06815d29b2d8bee6d516d4c2e213e59deace8252
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailDuplication.cpp
1 //===- TailDuplication.cpp - Simplify CFG through tail duplication --------===//
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 pass performs a limited form of tail duplication, intended to simplify
11 // CFGs by removing some unconditional branches.  This pass is necessary to
12 // straighten out loops created by the C front-end, but also is capable of
13 // making other code nicer.  After this pass is run, the CFG simplify pass
14 // should be run to clean up the mess.
15 //
16 // This pass could be enhanced in the future to use profile information to be
17 // more aggressive.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #define DEBUG_TYPE "tailduplicate"
22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
23 #include "llvm/Constant.h"
24 #include "llvm/Function.h"
25 #include "llvm/Instructions.h"
26 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
27 #include "llvm/Pass.h"
28 #include "llvm/Type.h"
29 #include "llvm/Support/CFG.h"
30 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
32 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
33 #include "llvm/Support/Compiler.h"
34 #include "llvm/Support/Debug.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
37 #include <map>
38 using namespace llvm;
39
40 STATISTIC(NumEliminated, "Number of unconditional branches eliminated");
41
42 static cl::opt<unsigned>
43 TailDupThreshold("taildup-threshold",
44                  cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
45                  cl::init(1), cl::Hidden);
46
47 namespace {
48   class VISIBILITY_HIDDEN TailDup : public FunctionPass {
49     bool runOnFunction(Function &F);
50   public:
51     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
52     TailDup() : FunctionPass(&ID) {}
53
54   private:
55     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *, unsigned);
56     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
57     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> CycleDetector;
58   };
59 }
60
61 char TailDup::ID = 0;
62 static RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
63
64 // Public interface to the Tail Duplication pass
65 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
66
67 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
68 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.  CycleDetector
69 /// prevents infinite loops by checking that we aren't redirecting a branch to
70 /// a place it already pointed to earlier; see PR 2323.
71 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
72   bool Changed = false;
73   CycleDetector.clear();
74   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ) {
75     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator(),
76                                            TailDupThreshold)) {
77       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
78       Changed = true;
79     } else {
80       ++I;
81       CycleDetector.clear();
82     }
83   }
84   return Changed;
85 }
86
87 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
88 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
89 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
90 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
91 /// up to 4 instructions to the new block.
92 ///
93 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
94 /// contents of the block are copied over.
95 ///
96 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI,
97                                                  unsigned Threshold) {
98   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
99   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
100
101   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
102   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
103
104   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
105   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
106   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
107     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
108       return false;                                 // Do not loop infinitely!
109
110   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
111   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
112   // fixed eventually.
113   if (!DTI->use_empty())
114     return false;
115
116   // Do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
117   // CFG will fold these two blocks together!
118   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
119   ++PI;
120   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
121
122   BasicBlock::iterator I = Dest->getFirstNonPHI();
123
124   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
125     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
126     
127     // Don't tail duplicate call instructions.  They are very large compared to
128     // other instructions.
129     if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) return false;
130
131     // Allso alloca and malloc.
132     if (isa<AllocationInst>(I)) return false;
133
134     // Some vector instructions can expand into a number of instructions.
135     if (isa<ShuffleVectorInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
136         isa<InsertElementInst>(I)) return false;
137     
138     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
139     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
140   }
141
142   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
143   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
144   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
145   // cases that have a large number of indirect gotos.
146   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
147   if (NumSuccs > 8) {
148     unsigned TooMany = 128;
149     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
150     TooMany = TooMany/NumSuccs;
151     for (; PI != PE; ++PI)
152       if (TooMany-- == 0) return false;
153   }
154   
155   // If this unconditional branch is a fall-through, be careful about
156   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
157   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
158   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
159   Function::iterator DestI = Dest;
160   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
161     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
162     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
163     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
164     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
165     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
166     // if (a)
167     //   foo();
168     // if (b)
169     //   foo();
170     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
171     
172     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
173     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
174     DestI = Dest;
175     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
176       BasicBlock *DestSucc = DestI;
177       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
178       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
179            SI != SE; ++SI)
180         if (*SI == DestSucc)
181           return false;
182     }
183   }
184
185   // Finally, check that we haven't redirected to this target block earlier;
186   // there are cases where we loop forever if we don't check this (PR 2323).
