2decaa18799a8a11769fa1495dd76eee3a2b9b3c
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopSimplify.cpp - Loop Canonicalization Pass ----------------------===//
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 several transformations to transform natural loops into a
11 // simpler form, which makes subsequent analyses and transformations simpler and
12 // more effective.
13 //
14 // Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical
15 // entry edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a
16 // number of analyses and transformations, such as LICM.
17 //
18 // Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop
19 // (blocks which are outside of the loop that have predecessors inside of the
20 // loop) only have predecessors from inside of the loop (and are thus dominated
21 // by the loop header).  This simplifies transformations such as store-sinking
22 // that are built into LICM.
23 //
24 // This pass also guarantees that loops will have exactly one backedge.
25 //
26 // Indirectbr instructions introduce several complications. If the loop
27 // contains or is entered by an indirectbr instruction, it may not be possible
28 // to transform the loop and make these guarantees. Client code should check
29 // that these conditions are true before relying on them.
30 //
31 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
32 // end up being unnecessary, so usage of this pass should not pessimize
33 // generated code.
34 //
35 // This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
36 // dominator information.
37 //
38 //===----------------------------------------------------------------------===//
39
40 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
41 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
42 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
43 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
47 #include "llvm/Analysis/DependenceAnalysis.h"
48 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
49 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
50 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
51 #include "llvm/IR/CFG.h"
52 #include "llvm/IR/Constants.h"
53 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
54 #include "llvm/IR/Dominators.h"
55 #include "llvm/IR/Function.h"
56 #include "llvm/IR/Instructions.h"
57 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
58 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
59 #include "llvm/IR/Type.h"
60 #include "llvm/Support/Debug.h"
61 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
62 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
63 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
64 using namespace llvm;
65
66 #define DEBUG_TYPE "loop-simplify"
67
68 STATISTIC(NumInserted, "Number of pre-header or exit blocks inserted");
69 STATISTIC(NumNested  , "Number of nested loops split out");
70
71 // If the block isn't already, move the new block to right after some 'outside
72 // block' block.  This prevents the preheader from being placed inside the loop
73 // body, e.g. when the loop hasn't been rotated.
74 static void placeSplitBlockCarefully(BasicBlock *NewBB,
75                                      SmallVectorImpl<BasicBlock *> &SplitPreds,
76                                      Loop *L) {
77   // Check to see if NewBB is already well placed.
78   Function::iterator BBI = NewBB; --BBI;
79   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
80     if (&*BBI == SplitPreds[i])
81       return;
82   }
83
84   // If it isn't already after an outside block, move it after one.  This is
85   // always good as it makes the uncond branch from the outside block into a
86   // fall-through.
87
88   // Figure out *which* outside block to put this after.  Prefer an outside
89   // block that neighbors a BB actually in the loop.
90   BasicBlock *FoundBB = nullptr;
91   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
92     Function::iterator BBI = SplitPreds[i];
93     if (++BBI != NewBB->getParent()->end() &&
94         L->contains(BBI)) {
95       FoundBB = SplitPreds[i];
96       break;
97     }
98   }
99
100   // If our heuristic for a *good* bb to place this after doesn't find
101   // anything, just pick something.  It's likely better than leaving it within
102   // the loop.
103   if (!FoundBB)
104     FoundBB = SplitPreds[0];
105   NewBB->moveAfter(FoundBB);
106 }
107
108 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
109 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
110 /// preheader insertion and analysis updating.
111 ///
112 BasicBlock *llvm::InsertPreheaderForLoop(Loop *L, Pass *PP) {
113   BasicBlock *Header = L->getHeader();
114
115   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
116   SmallVector<BasicBlock*, 8> OutsideBlocks;
117   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
118        PI != PE; ++PI) {
119     BasicBlock *P = *PI;
120     if (!L->contains(P)) {         // Coming in from outside the loop?
121       // If the loop is branched to from an indirect branch, we won't
122       // be able to fully transform the loop, because it prohibits
123       // edge splitting.
