Include <cctype> for isdigit().
[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 #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
69 typedef DenseMap<uint32_t, uint32_t> BodySampleMap;
70 typedef DenseMap<BasicBlock *, uint32_t> BlockWeightMap;
71 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
72 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
73 typedef DenseMap<Edge, uint32_t> EdgeWeightMap;
74 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8> > BlockEdgeMap;
75
76 /// \brief Representation of the runtime profile for a function.
77 ///
78 /// This data structure contains the runtime profile for a given
79 /// function. It contains the total number of samples collected
80 /// in the function and a map of samples collected in every statement.
81 class SampleFunctionProfile {
82 public:
83   SampleFunctionProfile()
84       : TotalSamples(0), TotalHeadSamples(0), HeaderLineno(0), DT(0), PDT(0),
85         LI(0) {}
86
87   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
88   bool emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
89                        PostDominatorTree *PostDomTree, LoopInfo *Loops);
90   uint32_t getInstWeight(Instruction &I);
91   uint32_t getBlockWeight(BasicBlock *B);
92   void addTotalSamples(unsigned Num) { TotalSamples += Num; }
93   void addHeadSamples(unsigned Num) { TotalHeadSamples += Num; }
94   void addBodySamples(unsigned LineOffset, unsigned Num) {
95     BodySamples[LineOffset] += Num;
96   }
97   void print(raw_ostream &OS);
98   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
99   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
100   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
101   bool computeBlockWeights(Function &F);
102   void findEquivalenceClasses(Function &F);
103   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
104                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
105                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
106   void propagateWeights(Function &F);
107   uint32_t visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
108   void buildEdges(Function &F);
109   bool propagateThroughEdges(Function &F);
110   bool empty() { return BodySamples.empty(); }
111
112 protected:
113   /// \brief Total number of samples collected inside this function.
114   ///
115   /// Samples are cumulative, they include all the samples collected
116   /// inside this function and all its inlined callees.
117   unsigned TotalSamples;
118
119   /// \brief Total number of samples collected at the head of the function.
120   /// FIXME: Use head samples to estimate a cold/hot attribute for the function.
121   unsigned TotalHeadSamples;
122
123   /// \brief Line number for the function header. Used to compute relative
124   /// line numbers from the absolute line LOCs found in instruction locations.
125   /// The relative line numbers are needed to address the samples from the
126   /// profile file.
127   unsigned HeaderLineno;
128
129   /// \brief Map line offsets to collected samples.
130   ///
131   /// Each entry in this map contains the number of samples
132   /// collected at the corresponding line offset. All line locations
133   /// are an offset from the start of the function.
134   BodySampleMap BodySamples;
135
136   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
137   ///
138   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
139   /// of all the instruction weights in that block.
140   BlockWeightMap BlockWeights;
141
142   /// \brief Map edges to their computed weights.
143   ///
144   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
145   /// SampleProfile::propagateWeights.
146   EdgeWeightMap EdgeWeights;
147
148   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
149   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
150
151   /// \brief Set of visited edges during propagation.
152   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
153
154   /// \brief Equivalence classes for block weights.
155   ///
156   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
157   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
158   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
159   /// the same number of times.
160   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
161
162   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
163   DominatorTree *DT;
164   PostDominatorTree *PDT;
165   LoopInfo *LI;
166
167   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
168   BlockEdgeMap Predecessors;
169
170   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
171   BlockEdgeMap Successors;
172 };
173
174 /// \brief Sample-based profile reader.
175 ///
176 /// Each profile contains sample counts for all the functions
177 /// executed. Inside each function, statements are annotated with the
178 /// collected samples on all the instructions associated with that
179 /// statement.
180 ///
181 /// For this to produce meaningful data, the program needs to be
182 /// compiled with some debug information (at minimum, line numbers:
183 /// -gline-tables-only). Otherwise, it will be impossible to match IR
184 /// instructions to the line numbers collected by the profiler.
