[C++11] Add predecessors(BasicBlock *) / successors(BasicBlock *) iterator ranges.
[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/StringMap.h"
30 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
31 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
32 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
33 #include "llvm/IR/Constants.h"
34 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
35 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
36 #include "llvm/IR/Dominators.h"
37 #include "llvm/IR/Function.h"
38 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
39 #include "llvm/IR/Instructions.h"
40 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
41 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
42 #include "llvm/IR/Metadata.h"
43 #include "llvm/IR/Module.h"
44 #include "llvm/Pass.h"
45 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
46 #include "llvm/Support/Debug.h"
47 #include "llvm/Support/LineIterator.h"
48 #include "llvm/Support/MemoryBuffer.h"
49 #include "llvm/Support/Regex.h"
50 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
51 #include <cctype>
52
53 using namespace llvm;
54
55 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
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(nullptr),
124         PDT(nullptr), LI(nullptr), Ctx(nullptr) {}
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.
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 successfully.
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   ErrorOr<std::unique_ptr<MemoryBuffer>> BufferOrErr =
454       MemoryBuffer::getFile(Filename);
455   if (std::error_code EC = BufferOrErr.getError()) {
456     std::string Msg(EC.message());
457     M.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
458     return false;
459   }
460   std::unique_ptr<MemoryBuffer> Buffer = std::move(BufferOrErr.get());
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]+):([0-9]+)$");
467   Regex LineSample("^([0-9]+)\\.?([0-9]+)?: ([0-9]+)(.*)$");
468   while (!LineIt.is_at_eof()) {
469     // Read the header of each function.
470     //
471     // Note that for function identifiers we are actually expecting
472     // mangled names, but we may not always get them. This happens when
473     // the compiler decides not to emit the function (e.g., it was inlined
474     // and removed). In this case, the binary will not have the linkage
475     // name for the function, so the profiler will emit the function's
476     // unmangled name, which may contain characters like ':' and '>' in its
477     // name (member functions, templates, etc).
478     //
479     // The only requirement we place on the identifier, then, is that it
480     // should not begin with a number.
481     SmallVector<StringRef, 3> Matches;
482     if (!HeadRE.match(*LineIt, &Matches)) {
483       reportParseError(LineIt.line_number(),
484                        "Expected 'mangled_name:NUM:NUM', found " + *LineIt);
485       return false;
486     }
487     assert(Matches.size() == 4);
488     StringRef FName = Matches[1];
489     unsigned NumSamples, NumHeadSamples;
490     Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
491     Matches[3].getAsInteger(10, NumHeadSamples);
492     Profiles[FName] = SampleFunctionProfile();
493     SampleFunctionProfile &FProfile = Profiles[FName];
494     FProfile.addTotalSamples(NumSamples);
495     FProfile.addHeadSamples(NumHeadSamples);
496     ++LineIt;
497
498     // Now read the body. The body of the function ends when we reach
499     // EOF or when we see the start of the next function.
500     while (!LineIt.is_at_eof() && isdigit((*LineIt)[0])) {
501       if (!LineSample.match(*LineIt, &Matches)) {
502         reportParseError(
503             LineIt.line_number(),
504             "Expected 'NUM[.NUM]: NUM[ mangled_name:NUM]*', found " + *LineIt);
505         return false;
506       }
507       assert(Matches.size() == 5);
508       unsigned LineOffset, NumSamples, Discriminator = 0;
509       Matches[1].getAsInteger(10, LineOffset);
510       if (Matches[2] != "")
511         Matches[2].getAsInteger(10, Discriminator);
512       Matches[3].getAsInteger(10, NumSamples);
513
514       // FIXME: Handle called targets (in Matches[4]).
515
516       // When dealing with instruction weights, we use the value
517       // zero to indicate the absence of a sample. If we read an
518       // actual zero from the profile file, return it as 1 to
519       // avoid the confusion later on.
520       if (NumSamples == 0)
521         NumSamples = 1;
522       FProfile.addBodySamples(LineOffset, Discriminator, NumSamples);
523       ++LineIt;
524     }
525   }
526
527   return true;
528 }
529
530 /// \brief Get the weight for an instruction.
531 ///
532 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
533 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
534 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
535 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
536 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
537 ///
538 /// \param Inst Instruction to query.
539 ///
540 /// \returns The profiled weight of I.
