   // about the missed opportunity.
648   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
649       "No debug information found in function " + F.getName() +
650           ": Function profile not used",
651       DS_Warning));
652   return 0;
653 }
654
655 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
656 ///
657 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
658 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
659 ///
660 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
661 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
662 ///    executed instruction.
663 ///
664 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
665 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
666 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
667 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
668 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
669 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
670 ///
671 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
672 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
673 ///    block BB in the CFG:
674 ///
675 ///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
676 ///      of that edge is the weight of the block.
677 ///
678 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
679 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
680 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
681 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
682 ///      we set the unknown edge weight to zero.
683 ///
684 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
685 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
686 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
687 ///      known).
688 ///
689 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
690 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
691 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
692 ///
693 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
694 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
695 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
696 /// work here.
697 ///
698 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
699 /// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
700 ///
701 /// \param F The function to query.
702 ///
703 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
704 bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
705   bool Changed = false;
706
707   // Initialize invariants used during computation and propagation.
708   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
709   if (HeaderLineno == 0)
710     return false;
711
712   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
713                << ": " << HeaderLineno << "\n");
714
715   // Compute basic block weights.
716   Changed |= computeBlockWeights(F);
717
718   if (Changed) {
719     // Find equivalence classes.
720     findEquivalenceClasses(F);
721
722     // Propagate weights to all edges.
723     propagateWeights(F);
724   }
725
726   return Changed;
727 }
728
729 char SampleProfileLoader::ID = 0;
730 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
731                       "Sample Profile loader", false, false)
732 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
733 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
734 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
735 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
736 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
737                     "Sample Profile loader", false, false)
738
739 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
740   if (std::error_code EC =
741           SampleProfileReader::create(Filename, Reader, M.getContext())) {
742     std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
743     M.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
744     return false;
745   }
746   ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
747   return true;
748 }
749
750 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
751   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
752 }
753
754 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
755   return new SampleProfileLoader(Name);
756 }
757
758 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
759   if (!ProfileIsValid)
760     return false;
761
762   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
763   PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
764   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
765   Ctx = &F.getParent()->getContext();
766   Samples = Reader->getSamplesFor(F);
767   if (!Samples->empty())
768     return emitAnnotations(F);
769   return false;
770 }