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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  33 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  34 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
  35 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  36 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  37 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
  38 #include "llvm/IR/Constants.h"
  39 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  40 #include "llvm/IR/Function.h"
  41 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  42 #include "llvm/IR/PredIteratorCache.h"
  43 #include "llvm/Pass.h"
  44 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
  45 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
  46 using namespace llvm;
  47
  48 #define DEBUG_TYPE "lcssa"
  49
  50 STATISTIC(NumLCSSA, "Number of live out of a loop variables");
  51
  52 /// Return true if the specified block is in the list.
  53 static bool isExitBlock(BasicBlock *BB,
  54                         const SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) {
  55   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
  56     if (ExitBlocks[i] == BB)
  57       return true;
  58   return false;
  59 }
  60
  61 /// Given an instruction in the loop, check to see if it has any uses that are
  62 /// outside the current loop.  If so, insert LCSSA PHI nodes and rewrite the
  63 /// uses.
  64 static bool processInstruction(Loop &L, Instruction &Inst, DominatorTree &DT,
  65                                const SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks,
  66                                PredIteratorCache &PredCache, LoopInfo *LI) {
  67   SmallVector<Use *, 16> UsesToRewrite;
  68
  69   BasicBlock *InstBB = Inst.getParent();
  70
  71   for (Use &U : Inst.uses()) {
  72     Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
  73     BasicBlock *UserBB = User->getParent();
  74     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User))
  75       UserBB = PN->getIncomingBlock(U);
  76
  77     if (InstBB != UserBB && !L.contains(UserBB))
  78       UsesToRewrite.push_back(&U);
  79   }
  80
  81   // If there are no uses outside the loop, exit with no change.
  82   if (UsesToRewrite.empty())
  83     return false;
  84
  85   ++NumLCSSA; // We are applying the transformation
  86
  87   // Invoke instructions are special in that their result value is not available
  88   // along their unwind edge. The code below tests to see whether DomBB
  89   // dominates the value, so adjust DomBB to the normal destination block,
  90   // which is effectively where the value is first usable.
  91   BasicBlock *DomBB = Inst.getParent();
  92   if (InvokeInst *Inv = dyn_cast<InvokeInst>(&Inst))
  93     DomBB = Inv->getNormalDest();
  94
  95   DomTreeNode *DomNode = DT.getNode(DomBB);
  96
  97   SmallVector<PHINode *, 16> AddedPHIs;
  98   SmallVector<PHINode *, 8> PostProcessPHIs;
  99
 100   SSAUpdater SSAUpdate;
 101   SSAUpdate.Initialize(Inst.getType(), Inst.getName());
 102
 103   // Insert the LCSSA phi's into all of the exit blocks dominated by the
 104   // value, and add them to the Phi's map.
 105   for (BasicBlock *ExitBB : ExitBlocks) {
 106     if (!DT.dominates(DomNode, DT.getNode(ExitBB)))
 107       continue;
 108
 109     // If we already inserted something for this BB, don't reprocess it.
 110     if (SSAUpdate.HasValueForBlock(ExitBB))
 111       continue;
 112
 113     PHINode *PN = PHINode::Create(Inst.getType(), PredCache.size(ExitBB),
 114                                   Inst.getName() + ".lcssa", &ExitBB->front());
 115
 116     // Add inputs from inside the loop for this PHI.
 117     for (BasicBlock *Pred : PredCache.get(ExitBB)) {
 118       PN->addIncoming(&Inst, Pred);
 119
 120       // If the exit block has a predecessor not within the loop, arrange for
 121       // the incoming value use corresponding to that predecessor to be
 122       // rewritten in terms of a different LCSSA PHI.
 123       if (!L.contains(Pred))
 124         UsesToRewrite.push_back(
 125             &PN->getOperandUse(PN->getOperandNumForIncomingValue(
 126                  PN->getNumIncomingValues() - 1)));
 127     }
 128
 129     AddedPHIs.push_back(PN);
 130
 131     // Remember that this phi makes the value alive in this block.