185 ///
186 /// From the profile file, we are interested in collecting the
187 /// following information:
188 ///
189 /// * A list of functions included in the profile (mangled names).
190 ///
191 /// * For each function F:
192 ///   1. The total number of samples collected in F.
193 ///
194 ///   2. The samples collected at each line in F. To provide some
195 ///      protection against source code shuffling, line numbers should
196 ///      be relative to the start of the function.
197 class SampleModuleProfile {
198 public:
199   SampleModuleProfile(StringRef F) : Profiles(0), Filename(F) {}
200
201   void dump();
202   void loadText();
203   void loadNative() { llvm_unreachable("not implemented"); }
204   void printFunctionProfile(raw_ostream &OS, StringRef FName);
205   void dumpFunctionProfile(StringRef FName);
206   SampleFunctionProfile &getProfile(const Function &F) {
207     return Profiles[F.getName()];
208   }
209
210   /// \brief Report a parse error message and stop compilation.
211   void reportParseError(int64_t LineNumber, Twine Msg) const {
212     report_fatal_error(Filename + ":" + Twine(LineNumber) + ": " + Msg + "\n");
213   }
214
215 protected:
216   /// \brief Map every function to its associated profile.
217   ///
218   /// The profile of every function executed at runtime is collected
219   /// in the structure SampleFunctionProfile. This maps function objects
220   /// to their corresponding profiles.
221   StringMap<SampleFunctionProfile> Profiles;
222
223   /// \brief Path name to the file holding the profile data.
224   ///
225   /// The format of this file is defined by each profiler
226   /// independently. If possible, the profiler should have a text
227   /// version of the profile format to be used in constructing test
228   /// cases and debugging.
229   StringRef Filename;
230 };
231
232 /// \brief Sample profile pass.
233 ///
234 /// This pass reads profile data from the file specified by
235 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
236 /// profile information found in that file.
237 class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
238 public:
239   // Class identification, replacement for typeinfo
240   static char ID;
241
242   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
243       : FunctionPass(ID), Profiler(0), Filename(Name) {
244     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
245   }
246
247   virtual bool doInitialization(Module &M);
248
249   void dump() { Profiler->dump(); }
250
251   virtual const char *getPassName() const { return "Sample profile pass"; }
252
253   virtual bool runOnFunction(Function &F);
254
255   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
256     AU.setPreservesCFG();
257     AU.addRequired<LoopInfo>();
258     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
259     AU.addRequired<PostDominatorTree>();
260   }
261
262 protected:
263   /// \brief Profile reader object.
264   OwningPtr<SampleModuleProfile> Profiler;
265
266   /// \brief Name of the profile file to load.
267   StringRef Filename;
268 };
269 }
270
271 /// \brief Print this function profile on stream \p OS.
272 ///
273 /// \param OS Stream to emit the output to.
274 void SampleFunctionProfile::print(raw_ostream &OS) {
275   OS << TotalSamples << ", " << TotalHeadSamples << ", " << BodySamples.size()
276      << " sampled lines\n";
277   for (BodySampleMap::const_iterator SI = BodySamples.begin(),
278                                      SE = BodySamples.end();
279        SI != SE; ++SI)
280     OS << "\tline offset: " << SI->first
281        << ", number of samples: " << SI->second << "\n";
282   OS << "\n";
283 }
284
285 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
286 ///
287 /// \param OS  Stream to emit the output to.
288 /// \param E  Edge to print.
289 void SampleFunctionProfile::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
290   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
291      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
292 }
293
294 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
295 ///
296 /// \param OS  Stream to emit the output to.
297 /// \param BB  Block to print.
298 void SampleFunctionProfile::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
299                                                   BasicBlock *BB) {
300   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
301   OS << "equivalence[" << BB->getName()
302      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
303 }
304
305 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
306 ///
307 /// \param OS  Stream to emit the output to.
308 /// \param BB  Block to print.
309 void SampleFunctionProfile::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
310   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
311 }
312
313 /// \brief Print the function profile for \p FName on stream \p OS.
