Use DiagnosticInfo facility.
[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/SmallPtrSet.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
31 #include "llvm/ADT/StringMap.h"
32 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
33 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
34 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
35 #include "llvm/IR/Constants.h"
36 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
37 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
38 #include "llvm/IR/Dominators.h"
39 #include "llvm/IR/Function.h"
40 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
41 #include "llvm/IR/Instructions.h"
42 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
43 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
44 #include "llvm/IR/Metadata.h"
45 #include "llvm/IR/Module.h"
46 #include "llvm/Pass.h"
47 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.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 #include <cctype>
54
55 using namespace llvm;
56
57 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
58 // mainly used for debugging.
59 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
60     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
61     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
62 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
63     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
64     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
65              "sample block/edge weights through the CFG."));
66
67 namespace {
68 /// \brief Represents the relative location of an instruction.
69 ///
70 /// Instruction locations are specified by the line offset from the
71 /// beginning of the function (marked by the line where the function
72 /// header is) and the discriminator value within that line.
73 ///
74 /// The discriminator value is useful to distinguish instructions
75 /// that are on the same line but belong to different basic blocks
76 /// (e.g., the two post-increment instructions in "if (p) x++; else y++;").
77 struct InstructionLocation {
78   InstructionLocation(int L, unsigned D) : LineOffset(L), Discriminator(D) {}
79   int LineOffset;
80   unsigned Discriminator;
81 };
82 }
83
84 namespace llvm {
85 template <> struct DenseMapInfo<InstructionLocation> {
86   typedef DenseMapInfo<int> OffsetInfo;
87   typedef DenseMapInfo<unsigned> DiscriminatorInfo;
88   static inline InstructionLocation getEmptyKey() {
89     return InstructionLocation(OffsetInfo::getEmptyKey(),
90                                DiscriminatorInfo::getEmptyKey());
91   }
92   static inline InstructionLocation getTombstoneKey() {
93     return InstructionLocation(OffsetInfo::getTombstoneKey(),
94                                DiscriminatorInfo::getTombstoneKey());
95   }
96   static inline unsigned getHashValue(InstructionLocation Val) {
97     return DenseMapInfo<std::pair<int, unsigned> >::getHashValue(
98         std::pair<int, unsigned>(Val.LineOffset, Val.Discriminator));
99   }
100   static inline bool isEqual(InstructionLocation LHS, InstructionLocation RHS) {
101     return LHS.LineOffset == RHS.LineOffset &&
102            LHS.Discriminator == RHS.Discriminator;
103   }
104 };
105 }
106
107 namespace {
108 typedef DenseMap<InstructionLocation, unsigned> BodySampleMap;
109 typedef DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
110 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
111 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
112 typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
113 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8> > BlockEdgeMap;
114
115 /// \brief Representation of the runtime profile for a function.
116 ///
117 /// This data structure contains the runtime profile for a given
118 /// function. It contains the total number of samples collected
119 /// in the function and a map of samples collected in every statement.
120 class SampleFunctionProfile {
121 public:
122   SampleFunctionProfile()
123       : TotalSamples(0), TotalHeadSamples(0), HeaderLineno(0), DT(0), PDT(0),
124         LI(0), Ctx(0) {}
125
126   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
127   bool emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
128                        PostDominatorTree *PostDomTree, LoopInfo *Loops);
129   unsigned getInstWeight(Instruction &I);
130   unsigned getBlockWeight(BasicBlock *B);
131   void addTotalSamples(unsigned Num) { TotalSamples += Num; }
132   void addHeadSamples(unsigned Num) { TotalHeadSamples += Num; }
133   void addBodySamples(int LineOffset, unsigned Discriminator, unsigned Num) {
134     assert(LineOffset >= 0);
135     BodySamples[InstructionLocation(LineOffset, Discriminator)] += Num;
136   }
137   void print(raw_ostream &OS);
138   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
139   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
140   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
141   bool computeBlockWeights(Function &F);
142   void findEquivalenceClasses(Function &F);
143   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
144                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
145                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
146   void propagateWeights(Function &F);
147   unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
148   void buildEdges(Function &F);
149   bool propagateThroughEdges(Function &F);
150   bool empty() { return BodySamples.empty(); }
151
152 protected:
153   /// \brief Total number of samples collected inside this function.
154   ///
155   /// Samples are cumulative, they include all the samples collected
156   /// inside this function and all its inlined callees.