 132     SSAUpdate.AddAvailableValue(ExitBB, PN);
 133
 134     // LoopSimplify might fail to simplify some loops (e.g. when indirect
 135     // branches are involved). In such situations, it might happen that an exit
 136     // for Loop L1 is the header of a disjoint Loop L2. Thus, when we create
 137     // PHIs in such an exit block, we are also inserting PHIs into L2's header.
 138     // This could break LCSSA form for L2 because these inserted PHIs can also
 139     // have uses outside of L2. Remember all PHIs in such situation as to
 140     // revisit than later on. FIXME: Remove this if indirectbr support into
 141     // LoopSimplify gets improved.
 142     if (auto *OtherLoop = LI->getLoopFor(ExitBB))
 143       if (!L.contains(OtherLoop))
 144         PostProcessPHIs.push_back(PN);
 145   }
 146
 147   // Rewrite all uses outside the loop in terms of the new PHIs we just
 148   // inserted.
 149   for (Use *UseToRewrite : UsesToRewrite) {
 150     // If this use is in an exit block, rewrite to use the newly inserted PHI.
 151     // This is required for correctness because SSAUpdate doesn't handle uses in
 152     // the same block.  It assumes the PHI we inserted is at the end of the
 153     // block.
 154     Instruction *User = cast<Instruction>(UseToRewrite->getUser());
 155     BasicBlock *UserBB = User->getParent();
 156     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User))
 157       UserBB = PN->getIncomingBlock(*UseToRewrite);
 158
 159     if (isa<PHINode>(UserBB->begin()) && isExitBlock(UserBB, ExitBlocks)) {
 160       // Tell the VHs that the uses changed. This updates SCEV's caches.
 161       if (UseToRewrite->get()->hasValueHandle())
 162         ValueHandleBase::ValueIsRAUWd(*UseToRewrite, &UserBB->front());
 163       UseToRewrite->set(&UserBB->front());
 164       continue;
 165     }
 166
 167     // Otherwise, do full PHI insertion.
 168     SSAUpdate.RewriteUse(*UseToRewrite);
 169   }
 170
 171   // Post process PHI instructions that were inserted into another disjoint loop
 172   // and update their exits properly.
 173   for (auto *I : PostProcessPHIs) {
 174     if (I->use_empty())
 175       continue;
 176
 177     BasicBlock *PHIBB = I->getParent();
 178     Loop *OtherLoop = LI->getLoopFor(PHIBB);
 179     SmallVector<BasicBlock *, 8> EBs;
 180     OtherLoop->getExitBlocks(EBs);
 181     if (EBs.empty())
 182       continue;
 183
 184     // Recurse and re-process each PHI instruction. FIXME: we should really
 185     // convert this entire thing to a worklist approach where we process a
 186     // vector of instructions...
 187     processInstruction(*OtherLoop, *I, DT, EBs, PredCache, LI);
 188   }
 189
 190   // Remove PHI nodes that did not have any uses rewritten.
 191   for (PHINode *PN : AddedPHIs)
 192     if (PN->use_empty())
 193       PN->eraseFromParent();
 194
 195   return true;
 196 }
 197
 198 /// Return true if the specified block dominates at least
 199 /// one of the blocks in the specified list.
 200 static bool
 201 blockDominatesAnExit(BasicBlock *BB,
 202                      DominatorTree &DT,
 203                      const SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) {
 204   DomTreeNode *DomNode = DT.getNode(BB);
 205   for (BasicBlock *ExitBB : ExitBlocks)
 206     if (DT.dominates(DomNode, DT.getNode(ExitBB)))
 207       return true;
 208
 209   return false;
 210 }
 211
 212 bool llvm::formLCSSA(Loop &L, DominatorTree &DT, LoopInfo *LI,
 213                      ScalarEvolution *SE) {
 214   bool Changed = false;
 215
 216   // Get the set of exiting blocks.
