lib/Transforms/Utils/LCSSA.cpp

   1 //===-- LCSSA.cpp - Convert loops into loop-closed SSA form ---------------===//
   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 transforms loops by placing phi nodes at the end of the loops for
  11 // all values that are live across the loop boundary.  For example, it turns
  12 // the left into the right code:
  13 //
  14 // for (...)                for (...)
  15 //   if (c)                   if (c)
  16 //     X1 = ...                 X1 = ...
  17 //   else                     else
  18 //     X2 = ...                 X2 = ...
  19 //   X3 = phi(X1, X2)         X3 = phi(X1, X2)
  20 // ... = X3 + 4             X4 = phi(X3)
  21 //                          ... = X4 + 4
  22 //
  23 // This is still valid LLVM; the extra phi nodes are purely redundant, and will
  24 // be trivially eliminated by InstCombine.  The major benefit of this
  25 // transformation is that it makes many other loop optimizations, such as
  26 // LoopUnswitching, simpler.
  27 //
  28 //===----------------------------------------------------------------------===//
  29
  30 #define DEBUG_TYPE "lcssa"
  31 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  32 #include "llvm/Constants.h"
  33 #include "llvm/Pass.h"
  34 #include "llvm/Function.h"
  35 #include "llvm/Instructions.h"
  36 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  37 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  38 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  39 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
  40 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  41 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  42 #include "llvm/Support/PredIteratorCache.h"
  43 using namespace llvm;
  44
  45 STATISTIC(NumLCSSA, "Number of live out of a loop variables");
  46
  47 namespace {
  48   struct LCSSA : public LoopPass {
  49     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  50     LCSSA() : LoopPass(ID) {}
  51
  52     // Cached analysis information for the current function.
  53     DominatorTree *DT;
  54     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
  55     PredIteratorCache PredCache;
  56     Loop *L;
  57
  58     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
  59
  60     /// This transformation requires natural loop information & requires that
  61     /// loop preheaders be inserted into the CFG.  It maintains both of these,
  62     /// as well as the CFG.  It also requires dominator information.
  63     ///
  64     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  65       AU.setPreservesCFG();
  66
  67       AU.addRequired<DominatorTree>();
  68       AU.addPreserved<DominatorTree>();
  69       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
  70       AU.addRequired<LoopInfo>();
  71       AU.addPreserved<LoopInfo>();
  72       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
  73       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
  74     }
  75   private:
  76     bool ProcessInstruction(Instruction *Inst,
  77                             const SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks);
  78
  79     /// verifyAnalysis() - Verify loop nest.
  80     virtual void verifyAnalysis() const {
  81       // Check the special guarantees that LCSSA makes.
  82       assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "LCSSA form not preserved!");
  83     }
  84
  85     /// inLoop - returns true if the given block is within the current loop
  86     bool inLoop(BasicBlock *B) const {
  87       return std::binary_search(LoopBlocks.begin(), LoopBlocks.end(), B);
  88     }
  89   };
  90 }
  91
  92 char LCSSA::ID = 0;
  93 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LCSSA, "lcssa", "Loop-Closed SSA Form Pass", false, false)
  94 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
  95 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominanceFrontier)
  96 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
  97 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
  98 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
  99 INITIALIZE_PASS_END(LCSSA, "lcssa", "Loop-Closed SSA Form Pass", false, false)
 100
 101 Pass *llvm::createLCSSAPass() { return new LCSSA(); }
 102 char &llvm::LCSSAID = LCSSA::ID;
 103
 104
 105 /// BlockDominatesAnExit - Return true if the specified block dominates at least
 106 /// one of the blocks in the specified list.
 107 static bool BlockDominatesAnExit(BasicBlock *BB,
 108                                  const SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks,
 109                                  DominatorTree *DT) {
 110   DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(BB);
 111   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
 112     if (DT->dominates(DomNode, DT->getNode(ExitBlocks[i])))
 113       return true;
 114
 115   return false;
 116 }
 117
 118
 119 /// runOnFunction - Process all loops in the function, inner-most out.
 120 bool LCSSA::runOnLoop(Loop *TheLoop, LPPassManager &LPM) {
 121   L = TheLoop;
 122
 123   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
 124
 125   // Get the set of exiting blocks.
 126   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
 127   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
 128
 129   if (ExitBlocks.empty())
 130     return false;
 131
 132   // Speed up queries by creating a sorted vector of blocks.
 133   LoopBlocks.clear();
 134   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
 135   array_pod_sort(LoopBlocks.begin(), LoopBlocks.end());
 136
 137   // Look at all the instructions in the loop, checking to see if they have uses
 138   // outside the loop.  If so, rewrite those uses.
 139   bool MadeChange = false;
 140
 141   for (Loop::block_iterator BBI = L->block_begin(), E = L->block_end();
 142        BBI != E; ++BBI) {
 143     BasicBlock *BB = *BBI;
 144
 145     // For large loops, avoid use-scanning by using dominance information:  In
 146     // particular, if a block does not dominate any of the loop exits, then none
 147     // of the values defined in the block could be used outside the loop.
 148     if (!BlockDominatesAnExit(BB, ExitBlocks, DT))
 149       continue;
 150
 151     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end();
 152          I != E; ++I) {
 153       // Reject two common cases fast: instructions with no uses (like stores)
 154       // and instructions with one use that is in the same block as this.