157   unsigned TotalSamples;
158
159   /// \brief Total number of samples collected at the head of the function.
160   /// FIXME: Use head samples to estimate a cold/hot attribute for the function.
161   unsigned TotalHeadSamples;
162
163   /// \brief Line number for the function header. Used to compute relative
164   /// line numbers from the absolute line LOCs found in instruction locations.
165   /// The relative line numbers are needed to address the samples from the
166   /// profile file.
167   unsigned HeaderLineno;
168
169   /// \brief Map line offsets to collected samples.
170   ///
171   /// Each entry in this map contains the number of samples
172   /// collected at the corresponding line offset. All line locations
173   /// are an offset from the start of the function.
174   BodySampleMap BodySamples;
175
176   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
177   ///
178   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
179   /// of all the instruction weights in that block.
180   BlockWeightMap BlockWeights;
181
182   /// \brief Map edges to their computed weights.
183   ///
184   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
185   /// SampleProfile::propagateWeights.
186   EdgeWeightMap EdgeWeights;
187
188   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
189   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
190
191   /// \brief Set of visited edges during propagation.
192   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
193
194   /// \brief Equivalence classes for block weights.
195   ///
196   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
197   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
198   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
199   /// the same number of times.
200   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
201
202   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
203   DominatorTree *DT;
204   PostDominatorTree *PDT;
205   LoopInfo *LI;
206
207   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
208   BlockEdgeMap Predecessors;
209
210   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
211   BlockEdgeMap Successors;
212
213   /// \brief LLVM context holding the debug data we need.
214   LLVMContext *Ctx;
215 };
216
217 /// \brief Sample-based profile reader.
218 ///
219 /// Each profile contains sample counts for all the functions
220 /// executed. Inside each function, statements are annotated with the
221 /// collected samples on all the instructions associated with that
222 /// statement.
223 ///
224 /// For this to produce meaningful data, the program needs to be
225 /// compiled with some debug information (at minimum, line numbers:
226 /// -gline-tables-only). Otherwise, it will be impossible to match IR
227 /// instructions to the line numbers collected by the profiler.
228 ///
229 /// From the profile file, we are interested in collecting the
230 /// following information:
231 ///
232 /// * A list of functions included in the profile (mangled names).
233 ///
234 /// * For each function F:
235 ///   1. The total number of samples collected in F.
236 ///
237 ///   2. The samples collected at each line in F. To provide some
238 ///      protection against source code shuffling, line numbers should
239 ///      be relative to the start of the function.
240 class SampleModuleProfile {
241 public:
242   SampleModuleProfile(const Module &M, StringRef F)
243       : Profiles(0), Filename(F), M(M) {}
244
245   void dump();
246   bool loadText();
247   void loadNative() { llvm_unreachable("not implemented"); }
248   void printFunctionProfile(raw_ostream &OS, StringRef FName);
249   void dumpFunctionProfile(StringRef FName);
250   SampleFunctionProfile &getProfile(const Function &F) {
251     return Profiles[F.getName()];
252   }
253
254   /// \brief Report a parse error message and stop compilation.
255   void reportParseError(int64_t LineNumber, Twine Msg) const {
256     DiagnosticInfoSampleProfile Diag(Filename.data(), LineNumber, Msg);
257     M.getContext().diagnose(Diag);
258   }
259
260 protected:
261   /// \brief Map every function to its associated profile.
262   ///
263   /// The profile of every function executed at runtime is collected
264   /// in the structure SampleFunctionProfile. This maps function objects
265   /// to their corresponding profiles.
266   StringMap<SampleFunctionProfile> Profiles;
267
268   /// \brief Path name to the file holding the profile data.
269   ///
270   /// The format of this file is defined by each profiler
271   /// independently. If possible, the profiler should have a text
272   /// version of the profile format to be used in constructing test
273   /// cases and debugging.
274   StringRef Filename;
275
276   /// \brief Module being compiled. Used mainly to access the current
277   /// LLVM context for diagnostics.
278   const Module &M;
279 };
280
281 /// \brief Sample profile pass.
282 ///
283 /// This pass reads profile data from the file specified by
284 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
285 /// profile information found in that file.