124       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
125
126       // Keep track of it.
127       OutsideBlocks.push_back(P);
128     }
129   }
130
131   // Split out the loop pre-header.
132   BasicBlock *PreheaderBB;
133   if (!Header->isLandingPad()) {
134     PreheaderBB = SplitBlockPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader",
135                                          PP);
136   } else {
137     SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
138     SplitLandingPadPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader",
139                                 ".split-lp", PP, NewBBs);
140     PreheaderBB = NewBBs[0];
141   }
142
143   PreheaderBB->getTerminator()->setDebugLoc(
144                                       Header->getFirstNonPHI()->getDebugLoc());
145   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating pre-header "
146                << PreheaderBB->getName() << "\n");
147
148   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
149   // code layout too horribly.
150   placeSplitBlockCarefully(PreheaderBB, OutsideBlocks, L);
151
152   return PreheaderBB;
153 }
154
155 /// \brief Ensure that the loop preheader dominates all exit blocks.
156 ///
157 /// This method is used to split exit blocks that have predecessors outside of
158 /// the loop.
159 static BasicBlock *rewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit, Pass *PP) {
160   SmallVector<BasicBlock*, 8> LoopBlocks;
161   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I) {
162     BasicBlock *P = *I;
163     if (L->contains(P)) {
164       // Don't do this if the loop is exited via an indirect branch.
165       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
166
167       LoopBlocks.push_back(P);
168     }
169   }
170
171   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
172   BasicBlock *NewExitBB = nullptr;
173
174   if (Exit->isLandingPad()) {
175     SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
176     SplitLandingPadPredecessors(Exit, LoopBlocks,
177                                 ".loopexit", ".nonloopexit",
178                                 PP, NewBBs);
179     NewExitBB = NewBBs[0];
180   } else {
181     NewExitBB = SplitBlockPredecessors(Exit, LoopBlocks, ".loopexit", PP);
182   }
183
184   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating dedicated exit block "
185                << NewExitBB->getName() << "\n");
186   return NewExitBB;
187 }
188
189 /// Add the specified block, and all of its predecessors, to the specified set,
190 /// if it's not already in there.  Stop predecessor traversal when we reach
191 /// StopBlock.
192 static void addBlockAndPredsToSet(BasicBlock *InputBB, BasicBlock *StopBlock,
193                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
194   SmallVector<BasicBlock *, 8> Worklist;
195   Worklist.push_back(InputBB);
196   do {
197     BasicBlock *BB = Worklist.pop_back_val();
198     if (Blocks.insert(BB).second && BB != StopBlock)
199       // If BB is not already processed and it is not a stop block then
200       // insert its predecessor in the work list
201       for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I) {
202         BasicBlock *WBB = *I;
203         Worklist.push_back(WBB);
204       }
205   } while (!Worklist.empty());
206 }
207
208 /// \brief The first part of loop-nestification is to find a PHI node that tells
209 /// us how to partition the loops.
210 static PHINode *findPHIToPartitionLoops(Loop *L, AliasAnalysis *AA,
211                                         DominatorTree *DT) {
212   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
213     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
214     ++I;
215     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, nullptr, nullptr, DT)) {
216       // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
217       PN->replaceAllUsesWith(V);
218       if (AA) AA->deleteValue(PN);
219       PN->eraseFromParent();
220       continue;
221     }
222
223     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
224     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
225       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
226           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
227         // We found something tasty to remove.
228         return PN;
229   }
230   return nullptr;
231 }
232
233 /// \brief If this loop has multiple backedges, try to pull one of them out into
234 /// a nested loop.
235 ///
236 /// This is important for code that looks like
237 /// this:
238 ///
239 ///  Loop:
240 ///     ...
241 ///     br cond, Loop, Next
242 ///     ...
243 ///     br cond2, Loop, Out
244 ///
245 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
246 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
247 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
248 ///
249 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
250 /// created.
251 ///
252 static Loop *separateNestedLoop(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
253                                 AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT,
254                                 LoopInfo *LI, ScalarEvolution *SE, Pass *PP) {
255   // Don't try to separate loops without a preheader.