314 ///
315 /// \param OS Stream to emit the output to.
316 /// \param FName Name of the function to print.
317 void SampleModuleProfile::printFunctionProfile(raw_ostream &OS,
318                                                StringRef FName) {
319   OS << "Function: " << FName << ":\n";
320   Profiles[FName].print(OS);
321 }
322
323 /// \brief Dump the function profile for \p FName.
324 ///
325 /// \param FName Name of the function to print.
326 void SampleModuleProfile::dumpFunctionProfile(StringRef FName) {
327   printFunctionProfile(dbgs(), FName);
328 }
329
330 /// \brief Dump all the function profiles found.
331 void SampleModuleProfile::dump() {
332   for (StringMap<SampleFunctionProfile>::const_iterator I = Profiles.begin(),
333                                                         E = Profiles.end();
334        I != E; ++I)
335     dumpFunctionProfile(I->getKey());
336 }
337
338 /// \brief Load samples from a text file.
339 ///
340 /// The file contains a list of samples for every function executed at
341 /// runtime. Each function profile has the following format:
342 ///
343 ///    function1:total_samples:total_head_samples
344 ///    offset1[.discriminator]: number_of_samples [fn1:num fn2:num ... ]
345 ///    offset2[.discriminator]: number_of_samples [fn3:num fn4:num ... ]
346 ///    ...
347 ///    offsetN[.discriminator]: number_of_samples [fn5:num fn6:num ... ]
348 ///
349 /// Function names must be mangled in order for the profile loader to
350 /// match them in the current translation unit. The two numbers in the
351 /// function header specify how many total samples were accumulated in
352 /// the function (first number), and the total number of samples accumulated
353 /// at the prologue of the function (second number). This head sample
354 /// count provides an indicator of how frequent is the function invoked.
355 ///
356 /// Each sampled line may contain several items. Some are optional
357 /// (marked below):
358 ///
359 /// a- Source line offset. This number represents the line number
360 ///    in the function where the sample was collected. The line number
361 ///    is always relative to the line where symbol of the function
362 ///    is defined. So, if the function has its header at line 280,
363 ///    the offset 13 is at line 293 in the file.
364 ///
365 /// b- [OPTIONAL] Discriminator. This is used if the sampled program
366 ///    was compiled with DWARF discriminator support
367 ///    (http://wiki.dwarfstd.org/index.php?title=Path_Discriminators)
368 ///    This is currently only emitted by GCC and we just ignore it.
369 ///
370 ///    FIXME: Handle discriminators, since they are needed to distinguish
371 ///           multiple control flow within a single source LOC.
372 ///
373 /// c- Number of samples. This is the number of samples collected by
374 ///    the profiler at this source location.
375 ///
376 /// d- [OPTIONAL] Potential call targets and samples. If present, this
377 ///    line contains a call instruction. This models both direct and
378 ///    indirect calls. Each called target is listed together with the
379 ///    number of samples. For example,
380 ///
381 ///    130: 7  foo:3  bar:2  baz:7
382 ///
383 ///    The above means that at relative line offset 130 there is a
384 ///    call instruction that calls one of foo(), bar() and baz(). With
385 ///    baz() being the relatively more frequent call target.
386 ///
387 ///    FIXME: This is currently unhandled, but it has a lot of
388 ///           potential for aiding the inliner.
389 ///
390 ///
391 /// Since this is a flat profile, a function that shows up more than
392 /// once gets all its samples aggregated across all its instances.
393 ///
394 /// FIXME: flat profiles are too imprecise to provide good optimization
395 ///        opportunities. Convert them to context-sensitive profile.
396 ///
397 /// This textual representation is useful to generate unit tests and
398 /// for debugging purposes, but it should not be used to generate
399 /// profiles for large programs, as the representation is extremely
400 /// inefficient.