286 class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
287 public:
288   // Class identification, replacement for typeinfo
289   static char ID;
290
291   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
292       : FunctionPass(ID), Profiler(), Filename(Name), ProfileIsValid(false) {
293     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
294   }
295
296   bool doInitialization(Module &M) override;
297
298   void dump() { Profiler->dump(); }
299
300   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
301
302   bool runOnFunction(Function &F) override;
303
304   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
305     AU.setPreservesCFG();
306     AU.addRequired<LoopInfo>();
307     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
308     AU.addRequired<PostDominatorTree>();
309   }
310
311 protected:
312   /// \brief Profile reader object.
313   std::unique_ptr<SampleModuleProfile> Profiler;
314
315   /// \brief Name of the profile file to load.
316   StringRef Filename;
317
318   /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded succesfully.
319   bool ProfileIsValid;
320 };
321 }
322
323 /// \brief Print this function profile on stream \p OS.
324 ///
325 /// \param OS Stream to emit the output to.
326 void SampleFunctionProfile::print(raw_ostream &OS) {
327   OS << TotalSamples << ", " << TotalHeadSamples << ", " << BodySamples.size()
328      << " sampled lines\n";
329   for (BodySampleMap::const_iterator SI = BodySamples.begin(),
330                                      SE = BodySamples.end();
331        SI != SE; ++SI)
332     OS << "\tline offset: " << SI->first.LineOffset
333        << ", discriminator: " << SI->first.Discriminator
334        << ", number of samples: " << SI->second << "\n";
335   OS << "\n";
336 }
337
338 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
339 ///
340 /// \param OS  Stream to emit the output to.
341 /// \param E  Edge to print.
342 void SampleFunctionProfile::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
343   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
344      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
345 }
346
347 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
348 ///
349 /// \param OS  Stream to emit the output to.
350 /// \param BB  Block to print.
351 void SampleFunctionProfile::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
352                                                   BasicBlock *BB) {
353   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
354   OS << "equivalence[" << BB->getName()
355      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
356 }
357
358 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
359 ///
360 /// \param OS  Stream to emit the output to.
361 /// \param BB  Block to print.
362 void SampleFunctionProfile::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
363   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
364 }
365
366 /// \brief Print the function profile for \p FName on stream \p OS.
367 ///
368 /// \param OS Stream to emit the output to.
369 /// \param FName Name of the function to print.
370 void SampleModuleProfile::printFunctionProfile(raw_ostream &OS,
371                                                StringRef FName) {
372   OS << "Function: " << FName << ":\n";
373   Profiles[FName].print(OS);
374 }
375
376 /// \brief Dump the function profile for \p FName.
377 ///
378 /// \param FName Name of the function to print.
379 void SampleModuleProfile::dumpFunctionProfile(StringRef FName) {
380   printFunctionProfile(dbgs(), FName);
381 }
382
383 /// \brief Dump all the function profiles found.
384 void SampleModuleProfile::dump() {
385   for (StringMap<SampleFunctionProfile>::const_iterator I = Profiles.begin(),
386                                                         E = Profiles.end();
387        I != E; ++I)
388     dumpFunctionProfile(I->getKey());
389 }
390
391 /// \brief Load samples from a text file.
392 ///
393 /// The file contains a list of samples for every function executed at
394 /// runtime. Each function profile has the following format:
395 ///
396 ///    function1:total_samples:total_head_samples
397 ///    offset1[.discriminator]: number_of_samples [fn1:num fn2:num ... ]
398 ///    offset2[.discriminator]: number_of_samples [fn3:num fn4:num ... ]
399 ///    ...
400 ///    offsetN[.discriminator]: number_of_samples [fn5:num fn6:num ... ]
401 ///
402 /// Function names must be mangled in order for the profile loader to
403 /// match them in the current translation unit. The two numbers in the
404 /// function header specify how many total samples were accumulated in
405 /// the function (first number), and the total number of samples accumulated
406 /// at the prologue of the function (second number). This head sample
407 /// count provides an indicator of how frequent is the function invoked.
408 ///
409 /// Each sampled line may contain several items. Some are optional
410 /// (marked below):
411 ///
412 /// a- Source line offset. This number represents the line number
413 ///    in the function where the sample was collected. The line number
414 ///    is always relative to the line where symbol of the function
415 ///    is defined. So, if the function has its header at line 280,
416 ///    the offset 13 is at line 293 in the file.
417 ///
418 /// b- [OPTIONAL] Discriminator. This is used if the sampled program
419 ///    was compiled with DWARF discriminator support
420 ///    (http://wiki.dwarfstd.org/index.php?title=Path_Discriminators)
421 ///
422 /// c- Number of samples. This is the number of samples collected by
423 ///    the profiler at this source location.