256   if (!Preheader)
257     return nullptr;
258
259   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
260   assert(!L->getHeader()->isLandingPad() &&
261          "Can't insert backedge to landing pad");
262
263   PHINode *PN = findPHIToPartitionLoops(L, AA, DT);
264   if (!PN) return nullptr;  // No known way to partition.
265
266   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
267   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
268   // arguments.
269   SmallVector<BasicBlock*, 8> OuterLoopPreds;
270   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
271     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
272         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i))) {
273       // We can't split indirectbr edges.
274       if (isa<IndirectBrInst>(PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()))
275         return nullptr;
276       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
277     }
278   }
279   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Splitting out a new outer loop\n");
280
281   // If ScalarEvolution is around and knows anything about values in
282   // this loop, tell it to forget them, because we're about to
283   // substantially change it.
284   if (SE)
285     SE->forgetLoop(L);
286
287   BasicBlock *Header = L->getHeader();
288   BasicBlock *NewBB =
289     SplitBlockPredecessors(Header, OuterLoopPreds,  ".outer", PP);
290
291   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
292   // code layout too horribly.
293   placeSplitBlockCarefully(NewBB, OuterLoopPreds, L);
294
295   // Create the new outer loop.
296   Loop *NewOuter = new Loop();
297
298   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
299   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
300     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
301   else
302     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
303
304   // L is now a subloop of our outer loop.
305   NewOuter->addChildLoop(L);
306
307   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
308        I != E; ++I)
309     NewOuter->addBlockEntry(*I);
310
311   // Now reset the header in L, which had been moved by
312   // SplitBlockPredecessors for the outer loop.
313   L->moveToHeader(Header);
314
315   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
316   // the Outer loop now.
317   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
318   for (pred_iterator PI=pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI) {
319     BasicBlock *P = *PI;
320     if (DT->dominates(Header, P))
321       addBlockAndPredsToSet(P, Header, BlocksInL);
322   }
323
324   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
325   // not part of the inner loop.
326   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
327   for (size_t I = 0; I != SubLoops.size(); )
328     if (BlocksInL.count(SubLoops[I]->getHeader()))
329       ++I;   // Loop remains in L
330     else
331       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(SubLoops.begin() + I));
332
333   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
334   // OuterLoop, move any blocks that need it.
335   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
336     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
337     if (!BlocksInL.count(BB)) {
338       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
339       L->removeBlockFromLoop(BB);
340       if ((*LI)[BB] == L)
341         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
342       --i;
343     }
344   }
345
346   return NewOuter;
347 }
348
349 /// \brief This method is called when the specified loop has more than one
350 /// backedge in it.
351 ///
352 /// If this occurs, revector all of these backedges to target a new basic block
353 /// and have that block branch to the loop header.  This ensures that loops
354 /// have exactly one backedge.
355 static BasicBlock *insertUniqueBackedgeBlock(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
356                                              AliasAnalysis *AA,
357                                              DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
358   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
359
360   // Get information about the loop
361   BasicBlock *Header = L->getHeader();
362   Function *F = Header->getParent();
363
364   // Unique backedge insertion currently depends on having a preheader.
365   if (!Preheader)
366     return nullptr;
367
368   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
369   assert(!Header->isLandingPad() && "Can't insert backedge to landing pad");
370
371   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
372   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
373   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I){
374     BasicBlock *P = *I;
375
376     // Indirectbr edges cannot be split, so we must fail if we find one.
377     if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator()))
378       return nullptr;
379
380     if (P != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(P);
381   }
382
383   // Create and insert the new backedge block...
384   BasicBlock *BEBlock = BasicBlock::Create(Header->getContext(),
385                                            Header->getName()+".backedge", F);
386   BranchInst *BETerminator = BranchInst::Create(Header, BEBlock);
387
388   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Inserting unique backedge block "
389                << BEBlock->getName() << "\n");
390
391   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
392   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
393   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
394
395   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
396   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
397   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
398     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
399     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), BackedgeBlocks.size(),
400                                      PN->getName()+".be", BETerminator);
401     if (AA) AA->copyValue(PN, NewPN);
402
403     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
404     // preheader over to the new PHI node.