401 void SampleModuleProfile::loadText() {
402   OwningPtr<MemoryBuffer> Buffer;
403   error_code EC = MemoryBuffer::getFile(Filename, Buffer);
404   if (EC)
405     report_fatal_error("Could not open file " + Filename + ": " + EC.message());
406   line_iterator LineIt(*Buffer, '#');
407
408   // Read the profile of each function. Since each function may be
409   // mentioned more than once, and we are collecting flat profiles,
410   // accumulate samples as we parse them.
411   Regex HeadRE("^([^:]+):([0-9]+):([0-9]+)$");
412   Regex LineSample("^([0-9]+)(\\.[0-9]+)?: ([0-9]+)(.*)$");
413   while (!LineIt.is_at_eof()) {
414     // Read the header of each function. The function header should
415     // have this format:
416     //
417     //        function_name:total_samples:total_head_samples
418     //
419     // See above for an explanation of each field.
420     SmallVector<StringRef, 3> Matches;
421     if (!HeadRE.match(*LineIt, &Matches))
422       reportParseError(LineIt.line_number(),
423                        "Expected 'mangled_name:NUM:NUM', found " + *LineIt);
424     assert(Matches.size() == 4);
425     StringRef FName = Matches[1];
426     unsigned NumSamples, NumHeadSamples;
427     Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
428     Matches[3].getAsInteger(10, NumHeadSamples);
429     Profiles[FName] = SampleFunctionProfile();
430     SampleFunctionProfile &FProfile = Profiles[FName];
431     FProfile.addTotalSamples(NumSamples);
432     FProfile.addHeadSamples(NumHeadSamples);
433     ++LineIt;
434
435     // Now read the body. The body of the function ends when we reach
436     // EOF or when we see the start of the next function.
437     while (!LineIt.is_at_eof() && isdigit((*LineIt)[0])) {
438       if (!LineSample.match(*LineIt, &Matches))
439         reportParseError(
440             LineIt.line_number(),
441             "Expected 'NUM[.NUM]: NUM[ mangled_name:NUM]*', found " + *LineIt);
442       assert(Matches.size() == 5);
443       unsigned LineOffset, NumSamples;
444       Matches[1].getAsInteger(10, LineOffset);
445
446       // FIXME: Handle discriminator information (in Matches[2]).
447
448       Matches[3].getAsInteger(10, NumSamples);
449
450       // FIXME: Handle called targets (in Matches[4]).
451
452       // When dealing with instruction weights, we use the value
453       // zero to indicate the absence of a sample. If we read an
454       // actual zero from the profile file, return it as 1 to
455       // avoid the confusion later on.
456       if (NumSamples == 0)
457         NumSamples = 1;
458       FProfile.addBodySamples(LineOffset, NumSamples);
459       ++LineIt;
460     }
461   }
462 }
463
464 /// \brief Get the weight for an instruction.
465 ///
466 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
467 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
468 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
469 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
470 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
471 ///
472 /// \param Inst Instruction to query.
473 ///
474 /// \returns The profiled weight of I.
475 uint32_t SampleFunctionProfile::getInstWeight(Instruction &Inst) {
476   unsigned Lineno = Inst.getDebugLoc().getLine();
477   if (Lineno < HeaderLineno)
478     return 0;
479   unsigned LOffset = Lineno - HeaderLineno;
480   uint32_t Weight = BodySamples.lookup(LOffset);
481   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << ":" << Inst.getDebugLoc().getCol() << ":"
482                << Inst << " (line offset: " << LOffset
483                << " - weight: " << Weight << ")\n");
484   return Weight;
485 }
486
487 /// \brief Compute the weight of a basic block.
488 ///
489 /// The weight of basic block \p B is the maximum weight of all the
490 /// instructions in B. The weight of \p B is computed and cached in
491 /// the BlockWeights map.
492 ///
493 /// \param B The basic block to query.
494 ///
495 /// \returns The computed weight of B.
496 uint32_t SampleFunctionProfile::getBlockWeight(BasicBlock *B) {
497   // If we've computed B's weight before, return it.