541 unsigned SampleFunctionProfile::getInstWeight(Instruction &Inst) {
542   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
543   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
544   if (Lineno < HeaderLineno)
545     return 0;
546
547   DILocation DIL(DLoc.getAsMDNode(*Ctx));
548   int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
549   unsigned Discriminator = DIL.getDiscriminator();
550   unsigned Weight =
551       BodySamples.lookup(InstructionLocation(LOffset, Discriminator));
552   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
553                << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
554                << " - weight: " << Weight << ")\n");
555   return Weight;
556 }
557
558 /// \brief Compute the weight of a basic block.
559 ///
560 /// The weight of basic block \p B is the maximum weight of all the
561 /// instructions in B. The weight of \p B is computed and cached in
562 /// the BlockWeights map.
563 ///
564 /// \param B The basic block to query.
565 ///
566 /// \returns The computed weight of B.
567 unsigned SampleFunctionProfile::getBlockWeight(BasicBlock *B) {
568   // If we've computed B's weight before, return it.
569   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
570       BlockWeights.insert(std::make_pair(B, 0));
571   if (!Entry.second)
572     return Entry.first->second;
573
574   // Otherwise, compute and cache B's weight.
575   unsigned Weight = 0;
576   for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), E = B->end(); I != E; ++I) {
577     unsigned InstWeight = getInstWeight(*I);
578     if (InstWeight > Weight)
579       Weight = InstWeight;
580   }
581   Entry.first->second = Weight;
582   return Weight;
583 }
584
585 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
586 ///
587 /// This populates the BlockWeights map by computing
588 /// the weights of every basic block in the CFG.
589 ///
590 /// \param F The function to query.
591 bool SampleFunctionProfile::computeBlockWeights(Function &F) {
592   bool Changed = false;
593   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
594   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
595     unsigned Weight = getBlockWeight(B);
596     Changed |= (Weight > 0);
597     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), B));
598   }
599
600   return Changed;
601 }
602
603 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
604 ///
605 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
606 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
607 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
608 ///
609 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
610 /// the following holds:
611 ///
612 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
613 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
614 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
615 ///
616 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
617 ///
618 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
619 /// equivalence class to \p BB1.
620 ///
621 /// \param BB1  Block to check.
622 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
623 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
624 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
625 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
626 void SampleFunctionProfile::findEquivalencesFor(
627     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
628     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
629   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = Descendants.begin(),
630                                                E = Descendants.end();
631        I != E; ++I) {
632     BasicBlock *BB2 = *I;
633     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
634     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
635     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
636         IsInSameLoop) {
637       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
638
639       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
640       // as BB1.
641       //
642       // Note that we don't worry about the opposite situation here
643       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
644       // during the propagation phase. Right now, we just want to
645       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
646       // members of its equivalence set.
647       unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
648       unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
649       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
650     }
651   }
652 }
653
654 /// \brief Find equivalence classes.
655 ///
656 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
657 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
658 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
659 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
660 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
661 ///
662 /// \param F The function to query.
663 void SampleFunctionProfile::findEquivalenceClasses(Function &F) {
664   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
665   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
666   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
667   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
668     BasicBlock *BB1 = B;
669
670     // Compute BB1's equivalence class once.
671     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
672       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
673       continue;
674     }
675
676     // By default, blocks are in their own equivalence class.
677     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
678
679     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
680     // every basic block BB2 such that:
681     //
682     // 1- BB1 dominates BB2.
683     // 2- BB2 post-dominates BB1.
684     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
685     //
686     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
687     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
688     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
689     DominatedBBs.clear();
690     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
691     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
692
693     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
694     // We are looking for every basic block BB2 such that:
695     //
696     // 1- BB1 post-dominates BB2.
697     // 2- BB2 dominates BB1.
698     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
699     //
700     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
701     DominatedBBs.clear();
702     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
703     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
704
705     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
706   }
707
708   // Assign weights to equivalence classes.
709   //
710   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
711   // the same number of times. Since we know that the head block in
712   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
713   // to all the blocks in that equivalence class.
714   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
715   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
716     BasicBlock *BB = B;
717     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
718     if (BB != EquivBB)
719       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
720     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
721   }
722 }
723
724 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
725 ///
726 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
727 /// and increment the count of unknown edges.
728 ///
729 /// \param E  Edge to visit.