 155       if (I->use_empty() ||
 156           (I->hasOneUse() && I->use_back()->getParent() == BB &&
 157            !isa<PHINode>(I->use_back())))
 158         continue;
 159
 160       MadeChange |= ProcessInstruction(I, ExitBlocks);
 161     }
 162   }
 163
 164   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
 165   PredCache.clear();
 166
 167   return MadeChange;
 168 }
 169
 170 /// isExitBlock - Return true if the specified block is in the list.
 171 static bool isExitBlock(BasicBlock *BB,
 172                         const SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks) {
 173   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
 174     if (ExitBlocks[i] == BB)
 175       return true;
 176   return false;
 177 }
 178
 179 /// ProcessInstruction - Given an instruction in the loop, check to see if it
 180 /// has any uses that are outside the current loop.  If so, insert LCSSA PHI
 181 /// nodes and rewrite the uses.
 182 bool LCSSA::ProcessInstruction(Instruction *Inst,
 183                                const SmallVectorImpl<BasicBlock*> &ExitBlocks) {
 184   SmallVector<Use*, 16> UsesToRewrite;
 185
 186   BasicBlock *InstBB = Inst->getParent();
 187
 188   for (Value::use_iterator UI = Inst->use_begin(), E = Inst->use_end();
 189        UI != E; ++UI) {
 190     User *U = *UI;
 191     BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
 192     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U))
 193       UserBB = PN->getIncomingBlock(UI);
 194
 195     if (InstBB != UserBB && !inLoop(UserBB))
 196       UsesToRewrite.push_back(&UI.getUse());
 197   }
 198
 199   // If there are no uses outside the loop, exit with no change.
 200   if (UsesToRewrite.empty()) return false;
 201
 202   ++NumLCSSA; // We are applying the transformation
 203
 204   // Invoke instructions are special in that their result value is not available
 205   // along their unwind edge. The code below tests to see whether DomBB dominates
 206   // the value, so adjust DomBB to the normal destination block, which is
 207   // effectively where the value is first usable.
 208   BasicBlock *DomBB = Inst->getParent();
 209   if (InvokeInst *Inv = dyn_cast<InvokeInst>(Inst))
 210     DomBB = Inv->getNormalDest();
 211
 212   DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(DomBB);
 213
 214   SSAUpdater SSAUpdate;
 215   SSAUpdate.Initialize(Inst->getType(), Inst->getName());
 216
 217   // Insert the LCSSA phi's into all of the exit blocks dominated by the
 218   // value, and add them to the Phi's map.
 219   for (SmallVectorImpl<BasicBlock*>::const_iterator BBI = ExitBlocks.begin(),
 220       BBE = ExitBlocks.end(); BBI != BBE; ++BBI) {
 221     BasicBlock *ExitBB = *BBI;
 222     if (!DT->dominates(DomNode, DT->getNode(ExitBB))) continue;
 223
 224     // If we already inserted something for this BB, don't reprocess it.
 225     if (SSAUpdate.HasValueForBlock(ExitBB)) continue;
 226
 227     PHINode *PN = PHINode::Create(Inst->getType(), Inst->getName()+".lcssa",
 228                                   ExitBB->begin());
 229     PN->reserveOperandSpace(PredCache.GetNumPreds(ExitBB));
 230
 231     // Add inputs from inside the loop for this PHI.
 232     for (BasicBlock **PI = PredCache.GetPreds(ExitBB); *PI; ++PI) {
 233       PN->addIncoming(Inst, *PI);
 234
 235       // If the exit block has a predecessor not within the loop, arrange for
 236       // the incoming value use corresponding to that predecessor to be
 237       // rewritten in terms of a different LCSSA PHI.
 238       if (!inLoop(*PI))
 239         UsesToRewrite.push_back(
 240           &PN->getOperandUse(
 241             PN->getOperandNumForIncomingValue(PN->getNumIncomingValues()-1)));
 242     }
 243
 244     // Remember that this phi makes the value alive in this block.
 245     SSAUpdate.AddAvailableValue(ExitBB, PN);
 246   }
 247
 248   // Rewrite all uses outside the loop in terms of the new PHIs we just
 249   // inserted.
 250   for (unsigned i = 0, e = UsesToRewrite.size(); i != e; ++i) {
 251     // If this use is in an exit block, rewrite to use the newly inserted PHI.
 252     // This is required for correctness because SSAUpdate doesn't handle uses in
 253     // the same block.  It assumes the PHI we inserted is at the end of the
 254     // block.
 255     Instruction *User = cast<Instruction>(UsesToRewrite[i]->getUser());
 256     BasicBlock *UserBB = User->getParent();
 257     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User))
 258       UserBB = PN->getIncomingBlock(*UsesToRewrite[i]);
 259
 260     if (isa<PHINode>(UserBB->begin()) &&
 261         isExitBlock(UserBB, ExitBlocks)) {
 262       UsesToRewrite[i]->set(UserBB->begin());
 263       continue;
 264     }
 265
 266     // Otherwise, do full PHI insertion.
 267     SSAUpdate.RewriteUse(*UsesToRewrite[i]);
 268   }
 269
 270   return true;
 271 }
 272