498   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
499       BlockWeights.insert(std::make_pair(B, 0));
500   if (!Entry.second)
501     return Entry.first->second;
502
503   // Otherwise, compute and cache B's weight.
504   uint32_t Weight = 0;
505   for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), E = B->end(); I != E; ++I) {
506     uint32_t InstWeight = getInstWeight(*I);
507     if (InstWeight > Weight)
508       Weight = InstWeight;
509   }
510   Entry.first->second = Weight;
511   return Weight;
512 }
513
514 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
515 ///
516 /// This populates the BlockWeights map by computing
517 /// the weights of every basic block in the CFG.
518 ///
519 /// \param F The function to query.
520 bool SampleFunctionProfile::computeBlockWeights(Function &F) {
521   bool Changed = false;
522   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
523   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
524     uint32_t Weight = getBlockWeight(B);
525     Changed |= (Weight > 0);
526     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), B));
527   }
528
529   return Changed;
530 }
531
532 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
533 ///
534 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
535 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
536 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
537 ///
538 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
539 /// the following holds:
540 ///
541 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
542 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
543 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
544 ///
545 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
546 ///
547 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
548 /// equivalence class to \p BB1.
549 ///
550 /// \param BB1  Block to check.
551 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
552 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
553 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
554 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
555 void SampleFunctionProfile::findEquivalencesFor(
556     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
557     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
558   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = Descendants.begin(),
559                                                E = Descendants.end();
560        I != E; ++I) {
561     BasicBlock *BB2 = *I;
562     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
563     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
564     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
565         IsInSameLoop) {
566       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
567
568       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
569       // as BB1.
570       //
571       // Note that we don't worry about the opposite situation here
572       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
573       // during the propagation phase. Right now, we just want to
574       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
575       // members of its equivalence set.
576       uint32_t &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
577       uint32_t &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
578       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
579     }
580   }
581 }
582
583 /// \brief Find equivalence classes.
584 ///
585 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
586 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
587 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
588 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
589 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
590 ///
591 /// \param F The function to query.
592 void SampleFunctionProfile::findEquivalenceClasses(Function &F) {
593   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
594   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
595   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
596   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
597     BasicBlock *BB1 = B;
598
599     // Compute BB1's equivalence class once.
600     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
601       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
602       continue;
603     }
604
605     // By default, blocks are in their own equivalence class.
606     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
607
608     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
609     // every basic block BB2 such that:
610     //
611     // 1- BB1 dominates BB2.
612     // 2- BB2 post-dominates BB1.
613     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
614     //
615     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
616     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
617     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
618     DominatedBBs.clear();
619     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
620     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
621
622     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
623     // We are looking for every basic block BB2 such that:
624     //
625     // 1- BB1 post-dominates BB2.
626     // 2- BB2 dominates BB1.
627     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
628     //
629     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
630     DominatedBBs.clear();
631     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
632     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
633
634     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
635   }
636
637   // Assign weights to equivalence classes.
638   //
639   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
640   // the same number of times. Since we know that the head block in
641   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
642   // to all the blocks in that equivalence class.
643   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
644   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
645     BasicBlock *BB = B;
646     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
647     if (BB != EquivBB)
648       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
649     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
650   }
651 }
652
653 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
654 ///
655 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
656 /// and increment the count of unknown edges.
657 ///
658 /// \param E  Edge to visit.
659 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
660 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
661 ///
662 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
663 uint32_t SampleFunctionProfile::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
664                                           Edge *UnknownEdge) {
665   if (!VisitedEdges.count(E)) {
666     (*NumUnknownEdges)++;
667     *UnknownEdge = E;
668     return 0;
669   }
670
671   return EdgeWeights[E];
672 }
673
674 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
675 ///
676 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
677 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
678 ///
679 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
680 /// count of the basic block, if needed.
681 ///
682 /// \param F  Function to process.