424 ///
425 /// d- [OPTIONAL] Potential call targets and samples. If present, this
426 ///    line contains a call instruction. This models both direct and
427 ///    indirect calls. Each called target is listed together with the
428 ///    number of samples. For example,
429 ///
430 ///    130: 7  foo:3  bar:2  baz:7
431 ///
432 ///    The above means that at relative line offset 130 there is a
433 ///    call instruction that calls one of foo(), bar() and baz(). With
434 ///    baz() being the relatively more frequent call target.
435 ///
436 ///    FIXME: This is currently unhandled, but it has a lot of
437 ///           potential for aiding the inliner.
438 ///
439 ///
440 /// Since this is a flat profile, a function that shows up more than
441 /// once gets all its samples aggregated across all its instances.
442 ///
443 /// FIXME: flat profiles are too imprecise to provide good optimization
444 ///        opportunities. Convert them to context-sensitive profile.
445 ///
446 /// This textual representation is useful to generate unit tests and
447 /// for debugging purposes, but it should not be used to generate
448 /// profiles for large programs, as the representation is extremely
449 /// inefficient.
450 ///
451 /// \returns true if the file was loaded successfully, false otherwise.
452 bool SampleModuleProfile::loadText() {
453   std::unique_ptr<MemoryBuffer> Buffer;
454   error_code EC = MemoryBuffer::getFile(Filename, Buffer);
455   if (EC) {
456     std::string Msg(EC.message());
457     DiagnosticInfoSampleProfile Diag(Filename.data(), Msg);
458     M.getContext().diagnose(Diag);
459     return false;
460   }
461   line_iterator LineIt(*Buffer, '#');
462
463   // Read the profile of each function. Since each function may be
464   // mentioned more than once, and we are collecting flat profiles,
465   // accumulate samples as we parse them.
466   Regex HeadRE("^([^:]+):([0-9]+):([0-9]+)$");
467   Regex LineSample("^([0-9]+)\\.?([0-9]+)?: ([0-9]+)(.*)$");
468   while (!LineIt.is_at_eof()) {
469     // Read the header of each function. The function header should
470     // have this format:
471     //
472     //        function_name:total_samples:total_head_samples
473     //
474     // See above for an explanation of each field.
475     SmallVector<StringRef, 3> Matches;
476     if (!HeadRE.match(*LineIt, &Matches)) {
477       reportParseError(LineIt.line_number(),
478                        "Expected 'mangled_name:NUM:NUM', found " + *LineIt);
479       return false;
480     }
481     assert(Matches.size() == 4);
482     StringRef FName = Matches[1];
483     unsigned NumSamples, NumHeadSamples;
484     Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
485     Matches[3].getAsInteger(10, NumHeadSamples);
486     Profiles[FName] = SampleFunctionProfile();
487     SampleFunctionProfile &FProfile = Profiles[FName];
488     FProfile.addTotalSamples(NumSamples);
489     FProfile.addHeadSamples(NumHeadSamples);
490     ++LineIt;
491
492     // Now read the body. The body of the function ends when we reach
493     // EOF or when we see the start of the next function.
494     while (!LineIt.is_at_eof() && isdigit((*LineIt)[0])) {
495       if (!LineSample.match(*LineIt, &Matches)) {
496         reportParseError(
497             LineIt.line_number(),
498             "Expected 'NUM[.NUM]: NUM[ mangled_name:NUM]*', found " + *LineIt);
499         return false;
500       }
501       assert(Matches.size() == 5);
502       unsigned LineOffset, NumSamples, Discriminator = 0;
503       Matches[1].getAsInteger(10, LineOffset);
504       if (Matches[2] != "")
505         Matches[2].getAsInteger(10, Discriminator);
506       Matches[3].getAsInteger(10, NumSamples);
507
508       // FIXME: Handle called targets (in Matches[4]).
509
510       // When dealing with instruction weights, we use the value
511       // zero to indicate the absence of a sample. If we read an
512       // actual zero from the profile file, return it as 1 to
513       // avoid the confusion later on.
514       if (NumSamples == 0)
515         NumSamples = 1;
516       FProfile.addBodySamples(LineOffset, Discriminator, NumSamples);
517       ++LineIt;
518     }
519   }
520
521   return true;
522 }
523
524 /// \brief Get the weight for an instruction.