405     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
406     bool HasUniqueIncomingValue = true;
407     Value *UniqueValue = nullptr;
408     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
409       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
410       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
411       if (IBB == Preheader) {
412         PreheaderIdx = i;
413       } else {
414         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
415         if (HasUniqueIncomingValue) {
416           if (!UniqueValue)
417             UniqueValue = IV;
418           else if (UniqueValue != IV)
419             HasUniqueIncomingValue = false;
420         }
421       }
422     }
423
424     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
425     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
426     if (PreheaderIdx != 0) {
427       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
428       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
429     }
430     // Nuke all entries except the zero'th.
431     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
432       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
433
434     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
435     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
436
437     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
438     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
439     // eliminate the PHI Node.
440     if (HasUniqueIncomingValue) {
441       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
442       if (AA) AA->deleteValue(NewPN);
443       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
444     }
445   }
446
447   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
448   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
449   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
450     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
451     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
452       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
453         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
454   }
455
456   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
457
458   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
459   // loop and all parent loops.
460   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, LI->getBase());
461
462   // Update dominator information
463   DT->splitBlock(BEBlock);
464
465   return BEBlock;
466 }
467
468 /// \brief Simplify one loop and queue further loops for simplification.
469 ///
470 /// FIXME: Currently this accepts both lots of analyses that it uses and a raw
471 /// Pass pointer. The Pass pointer is used by numerous utilities to update
472 /// specific analyses. Rather than a pass it would be much cleaner and more
473 /// explicit if they accepted the analysis directly and then updated it.
474 static bool simplifyOneLoop(Loop *L, SmallVectorImpl<Loop *> &Worklist,
475                             AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
476                             ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
477                             const DataLayout *DL) {
478   bool Changed = false;
479 ReprocessLoop:
480
481   // Check to see that no blocks (other than the header) in this loop have
482   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
483   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
484   // unreachable we can just shamelessly delete those CFG edges!
485   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
486        BB != E; ++BB) {
487     if (*BB == L->getHeader()) continue;
488
489     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> BadPreds;
490     for (pred_iterator PI = pred_begin(*BB),
491          PE = pred_end(*BB); PI != PE; ++PI) {
492       BasicBlock *P = *PI;
493       if (!L->contains(P))
494         BadPreds.insert(P);
495     }
496
497     // Delete each unique out-of-loop (and thus dead) predecessor.
498     for (BasicBlock *P : BadPreds) {
499
500       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Deleting edge from dead predecessor "
501                    << P->getName() << "\n");
502
503       // Inform each successor of each dead pred.
504       for (succ_iterator SI = succ_begin(P), SE = succ_end(P); SI != SE; ++SI)
505         (*SI)->removePredecessor(P);
506       // Zap the dead pred's terminator and replace it with unreachable.
507       TerminatorInst *TI = P->getTerminator();
508        TI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(TI->getType()));
509       P->getTerminator()->eraseFromParent();
510       new UnreachableInst(P->getContext(), P);
511       Changed = true;
512     }
513   }
514
515   // If there are exiting blocks with branches on undef, resolve the undef in
516   // the direction which will exit the loop. This will help simplify loop
517   // trip count computations.
518   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
519   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
520   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = ExitingBlocks.begin(),
521        E = ExitingBlocks.end(); I != E; ++I)
522     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>((*I)->getTerminator()))
523       if (BI->isConditional()) {
524         if (UndefValue *Cond = dyn_cast<UndefValue>(BI->getCondition())) {
525
526           DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Resolving \"br i1 undef\" to exit in "
527                        << (*I)->getName() << "\n");
528
529           BI->setCondition(ConstantInt::get(Cond->getType(),
530                                             !L->contains(BI->getSuccessor(0))));
531
532           // This may make the loop analyzable, force SCEV recomputation.