730 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
731 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
732 ///
733 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
734 unsigned SampleFunctionProfile::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
735                                           Edge *UnknownEdge) {
736   if (!VisitedEdges.count(E)) {
737     (*NumUnknownEdges)++;
738     *UnknownEdge = E;
739     return 0;
740   }
741
742   return EdgeWeights[E];
743 }
744
745 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
746 ///
747 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
748 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
749 ///
750 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
751 /// count of the basic block, if needed.
752 ///
753 /// \param F  Function to process.
754 ///
755 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
756 bool SampleFunctionProfile::propagateThroughEdges(Function &F) {
757   bool Changed = false;
758   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
759   for (Function::iterator BI = F.begin(), EI = F.end(); BI != EI; ++BI) {
760     BasicBlock *BB = BI;
761
762     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
763     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
764     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
765     // only case we are interested in handling is when only a single
766     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
767     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
768       unsigned TotalWeight = 0;
769       unsigned NumUnknownEdges = 0;
770       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
771
772       if (i == 0) {
773         // First, visit all predecessor edges.
774         for (size_t I = 0; I < Predecessors[BB].size(); I++) {
775           Edge E = std::make_pair(Predecessors[BB][I], BB);
776           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
777           if (E.first == E.second)
778             SelfReferentialEdge = E;
779         }
780       } else {
781         // On the second round, visit all successor edges.
782         for (size_t I = 0; I < Successors[BB].size(); I++) {
783           Edge E = std::make_pair(BB, Successors[BB][I]);
784           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
785         }
786       }
787
788       // After visiting all the edges, there are three cases that we
789       // can handle immediately:
790       //
791       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
792       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
793       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
794       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
795       //   we mark it visited.
796       //
797       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
798       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
799       //   subtracting the total block weight from all the known
800       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
801       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
802       //
803       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
804       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
805       //   We add up all the other known edges and set the weight on
806       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
807       //
808       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
809       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
810       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
811       if (NumUnknownEdges <= 1) {
812         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
813         if (NumUnknownEdges == 0) {
814           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
815           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
816           // of all edge weights.
817           if (TotalWeight > BBWeight) {
818             BBWeight = TotalWeight;
819             Changed = true;
820             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
821                          << " known. Set weight for block: ";
822                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
823           }
824           if (VisitedBlocks.insert(BB))
825             Changed = true;
826         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
827           // If there is a single unknown edge and the block has been
828           // visited, then we can compute E's weight.
829           if (BBWeight >= TotalWeight)
830             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
831           else
832             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
833           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
834           Changed = true;
835           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
836                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
837         }
838       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
839         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
840         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
841         if (BBWeight >= TotalWeight)
842           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
843         else
844           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
845         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
846         Changed = true;
847         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
848               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
849       }
850     }
851   }
852
853   return Changed;
854 }
855
856 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
857 ///
858 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
859 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
860 void SampleFunctionProfile::buildEdges(Function &F) {
861   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
862     BasicBlock *B1 = I;
863
864     // Add predecessors for B1.
865     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
866     if (!Predecessors[B1].empty())
867       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
868     for (BasicBlock *B2 : predecessors(B1)) {
869       if (Visited.insert(B2))
870         Predecessors[B1].push_back(B2);
871     }
872
873     // Add successors for B1.
874     Visited.clear();
875     if (!Successors[B1].empty())
876       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
877     for (BasicBlock *B2 : successors(B1)) {
878       if (Visited.insert(B2))
879         Successors[B1].push_back(B2);
880     }
881   }
882 }
883
884 /// \brief Propagate weights into edges
885 ///
886 /// The following rules are applied to every block B in the CFG:
887 ///
888 /// - If B has a single predecessor/successor, then the weight
889 ///   of that edge is the weight of the block.
890 ///
891 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
892 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
893 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
894 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
895 ///   we set the unknown edge weight to zero.
896 ///
897 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
898 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
899 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
900 ///   known).
901 void SampleFunctionProfile::propagateWeights(Function &F) {
902   bool Changed = true;
903   unsigned i = 0;
904
905   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
906   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
907   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
908   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
909   // of the pass.
910   buildEdges(F);
911
912   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
913   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
914     Changed = propagateThroughEdges(F);
915   }
916
917   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
918   // edge weights computed during propagation.