683 ///
684 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
685 bool SampleFunctionProfile::propagateThroughEdges(Function &F) {
686   bool Changed = false;
687   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
688   for (Function::iterator BI = F.begin(), EI = F.end(); BI != EI; ++BI) {
689     BasicBlock *BB = BI;
690
691     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
692     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
693     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
694     // only case we are interested in handling is when only a single
695     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
696     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
697       uint32_t TotalWeight = 0;
698       unsigned NumUnknownEdges = 0;
699       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
700
701       if (i == 0) {
702         // First, visit all predecessor edges.
703         for (size_t I = 0; I < Predecessors[BB].size(); I++) {
704           Edge E = std::make_pair(Predecessors[BB][I], BB);
705           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
706           if (E.first == E.second)
707             SelfReferentialEdge = E;
708         }
709       } else {
710         // On the second round, visit all successor edges.
711         for (size_t I = 0; I < Successors[BB].size(); I++) {
712           Edge E = std::make_pair(BB, Successors[BB][I]);
713           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
714         }
715       }
716
717       // After visiting all the edges, there are three cases that we
718       // can handle immediately:
719       //
720       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
721       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
722       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
723       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
724       //   we mark it visited.
725       //
726       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
727       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
728       //   subtracting the total block weight from all the known
729       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
730       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
731       //
732       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
733       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
734       //   We add up all the other known edges and set the weight on
735       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
736       //
737       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
738       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
739       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
740       if (NumUnknownEdges <= 1) {
741         uint32_t &BBWeight = BlockWeights[BB];
742         if (NumUnknownEdges == 0) {
743           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
744           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
745           // of all edge weights.
746           if (TotalWeight > BBWeight) {
747             BBWeight = TotalWeight;
748             Changed = true;
749             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
750                          << " known. Set weight for block: ";
751                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
752           }
753           if (VisitedBlocks.insert(BB))
754             Changed = true;
755         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
756           // If there is a single unknown edge and the block has been
757           // visited, then we can compute E's weight.
758           if (BBWeight >= TotalWeight)
759             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
760           else
761             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
762           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
763           Changed = true;
764           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
765                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
766         }
767       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
768         uint32_t &BBWeight = BlockWeights[BB];
769         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
770         if (BBWeight >= TotalWeight)
771           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
772         else
773           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
774         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
775         Changed = true;
776         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
777               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
778       }
779     }
780   }
781
782   return Changed;
783 }
784
785 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
786 ///
787 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
788 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
789 void SampleFunctionProfile::buildEdges(Function &F) {
790   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
791     BasicBlock *B1 = I;
792
793     // Add predecessors for B1.
794     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
795     if (!Predecessors[B1].empty())
796       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
797     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
798       BasicBlock *B2 = *PI;
799       if (Visited.insert(B2))
800         Predecessors[B1].push_back(B2);
801     }
802
803     // Add successors for B1.
804     Visited.clear();
805     if (!Successors[B1].empty())
806       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
807     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
808       BasicBlock *B2 = *SI;
809       if (Visited.insert(B2))
810         Successors[B1].push_back(B2);
811     }
812   }
813 }
814
815 /// \brief Propagate weights into edges
816 ///
817 /// The following rules are applied to every block B in the CFG:
818 ///
819 /// - If B has a single predecessor/successor, then the weight
820 ///   of that edge is the weight of the block.
821 ///
822 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
823 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
824 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
825 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
826 ///   we set the unknown edge weight to zero.
827 ///
828 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
829 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
830 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
831 ///   known).
832 void SampleFunctionProfile::propagateWeights(Function &F) {
833   bool Changed = true;
834   unsigned i = 0;
835
836   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
837   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
838   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
839   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
840   // of the pass.
841   buildEdges(F);
842
843   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
844   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
845     Changed = propagateThroughEdges(F);
846   }
847
848   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
849   // edge weights computed during propagation.