533           if (SE)
534             SE->forgetLoop(L);
535
536           Changed = true;
537         }
538       }
539
540   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
541   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
542   if (!Preheader) {
543     Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, PP);
544     if (Preheader) {
545       ++NumInserted;
546       Changed = true;
547     }
548   }
549
550   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
551   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
552   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
553   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
554   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
555   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
556
557   SmallSetVector<BasicBlock *, 8> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(),
558                                                ExitBlocks.end());
559   for (SmallSetVector<BasicBlock *, 8>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
560          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
561     BasicBlock *ExitBlock = *I;
562     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
563          PI != PE; ++PI)
564       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
565       // allowed.
566       if (!L->contains(*PI)) {
567         if (rewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock, PP)) {
568           ++NumInserted;
569           Changed = true;
570         }
571         break;
572       }
573   }
574
575   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
576   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
577   BasicBlock *LoopLatch = L->getLoopLatch();
578   if (!LoopLatch) {
579     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
580     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
581     // common backedge instead.
582     if (L->getNumBackEdges() < 8) {
583       if (Loop *OuterL = separateNestedLoop(L, Preheader, AA, DT, LI, SE, PP)) {
584         ++NumNested;
585         // Enqueue the outer loop as it should be processed next in our
586         // depth-first nest walk.
587         Worklist.push_back(OuterL);
588
589         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
590         Changed = true;
591         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
592         // FIXME: It isn't clear we can't rely on LLVM to TRE this.
593         goto ReprocessLoop;
594       }
595     }
596
597     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
598     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
599     // loop header.
600     LoopLatch = insertUniqueBackedgeBlock(L, Preheader, AA, DT, LI);
601     if (LoopLatch) {
602       ++NumInserted;
603       Changed = true;
604     }
605   }
606
607   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
608   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
609   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
610   PHINode *PN;
611   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
612        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
613     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, nullptr, nullptr, DT)) {
614       if (AA) AA->deleteValue(PN);
615       if (SE) SE->forgetValue(PN);
616       PN->replaceAllUsesWith(V);
617       PN->eraseFromParent();
618     }
619
620   // If this loop has multiple exits and the exits all go to the same
621   // block, attempt to merge the exits. This helps several passes, such
622   // as LoopRotation, which do not support loops with multiple exits.
623   // SimplifyCFG also does this (and this code uses the same utility
624   // function), however this code is loop-aware, where SimplifyCFG is
625   // not. That gives it the advantage of being able to hoist
626   // loop-invariant instructions out of the way to open up more
627   // opportunities, and the disadvantage of having the responsibility
628   // to preserve dominator information.
629   bool UniqueExit = true;
630   if (!ExitBlocks.empty())
631     for (unsigned i = 1, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
632       if (ExitBlocks[i] != ExitBlocks[0]) {
633         UniqueExit = false;
634         break;
635       }
636   if (UniqueExit) {
637     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
638       BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
639       if (!ExitingBlock->getSinglePredecessor()) continue;
640       BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
641       if (!BI || !BI->isConditional()) continue;
642       CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(BI->getCondition());
643       if (!CI || CI->getParent() != ExitingBlock) continue;
644
645       // Attempt to hoist out all instructions except for the
646       // comparison and the branch.
647       bool AllInvariant = true;
648       bool AnyInvariant = false;
649       for (BasicBlock::iterator I = ExitingBlock->begin(); &*I != BI; ) {
650         Instruction *Inst = I++;
651         // Skip debug info intrinsics.
652         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
653           continue;
654         if (Inst == CI)
655           continue;
656         if (!L->makeLoopInvariant(Inst, AnyInvariant,
657                                   Preheader ? Preheader->getTerminator()
658                                             : nullptr)) {
659           AllInvariant = false;
660           break;
661         }
662       }
663       if (AnyInvariant) {
664         Changed = true;
665         // The loop disposition of all SCEV expressions that depend on any
666         // hoisted values have also changed.