187   if (!CycleDetector.insert(Dest))
188     return false;
189
190   return true;
191 }
192
193 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
194 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
195 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
196 /// DstBlock, return it.
197 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
198                                           BasicBlock *DstBlock) {
199   // SrcBlock must have a single predecessor.
200   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
201   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
202
203   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
204
205   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
206   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
207   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
208   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
209   if (*PI == SrcBlock) {
210     if (++PI == PE) return 0;
211     DstOtherPred = *PI;
212     if (++PI != PE) return 0;
213   } else {
214     DstOtherPred = *PI;
215     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
216   }
217
218   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
219   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
220   if (DstOtherPred == SrcPred)
221     return SrcPred;
222
223   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
224   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
225   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
226   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
227     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
228     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
229   }
230
231   // Otherwise, this is something we can't handle.
232   return 0;
233 }
234
235
236 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
237 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
238 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
239 /// block, we may need to insert PHI nodes.
240 ///
241 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
242   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
243   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
244   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
245
246   DOUT << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
247        << "]: Eliminating branch: " << *Branch;
248
249   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
250   // blocks.
251   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
252     DOUT << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n";
253
254     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
255     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
256     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
257     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->getFirstNonPHI();
258     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
259       Instruction *I = BBI++;
260
261       bool CanHoist = !I->isTrapping() && !I->mayHaveSideEffects();
262       if (CanHoist) {
263         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
264           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
265             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
266                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
267               CanHoist = false;
268               break;
269             }
270         if (CanHoist) {
271           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
272           DestBlock->getInstList().remove(I);
273           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
274           DOUT << "Hoisted: " << *I;
275         }
276       }
277     }
278   }
279
280   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
281   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
282   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
283   // stack.
284   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
285     if (I->isUsedOutsideOfBlock(DestBlock)) {
286       // We found a use outside of the tail.  Create a new stack slot to
287       // break this inter-block usage pattern.
288       DemoteRegToStack(*I);
289     }
290
291   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
292   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
293   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
294   // them to our mapping.
295   //
296   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
297
298   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
299   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
300   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
301     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
302
303   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
304   // keeping track of the mapping...
305   //
306   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
307     Instruction *New = BI->clone();
308     New->setName(BI->getName());
309     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
310     ValueMapping[BI] = New;
311   }
312
313   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
314   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
315   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
316   // instructions.
317   //
318   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
319   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
320     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
321       std::map<Value*, Value*>::const_iterator I =
322         ValueMapping.find(BI->getOperand(i));
323       if (I != ValueMapping.end())
324         BI->setOperand(i, I->second);
325     }
326
327   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
328   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
329   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
330        SI != SE; ++SI) {
331     BasicBlock *Succ = *SI;
332     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
333       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
334       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
335       // DestBlock.
336       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
337
338       // Remap the value if necessary...
339       std::map<Value*, Value*>::const_iterator I = ValueMapping.find(IV);
340       if (I != ValueMapping.end())
341         IV = I->second;
342       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
343     }
344   }
345
346   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
347   // had.
348   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
349   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
350   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
351
352   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
353   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
354   // they may not be needed anymore.
355   //
356   if (HadPHINodes) {
357     while (BI != SourceBlock->end()) {
358       Instruction *Inst = BI++;
359       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
360         Inst->eraseFromParent();
361       else if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(Inst, Context)) {
362         Inst->replaceAllUsesWith(C);
363         Inst->eraseFromParent();
364       }
365     }
366   }
367
368   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
369 }