850   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
851   MDBuilder MDB(F.getContext());
852   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
853     BasicBlock *B = I;
854     TerminatorInst *TI = B->getTerminator();
855     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
856       continue;
857     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
858       continue;
859
860     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
861                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ":"
862                  << TI->getDebugLoc().getCol() << ".\n");
863     SmallVector<uint32_t, 4> Weights;
864     bool AllWeightsZero = true;
865     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
866       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
867       Edge E = std::make_pair(B, Succ);
868       uint32_t Weight = EdgeWeights[E];
869       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
870       Weights.push_back(Weight);
871       if (Weight != 0)
872         AllWeightsZero = false;
873     }
874
875     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
876     // In any other case, let the analyzer set weights.
877     if (!AllWeightsZero) {
878       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
879       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
880                       MDB.createBranchWeights(Weights));
881     } else {
882       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
883     }
884   }
885 }
886
887 /// \brief Get the line number for the function header.
888 ///
889 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
890 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
891 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
892 /// number is relative to this line.
893 ///
894 /// \param F  Function object to query.
895 ///
896 /// \returns the line number where \p F is defined.
897 unsigned SampleFunctionProfile::getFunctionLoc(Function &F) {
898   NamedMDNode *CUNodes = F.getParent()->getNamedMetadata("llvm.dbg.cu");
899   if (CUNodes) {
900     for (unsigned I = 0, E1 = CUNodes->getNumOperands(); I != E1; ++I) {
901       DICompileUnit CU(CUNodes->getOperand(I));
902       DIArray Subprograms = CU.getSubprograms();
903       for (unsigned J = 0, E2 = Subprograms.getNumElements(); J != E2; ++J) {
904         DISubprogram Subprogram(Subprograms.getElement(J));
905         if (Subprogram.describes(&F))
906           return Subprogram.getLineNumber();
907       }
908     }
909   }
910
911   report_fatal_error("No debug information found in function " + F.getName() +
912                      "\n");
913 }
914
915 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
916 ///
917 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
918 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
919 ///
920 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
921 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
922 ///    executed instruction.
923 ///
924 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
925 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
926 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
927 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
928 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
929 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
930 ///
931 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
932 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
933 ///    block B in the CFG:
934 ///
935 ///    - If B has a single predecessor/successor, then the weight
936 ///      of that edge is the weight of the block.
937 ///
938 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
939 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
940 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
941 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
942 ///      we set the unknown edge weight to zero.
943 ///
944 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
945 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
946 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
947 ///      known).
948 ///
949 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
950 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
951 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
952 ///
953 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
954 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
955 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
956 /// work here.
957 ///
958 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
959 /// metadata on B using the computed values for each of its branches.
960 ///
961 /// \param F The function to query.
962 bool SampleFunctionProfile::emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
963                                             PostDominatorTree *PostDomTree,
964                                             LoopInfo *Loops) {
965   bool Changed = false;
966
967   // Initialize invariants used during computation and propagation.
968   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
969   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
970                << ": " << HeaderLineno << "\n");
971   DT = DomTree;
972   PDT = PostDomTree;
973   LI = Loops;
974
975   // Compute basic block weights.
976   Changed |= computeBlockWeights(F);
977
978   if (Changed) {
979     // Find equivalence classes.
980     findEquivalenceClasses(F);
981
982     // Propagate weights to all edges.
983     propagateWeights(F);
984   }
985
986   return Changed;
987 }
988
989 char SampleProfileLoader::ID = 0;
990 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
991                       "Sample Profile loader", false, false)
992 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
993 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
994 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
995 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
996                     "Sample Profile loader", false, false)
997
998 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
999   Profiler.reset(new SampleModuleProfile(Filename));
1000   Profiler->loadText();
1001   return true;
1002 }
1003
1004 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1005   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1006 }
1007
1008 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1009   return new SampleProfileLoader(Name);
1010 }
1011
1012 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1013   DominatorTree *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1014   PostDominatorTree *PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
1015   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1016   SampleFunctionProfile &FunctionProfile = Profiler->getProfile(F);
1017   if (!FunctionProfile.empty())
1018     return FunctionProfile.emitAnnotations(F, DT, PDT, LI);
1019   return false;
1020 }