525 ///
526 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
527 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
528 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
529 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
530 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
531 ///
532 /// \param Inst Instruction to query.
533 ///
534 /// \returns The profiled weight of I.
535 unsigned SampleFunctionProfile::getInstWeight(Instruction &Inst) {
536   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
537   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
538   if (Lineno < HeaderLineno)
539     return 0;
540
541   DILocation DIL(DLoc.getAsMDNode(*Ctx));
542   int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
543   unsigned Discriminator = DIL.getDiscriminator();
544   unsigned Weight =
545       BodySamples.lookup(InstructionLocation(LOffset, Discriminator));
546   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
547                << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
548                << " - weight: " << Weight << ")\n");
549   return Weight;
550 }
551
552 /// \brief Compute the weight of a basic block.
553 ///
554 /// The weight of basic block \p B is the maximum weight of all the
555 /// instructions in B. The weight of \p B is computed and cached in
556 /// the BlockWeights map.
557 ///
558 /// \param B The basic block to query.
559 ///
560 /// \returns The computed weight of B.
561 unsigned SampleFunctionProfile::getBlockWeight(BasicBlock *B) {
562   // If we've computed B's weight before, return it.
563   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
564       BlockWeights.insert(std::make_pair(B, 0));
565   if (!Entry.second)
566     return Entry.first->second;
567
568   // Otherwise, compute and cache B's weight.
569   unsigned Weight = 0;
570   for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), E = B->end(); I != E; ++I) {
571     unsigned InstWeight = getInstWeight(*I);
572     if (InstWeight > Weight)
573       Weight = InstWeight;
574   }
575   Entry.first->second = Weight;
576   return Weight;
577 }
578
579 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
580 ///
581 /// This populates the BlockWeights map by computing
582 /// the weights of every basic block in the CFG.
583 ///
584 /// \param F The function to query.
585 bool SampleFunctionProfile::computeBlockWeights(Function &F) {
586   bool Changed = false;
587   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
588   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
589     unsigned Weight = getBlockWeight(B);
590     Changed |= (Weight > 0);
591     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), B));
592   }
593
594   return Changed;
595 }
596
597 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
598 ///
599 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
600 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
601 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
602 ///
603 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
604 /// the following holds:
605 ///
606 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
607 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
608 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
609 ///
610 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
611 ///
612 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
613 /// equivalence class to \p BB1.
614 ///
615 /// \param BB1  Block to check.
616 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
617 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
618 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
619 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
620 void SampleFunctionProfile::findEquivalencesFor(
621     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
622     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
623   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = Descendants.begin(),
624                                                E = Descendants.end();
625        I != E; ++I) {
626     BasicBlock *BB2 = *I;
627     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
628     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
629     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
630         IsInSameLoop) {
631       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
632
633       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
634       // as BB1.
635       //
636       // Note that we don't worry about the opposite situation here
637       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
638       // during the propagation phase. Right now, we just want to
639       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
640       // members of its equivalence set.
641       unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
642       unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
643       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
644     }
645   }
646 }
647
648 /// \brief Find equivalence classes.
649 ///
650 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
651 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
652 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
653 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
654 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
655 ///
656 /// \param F The function to query.
657 void SampleFunctionProfile::findEquivalenceClasses(Function &F) {
658   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
659   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
660   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
661   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
662     BasicBlock *BB1 = B;
663
664     // Compute BB1's equivalence class once.
665     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
666       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
667       continue;
668     }
669
670     // By default, blocks are in their own equivalence class.
671     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
672
673     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
674     // every basic block BB2 such that:
675     //
676     // 1- BB1 dominates BB2.
677     // 2- BB2 post-dominates BB1.
678     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
679     //
680     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
681     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
682     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
683     DominatedBBs.clear();
684     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
685     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
686
687     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
688     // We are looking for every basic block BB2 such that:
689     //
690     // 1- BB1 post-dominates BB2.
691     // 2- BB2 dominates BB1.
692     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
693     //
694     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
695     DominatedBBs.clear();
696     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
697     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
698
699     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
700   }
701
702   // Assign weights to equivalence classes.
703   //
704   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
705   // the same number of times. Since we know that the head block in
706   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
707   // to all the blocks in that equivalence class.
708   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
709   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
710     BasicBlock *BB = B;
711     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
712     if (BB != EquivBB)
713       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
714     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
715   }
716 }
717
718 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
719 ///
720 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
721 /// and increment the count of unknown edges.
