c8493b6a5ffdcb4c3e6c57bba594df6a1d8ccf4d
[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/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
32 #include "llvm/Support/Compiler.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
36 #include <map>
37 using namespace llvm;
38
39 STATISTIC(NumEliminated, "Number of unconditional branches eliminated");
40
41 static cl::opt<unsigned>
42 Threshold("taildup-threshold", cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
43           cl::init(6), cl::Hidden);
44
45 namespace {
46   class VISIBILITY_HIDDEN TailDup : public FunctionPass {
47     bool runOnFunction(Function &F);
48   public:
49     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
50     TailDup() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
51
52   private:
53     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
54     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
55     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> CycleDetector;
56   };
57 }
58
59 char TailDup::ID = 0;
60 static RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
61
62 // Public interface to the Tail Duplication pass
63 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
64
65 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
66 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.  CycleDetector
67 /// prevents infinite loops by checking that we aren't redirecting a branch to
68 /// a place it already pointed to earlier; see PR 2323.
69 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
70   bool Changed = false;
71   CycleDetector.clear();
72   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ) {
73     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
74       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
75       Changed = true;
76     } else {
77       ++I;
78       CycleDetector.clear();
79     }
80   }
81   return Changed;
82 }
83
84 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
85 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
86 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
87 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
88 /// up to 4 instructions to the new block.
89 ///
90 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
91 /// contents of the block are copied over.
92 ///
93 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
94   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
95   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
96
97   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
98   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
99
100   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
101   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
102   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
103     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
104       return false;                                 // Do not loop infinitely!
105
106   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
107   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
108   // fixed eventually.
109   if (!DTI->use_empty())
110     return false;
111
112   // Do not bother working on dead blocks...
113   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
114   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
115     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
116
117   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
118   // CFG will fold these two blocks together!
119   ++PI;
120   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
121
122   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
123   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
124
125   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
126     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
127     
128     // Don't tail duplicate call instructions.  They are very large compared to
129     // other instructions.
130     if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) return false;
131     
132     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
133     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
134   }
135
136   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
137   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
138   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
139   // cases that have a large number of indirect gotos.
140   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
141   if (NumSuccs > 8) {
142     unsigned TooMany = 128;
143     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
144     TooMany = TooMany/NumSuccs;
145     for (; PI != PE; ++PI)
146       if (TooMany-- == 0) return false;
147   }
148   
149   // If this unconditional branch is a fall-through, be careful about
150   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
151   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
152   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
153   Function::iterator DestI = Dest;
154   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
155     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
156     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
157     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
158     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
159     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
160     // if (a)
161     //   foo();
162     // if (b)
163     //   foo();
164     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
165     
166     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
167     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
168     DestI = Dest;
169     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
170       BasicBlock *DestSucc = DestI;
171       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
172       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
173            SI != SE; ++SI)
174         if (*SI == DestSucc)
175           return false;
176     }
177   }
178
179   // Finally, check that we haven't redirected to this target block earlier;
180   // there are cases where we loop forever if we don't check this (PR 2323).
181   if (!CycleDetector.insert(Dest))
182     return false;
183
184   return true;
185 }
186
187 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
188 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
189 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
190 /// DstBlock, return it.
191 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
192                                           BasicBlock *DstBlock) {
193   // SrcBlock must have a single predecessor.
194   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
195   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
196
197   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
198
199   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
200   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
201   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
202   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
203   if (*PI == SrcBlock) {
204     if (++PI == PE) return 0;
205     DstOtherPred = *PI;
206     if (++PI != PE) return 0;
207   } else {
208     DstOtherPred = *PI;
209     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
210   }
211
212   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
213   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
214   if (DstOtherPred == SrcPred)
215     return SrcPred;
216
217   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
218   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
219   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
220   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
221     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
222     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
223   }
224
225   // Otherwise, this is something we can't handle.
226   return 0;
227 }
228
229
230 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
231 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
232 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
233 /// block, we may need to insert PHI nodes.
234 ///
235 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
236   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
237   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
238   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
239
240   DOUT << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
241        << "]: Eliminating branch: " << *Branch;
242
243   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
244   // blocks.
245   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
246     DOUT << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n";
247
248     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
249     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
250     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
251     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->begin();
252     while (isa<PHINode>(BBI)) ++BBI;
253     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
254       Instruction *I = BBI++;
255
256       bool CanHoist = !I->isTrapping() && !I->mayWriteToMemory();
257       if (CanHoist) {
258         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
259           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
260             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
261                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
262               CanHoist = false;
263               break;
264             }
265         if (CanHoist) {
266           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
267           DestBlock->getInstList().remove(I);
268           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
269           DOUT << "Hoisted: " << *I;
270         }
271       }
272     }
273   }
274
275   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
276   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
277   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
278   // stack.
279   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
280     if (I->isUsedOutsideOfBlock(DestBlock)) {
281       // We found a use outside of the tail.  Create a new stack slot to
282       // break this inter-block usage pattern.
283       DemoteRegToStack(*I);
284     }
285
286   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
287   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
288   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
289   // them to our mapping.
290   //
291   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
292
293   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
294   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
295   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
296     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
297
298   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
299   // keeping track of the mapping...
300   //
301   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
302     Instruction *New = BI->clone();
303     New->setName(BI->getName());
304     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
305     ValueMapping[BI] = New;
306   }
307
308   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
309   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
310   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
311   // instructions.
312   //
313   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
314   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
315     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
316       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
317         BI->setOperand(i, Remapped);
318
319   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
320   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
321   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
322        SI != SE; ++SI) {
323     BasicBlock *Succ = *SI;
324     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
325       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
326       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
327       // DestBlock.
328       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
329
330       // Remap the value if necessary...
331       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
332         IV = MappedIV;
333       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
334     }
335   }
336
337   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
338   // had.
339   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
340   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
341   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
342
343   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
344   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
345   // they may not be needed anymore.
346   //
347   if (HadPHINodes)
348     while (BI != SourceBlock->end())
349       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
350         ++BI;
351
352   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
353 }