Removed #include <iostream> and replaced with llvm_* streams.
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
32 #include "llvm/Support/Debug.h"
33 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
34 using namespace llvm;
35
36 namespace {
37   cl::opt<unsigned>
38   Threshold("taildup-threshold", cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
39             cl::init(6), cl::Hidden);
40   Statistic<> NumEliminated("tailduplicate",
41                             "Number of unconditional branches eliminated");
42   Statistic<> NumPHINodes("tailduplicate", "Number of phi nodes inserted");
43
44   class TailDup : public FunctionPass {
45     bool runOnFunction(Function &F);
46   private:
47     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
48     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
49   };
50   RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
51 }
52
53 // Public interface to the Tail Duplication pass
54 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
55
56 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
57 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
58 ///
59 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
60   bool Changed = false;
61   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
62     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
63       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
64       Changed = true;
65     } else {
66       ++I;
67     }
68   return Changed;
69 }
70
71 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
72 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
73 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
74 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
75 /// up to 4 instructions to the new block.
76 ///
77 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
78 /// contents of the block are copied over.
79 ///
80 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
81   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
82   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
83
84   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
85   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
86
87   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
88   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
89   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
90     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
91       return false;                                 // Do not loop infinitely!
92
93   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
94   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
95   // fixed eventually.
96   if (!DTI->use_empty())
97     return false;
98
99   // Do not bother working on dead blocks...
100   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
101   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
102     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
103
104   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
105   // CFG will fold these two blocks together!
106   ++PI;
107   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
108
109   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
110   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
111
112   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
113     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
114     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
115     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
116   }
117
118   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
119   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
120   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
121   // cases that have a large number of indirect gotos.
122   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
123   if (NumSuccs > 8) {
124     unsigned TooMany = 128;
125     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
126     TooMany = TooMany/NumSuccs;
127     for (; PI != PE; ++PI)
128       if (TooMany-- == 0) return false;
129   }
130   
131   // Finally, if this unconditional branch is a fall-through, be careful about
132   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
133   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
134   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
135   Function::iterator DestI = Dest;
136   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
137     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
138     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
139     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
140     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
141     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
142     // if (a)
143     //   foo();
144     // if (b)
145     //   foo();
146     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
147     
148     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
149     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
150     DestI = Dest;
151     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
152       BasicBlock *DestSucc = DestI;
153       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
154       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
155            SI != SE; ++SI)
156         if (*SI == DestSucc)
157           return false;
158     }
159   }
160
161   return true;
162 }
163
164 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
165 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
166 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
167 /// DstBlock, return it.
168 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
169                                           BasicBlock *DstBlock) {
170   // SrcBlock must have a single predecessor.
171   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
172   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
173
174   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
175
176   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
177   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
178   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
179   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
180   if (*PI == SrcBlock) {
181     if (++PI == PE) return 0;
182     DstOtherPred = *PI;
183     if (++PI != PE) return 0;
184   } else {
185     DstOtherPred = *PI;
186     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
187   }
188
189   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
190   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
191   if (DstOtherPred == SrcPred)
192     return SrcPred;
193
194   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
195   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
196   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
197   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
198     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
199     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
200   }
201
202   // Otherwise, this is something we can't handle.
203   return 0;
204 }
205
206
207 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
208 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
209 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
210 /// block, we may need to insert PHI nodes.
211 ///
212 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
213   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
214   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
215   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
216
217   DOUT << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
218        << "]: Eliminating branch: " << *Branch;
219
220   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
221   // blocks.
222   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
223     DOUT << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n";
224
225     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
226     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
227     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
228     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->begin();
229     while (isa<PHINode>(BBI)) ++BBI;
230     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
231       Instruction *I = BBI++;
232
233       bool CanHoist = !I->isTrapping() && !I->mayWriteToMemory();
234       if (CanHoist) {
235         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
236           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
237             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
238                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
239               CanHoist = false;
240               break;
241             }
242         if (CanHoist) {
243           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
244           DestBlock->getInstList().remove(I);
245           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
246           DOUT << "Hoisted: " << *I;
247         }
248       }
249     }
250   }
251
252   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
253   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
254   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
255   // stack.
256   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
257     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
258          ++UI) {
259       bool ShouldDemote = false;
260       if (cast<Instruction>(*UI)->getParent() != DestBlock) {
261         // We must allow our successors to use tail values in their PHI nodes
262         // (if the incoming value corresponds to the tail block).
263         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(*UI)) {
264           for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
265             if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
266                 PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
267               ShouldDemote = true;
268               break;
269             }
270
271         } else {
272           ShouldDemote = true;
273         }
274       } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(cast<Instruction>(*UI))) {
275         // If the user of this instruction is a PHI node in the current block,
276         // which has an entry from another block using the value, spill it.
277         for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
278           if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
279               PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
280             ShouldDemote = true;
281             break;
282           }
283       }
284
285       if (ShouldDemote) {
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         break;
290       }
291     }
292
293   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
294   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
295   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
296   // them to our mapping.
297   //
298   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
299
300   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
301   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
302   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
303     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
304
305   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
306   // keeping track of the mapping...
307   //
308   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
309     Instruction *New = BI->clone();
310     New->setName(BI->getName());
311     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
312     ValueMapping[BI] = New;
313   }
314
315   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
316   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
317   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
318   // instructions.
319   //
320   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
321   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
322     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
323       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
324         BI->setOperand(i, Remapped);
325
326   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
327   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
328   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
329        SI != SE; ++SI) {
330     BasicBlock *Succ = *SI;
331     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
332       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
333       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
334       // DestBlock.
335       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
336
337       // Remap the value if necessary...
338       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
339         IV = MappedIV;
340       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
341     }
342   }
343
344   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
345   // had.
346   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
347   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
348   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
349
350   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
351   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
352   // they may not be needed anymore.
353   //
354   if (HadPHINodes)
355     while (BI != SourceBlock->end())
356       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
357         ++BI;
358
359   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
360 }