722 ///
723 /// \param E  Edge to visit.
724 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
725 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
726 ///
727 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
728 unsigned SampleFunctionProfile::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
729                                           Edge *UnknownEdge) {
730   if (!VisitedEdges.count(E)) {
731     (*NumUnknownEdges)++;
732     *UnknownEdge = E;
733     return 0;
734   }
735
736   return EdgeWeights[E];
737 }
738
739 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
740 ///
741 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
742 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
743 ///
744 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
745 /// count of the basic block, if needed.
746 ///
747 /// \param F  Function to process.
748 ///
749 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
750 bool SampleFunctionProfile::propagateThroughEdges(Function &F) {
751   bool Changed = false;
752   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
753   for (Function::iterator BI = F.begin(), EI = F.end(); BI != EI; ++BI) {
754     BasicBlock *BB = BI;
755
756     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
757     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
758     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
759     // only case we are interested in handling is when only a single
760     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
761     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
762       unsigned TotalWeight = 0;
763       unsigned NumUnknownEdges = 0;
764       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
765
766       if (i == 0) {
767         // First, visit all predecessor edges.
768         for (size_t I = 0; I < Predecessors[BB].size(); I++) {
769           Edge E = std::make_pair(Predecessors[BB][I], BB);
770           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
771           if (E.first == E.second)
772             SelfReferentialEdge = E;
773         }
774       } else {
775         // On the second round, visit all successor edges.
776         for (size_t I = 0; I < Successors[BB].size(); I++) {
777           Edge E = std::make_pair(BB, Successors[BB][I]);
778           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
779         }
780       }
781
782       // After visiting all the edges, there are three cases that we
783       // can handle immediately:
784       //
785       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
786       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
787       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
788       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
789       //   we mark it visited.
790       //
791       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
792       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
793       //   subtracting the total block weight from all the known
794       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
795       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
796       //
797       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
798       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
799       //   We add up all the other known edges and set the weight on
800       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
801       //
802       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
803       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
804       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
805       if (NumUnknownEdges <= 1) {
806         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
807         if (NumUnknownEdges == 0) {
808           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
809           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
810           // of all edge weights.
811           if (TotalWeight > BBWeight) {
812             BBWeight = TotalWeight;
813             Changed = true;
814             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
815                          << " known. Set weight for block: ";
816                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
817           }
818           if (VisitedBlocks.insert(BB))
819             Changed = true;
820         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
821           // If there is a single unknown edge and the block has been
822           // visited, then we can compute E's weight.
823           if (BBWeight >= TotalWeight)
824             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
825           else
826             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
827           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
828           Changed = true;
829           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
830                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
831         }
832       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
833         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
834         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
835         if (BBWeight >= TotalWeight)
836           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
837         else
838           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
839         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
840         Changed = true;
841         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
842               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
843       }
844     }
845   }
846
847   return Changed;
848 }
849
850 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
851 ///
852 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
853 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
854 void SampleFunctionProfile::buildEdges(Function &F) {
855   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
856     BasicBlock *B1 = I;
857
858     // Add predecessors for B1.
859     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
860     if (!Predecessors[B1].empty())
861       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
862     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
863       BasicBlock *B2 = *PI;
864       if (Visited.insert(B2))
865         Predecessors[B1].push_back(B2);
866     }
867
868     // Add successors for B1.
869     Visited.clear();
870     if (!Successors[B1].empty())
871       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
872     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
873       BasicBlock *B2 = *SI;
874       if (Visited.insert(B2))
875         Successors[B1].push_back(B2);
876     }
877   }
878 }
879
880 /// \brief Propagate weights into edges
881 ///
882 /// The following rules are applied to every block B in the CFG:
883 ///
884 /// - If B has a single predecessor/successor, then the weight
885 ///   of that edge is the weight of the block.
886 ///
887 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
888 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
889 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
890 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
891 ///   we set the unknown edge weight to zero.
892 ///
893 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
894 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
895 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
896 ///   known).
897 void SampleFunctionProfile::propagateWeights(Function &F) {
898   bool Changed = true;
899   unsigned i = 0;
900
901   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
902   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
903   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
904   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
905   // of the pass.
906   buildEdges(F);
907
908   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
909   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
910     Changed = propagateThroughEdges(F);
911   }
912
913   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
914   // edge weights computed during propagation.