919   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
920   MDBuilder MDB(F.getContext());
921   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
922     BasicBlock *B = I;
923     TerminatorInst *TI = B->getTerminator();
924     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
925       continue;
926     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
927       continue;
928
929     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
930                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
931     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
932     bool AllWeightsZero = true;
933     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
934       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
935       Edge E = std::make_pair(B, Succ);
936       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
937       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
938       Weights.push_back(Weight);
939       if (Weight != 0)
940         AllWeightsZero = false;
941     }
942
943     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
944     // In any other case, let the analyzer set weights.
945     if (!AllWeightsZero) {
946       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
947       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
948                       MDB.createBranchWeights(Weights));
949     } else {
950       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
951     }
952   }
953 }
954
955 /// \brief Get the line number for the function header.
956 ///
957 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
958 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
959 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
960 /// number is relative to this line.
961 ///
962 /// \param F  Function object to query.
963 ///
964 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
965 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
966 unsigned SampleFunctionProfile::getFunctionLoc(Function &F) {
967   NamedMDNode *CUNodes = F.getParent()->getNamedMetadata("llvm.dbg.cu");
968   if (CUNodes) {
969     for (unsigned I = 0, E1 = CUNodes->getNumOperands(); I != E1; ++I) {
970       DICompileUnit CU(CUNodes->getOperand(I));
971       DIArray Subprograms = CU.getSubprograms();
972       for (unsigned J = 0, E2 = Subprograms.getNumElements(); J != E2; ++J) {
973         DISubprogram Subprogram(Subprograms.getElement(J));
974         if (Subprogram.describes(&F))
975           return Subprogram.getLineNumber();
976       }
977     }
978   }
979
980   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
981       "No debug information found in function " + F.getName()));
982   return 0;
983 }
984
985 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
986 ///
987 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
988 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
989 ///
990 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
991 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
992 ///    executed instruction.
993 ///
994 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
995 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
996 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
997 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
998 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
999 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
1000 ///
1001 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
1002 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
1003 ///    block B in the CFG:
1004 ///
1005 ///    - If B has a single predecessor/successor, then the weight
1006 ///      of that edge is the weight of the block.
1007 ///
1008 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
1009 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
1010 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
1011 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
1012 ///      we set the unknown edge weight to zero.
1013 ///
1014 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
1015 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
1016 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
1017 ///      known).
1018 ///
1019 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
1020 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
1021 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
1022 ///
1023 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
1024 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
1025 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
1026 /// work here.
1027 ///
1028 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
1029 /// metadata on B using the computed values for each of its branches.
1030 ///
1031 /// \param F The function to query.
1032 ///
1033 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
1034 bool SampleFunctionProfile::emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
1035                                             PostDominatorTree *PostDomTree,
1036                                             LoopInfo *Loops) {
1037   bool Changed = false;
1038
1039   // Initialize invariants used during computation and propagation.
1040   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
1041   if (HeaderLineno == 0)
1042     return false;
1043
1044   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
1045                << ": " << HeaderLineno << "\n");
1046   DT = DomTree;
1047   PDT = PostDomTree;
1048   LI = Loops;
1049   Ctx = &F.getParent()->getContext();
1050
1051   // Compute basic block weights.
1052   Changed |= computeBlockWeights(F);
1053
1054   if (Changed) {
1055     // Find equivalence classes.
1056     findEquivalenceClasses(F);
1057
1058     // Propagate weights to all edges.
1059     propagateWeights(F);
1060   }
1061
1062   return Changed;
1063 }
1064
1065 char SampleProfileLoader::ID = 0;
1066 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1067                       "Sample Profile loader", false, false)
1068 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
1069 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
1070 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
1071 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
1072 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1073                     "Sample Profile loader", false, false)
1074
1075 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
1076   Profiler.reset(new SampleModuleProfile(M, Filename));
1077   ProfileIsValid = Profiler->loadText();
1078   return true;
1079 }
1080
1081 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1082   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1083 }
1084
1085 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1086   return new SampleProfileLoader(Name);
1087 }
1088
1089 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1090   if (!ProfileIsValid)
1091     return false;
1092   DominatorTree *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1093   PostDominatorTree *PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
1094   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1095   SampleFunctionProfile &FunctionProfile = Profiler->getProfile(F);
1096   if (!FunctionProfile.empty())
1097     return FunctionProfile.emitAnnotations(F, DT, PDT, LI);
1098   return false;
1099 }