 217   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
 218   L.getExitBlocks(ExitBlocks);
 219
 220   if (ExitBlocks.empty())
 221     return false;
 222
 223   PredIteratorCache PredCache;
 224
 225   // Look at all the instructions in the loop, checking to see if they have uses
 226   // outside the loop.  If so, rewrite those uses.
 227   for (BasicBlock *BB : L.blocks()) {
 228     // For large loops, avoid use-scanning by using dominance information:  In
 229     // particular, if a block does not dominate any of the loop exits, then none
 230     // of the values defined in the block could be used outside the loop.
 231     if (!blockDominatesAnExit(BB, DT, ExitBlocks))
 232       continue;
 233
 234     for (Instruction &I : *BB) {
 235       // Reject two common cases fast: instructions with no uses (like stores)
 236       // and instructions with one use that is in the same block as this.
 237       if (I.use_empty() ||
 238           (I.hasOneUse() && I.user_back()->getParent() == BB &&
 239            !isa<PHINode>(I.user_back())))
 240         continue;
 241
 242       Changed |= processInstruction(L, I, DT, ExitBlocks, PredCache, LI);
 243     }
 244   }
 245
 246   // If we modified the code, remove any caches about the loop from SCEV to
 247   // avoid dangling entries.
 248   // FIXME: This is a big hammer, can we clear the cache more selectively?
 249   if (SE && Changed)
 250     SE->forgetLoop(&L);
 251
 252   assert(L.isLCSSAForm(DT));
 253
 254   return Changed;
 255 }
 256
 257 /// Process a loop nest depth first.
 258 bool llvm::formLCSSARecursively(Loop &L, DominatorTree &DT, LoopInfo *LI,
 259                                 ScalarEvolution *SE) {
 260   bool Changed = false;
 261
 262   // Recurse depth-first through inner loops.
 263   for (Loop *SubLoop : L.getSubLoops())
 264     Changed |= formLCSSARecursively(*SubLoop, DT, LI, SE);
 265
 266   Changed |= formLCSSA(L, DT, LI, SE);
 267   return Changed;
 268 }
 269
 270 namespace {
 271 struct LCSSA : public FunctionPass {
 272   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 273   LCSSA() : FunctionPass(ID) {
 274     initializeLCSSAPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 275   }
 276
 277   // Cached analysis information for the current function.
 278   DominatorTree *DT;
 279   LoopInfo *LI;
 280   ScalarEvolution *SE;
 281
 282   bool runOnFunction(Function &F) override;
 283
 284   /// This transformation requires natural loop information & requires that
 285   /// loop preheaders be inserted into the CFG.  It maintains both of these,
 286   /// as well as the CFG.  It also requires dominator information.
 287   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 288     AU.setPreservesCFG();
 289
 290     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
 291     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
 292     AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
 293     AU.addPreserved<AAResultsWrapperPass>();
 294     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
 295     AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
 296     AU.addPreserved<SCEVAAWrapperPass>();
 297   }
 298 };
 299 }
 300
 301 char LCSSA::ID = 0;
 302 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LCSSA, "lcssa", "Loop-Closed SSA Form Pass", false, false)
 303 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
 304 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 305 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(GlobalsAAWrapperPass)
 306 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(SCEVAAWrapperPass)
 307 INITIALIZE_PASS_END(LCSSA, "lcssa", "Loop-Closed SSA Form Pass", false, false)
 308
 309 Pass *llvm::createLCSSAPass() { return new LCSSA(); }
 310 char &llvm::LCSSAID = LCSSA::ID;
 311
 312
 313 /// Process all loops in the function, inner-most out.
 314 bool LCSSA::runOnFunction(Function &F) {
 315   bool Changed = false;
 316   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 317   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
 318   auto *SEWP = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolutionWrapperPass>();
 319   SE = SEWP ? &SEWP->getSE() : nullptr;
 320
 321   // Simplify each loop nest in the function.
 322   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
 323     Changed |= formLCSSARecursively(**I, *DT, LI, SE);
 324
 325   return Changed;
 326 }
 327