915   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
916   MDBuilder MDB(F.getContext());
917   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
918     BasicBlock *B = I;
919     TerminatorInst *TI = B->getTerminator();
920     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
921       continue;
922     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
923       continue;
924
925     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
926                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
927     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
928     bool AllWeightsZero = true;
929     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
930       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
931       Edge E = std::make_pair(B, Succ);
932       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
933       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
934       Weights.push_back(Weight);
935       if (Weight != 0)
936         AllWeightsZero = false;
937     }
938
939     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
940     // In any other case, let the analyzer set weights.
941     if (!AllWeightsZero) {
942       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
943       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
944                       MDB.createBranchWeights(Weights));
945     } else {
946       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
947     }
948   }
949 }
950
951 /// \brief Get the line number for the function header.
952 ///
953 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
954 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
955 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
956 /// number is relative to this line.
957 ///
958 /// \param F  Function object to query.
959 ///
960 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
961 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
962 unsigned SampleFunctionProfile::getFunctionLoc(Function &F) {
963   NamedMDNode *CUNodes = F.getParent()->getNamedMetadata("llvm.dbg.cu");
964   if (CUNodes) {
965     for (unsigned I = 0, E1 = CUNodes->getNumOperands(); I != E1; ++I) {
966       DICompileUnit CU(CUNodes->getOperand(I));
967       DIArray Subprograms = CU.getSubprograms();
968       for (unsigned J = 0, E2 = Subprograms.getNumElements(); J != E2; ++J) {
969         DISubprogram Subprogram(Subprograms.getElement(J));
970         if (Subprogram.describes(&F))
971           return Subprogram.getLineNumber();
972       }
973     }
974   }
975
976   DiagnosticInfoSampleProfile Diag("No debug information found in function " +
977                                    F.getName());
978   F.getContext().diagnose(Diag);
979   return 0;
980 }
981
982 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
983 ///
984 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
985 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
986 ///
987 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
988 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
989 ///    executed instruction.
990 ///
991 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
992 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
993 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
994 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
995 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
996 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
997 ///
998 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
999 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
1000 ///    block B in the CFG:
1001 ///
1002 ///    - If B has a single predecessor/successor, then the weight
1003 ///      of that edge is the weight of the block.
1004 ///
1005 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
1006 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
1007 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
1008 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
1009 ///      we set the unknown edge weight to zero.
1010 ///
1011 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
1012 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
1013 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
1014 ///      known).
1015 ///
1016 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
1017 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
1018 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
1019 ///
1020 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
1021 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
1022 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
1023 /// work here.
1024 ///
1025 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
1026 /// metadata on B using the computed values for each of its branches.
1027 ///
1028 /// \param F The function to query.
1029 ///
1030 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
1031 bool SampleFunctionProfile::emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
1032                                             PostDominatorTree *PostDomTree,
1033                                             LoopInfo *Loops) {
1034   bool Changed = false;
1035
1036   // Initialize invariants used during computation and propagation.
1037   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
1038   if (HeaderLineno == 0)
1039     return false;
1040
1041   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
1042                << ": " << HeaderLineno << "\n");
1043   DT = DomTree;
1044   PDT = PostDomTree;
1045   LI = Loops;
1046   Ctx = &F.getParent()->getContext();
1047
1048   // Compute basic block weights.
1049   Changed |= computeBlockWeights(F);
1050
1051   if (Changed) {
1052     // Find equivalence classes.
1053     findEquivalenceClasses(F);
1054
1055     // Propagate weights to all edges.
1056     propagateWeights(F);
1057   }
1058
1059   return Changed;
1060 }
1061
1062 char SampleProfileLoader::ID = 0;
1063 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1064                       "Sample Profile loader", false, false)
1065 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
1066 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
1067 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
1068 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
1069 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1070                     "Sample Profile loader", false, false)
1071
1072 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
1073   Profiler.reset(new SampleModuleProfile(M, Filename));
1074   ProfileIsValid = Profiler->loadText();
1075   return true;
1076 }
1077
1078 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1079   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1080 }
1081
1082 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1083   return new SampleProfileLoader(Name);
1084 }
1085
1086 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1087   if (!ProfileIsValid)
1088     return false;
1089   DominatorTree *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1090   PostDominatorTree *PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
1091   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1092   SampleFunctionProfile &FunctionProfile = Profiler->getProfile(F);
1093   if (!FunctionProfile.empty())
1094     return FunctionProfile.emitAnnotations(F, DT, PDT, LI);
1095   return false;
1096 }