667         if (SE)
668           SE->forgetLoopDispositions(L);
669       }
670       if (!AllInvariant) continue;
671
672       // The block has now been cleared of all instructions except for
673       // a comparison and a conditional branch. SimplifyCFG may be able
674       // to fold it now.
675       if (!FoldBranchToCommonDest(BI, DL)) continue;
676
677       // Success. The block is now dead, so remove it from the loop,
678       // update the dominator tree and delete it.
679       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Eliminating exiting block "
680                    << ExitingBlock->getName() << "\n");
681
682       // Notify ScalarEvolution before deleting this block. Currently assume the
683       // parent loop doesn't change (spliting edges doesn't count). If blocks,
684       // CFG edges, or other values in the parent loop change, then we need call
685       // to forgetLoop() for the parent instead.
686       if (SE)
687         SE->forgetLoop(L);
688
689       assert(pred_begin(ExitingBlock) == pred_end(ExitingBlock));
690       Changed = true;
691       LI->removeBlock(ExitingBlock);
692
693       DomTreeNode *Node = DT->getNode(ExitingBlock);
694       const std::vector<DomTreeNodeBase<BasicBlock> *> &Children =
695         Node->getChildren();
696       while (!Children.empty()) {
697         DomTreeNode *Child = Children.front();
698         DT->changeImmediateDominator(Child, Node->getIDom());
699       }
700       DT->eraseNode(ExitingBlock);
701
702       BI->getSuccessor(0)->removePredecessor(ExitingBlock);
703       BI->getSuccessor(1)->removePredecessor(ExitingBlock);
704       ExitingBlock->eraseFromParent();
705     }
706   }
707
708   return Changed;
709 }
710
711 bool llvm::simplifyLoop(Loop *L, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *PP,
712                         AliasAnalysis *AA, ScalarEvolution *SE,
713                         const DataLayout *DL) {
714   bool Changed = false;
715
716   // Worklist maintains our depth-first queue of loops in this nest to process.
717   SmallVector<Loop *, 4> Worklist;
718   Worklist.push_back(L);
719
720   // Walk the worklist from front to back, pushing newly found sub loops onto
721   // the back. This will let us process loops from back to front in depth-first
722   // order. We can use this simple process because loops form a tree.
723   for (unsigned Idx = 0; Idx != Worklist.size(); ++Idx) {
724     Loop *L2 = Worklist[Idx];
725     for (Loop::iterator I = L2->begin(), E = L2->end(); I != E; ++I)
726       Worklist.push_back(*I);
727   }
728
729   while (!Worklist.empty())
730     Changed |= simplifyOneLoop(Worklist.pop_back_val(), Worklist, AA, DT, LI,
731                                SE, PP, DL);
732
733   return Changed;
734 }
735
736 namespace {
737   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
738     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
739     LoopSimplify() : FunctionPass(ID) {
740       initializeLoopSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
741     }
742
743     // AA - If we have an alias analysis object to update, this is it, otherwise
744     // this is null.
745     AliasAnalysis *AA;
746     DominatorTree *DT;
747     LoopInfo *LI;
748     ScalarEvolution *SE;
749     const DataLayout *DL;
750
751     bool runOnFunction(Function &F) override;
752
753     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
754       // We need loop information to identify the loops...
755       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
756       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
757
758       AU.addRequired<LoopInfo>();
759       AU.addPreserved<LoopInfo>();
760
761       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
762       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
763       AU.addPreserved<DependenceAnalysis>();
764       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
765     }
766
767     /// verifyAnalysis() - Verify LoopSimplifyForm's guarantees.
768     void verifyAnalysis() const override;
769   };
770 }
771
772 char LoopSimplify::ID = 0;
773 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopSimplify, "loop-simplify",
774                 "Canonicalize natural loops", true, false)
775 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
776 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
777 INITIALIZE_PASS_END(LoopSimplify, "loop-simplify",
778                 "Canonicalize natural loops", true, false)
779
780 // Publicly exposed interface to pass...
781 char &llvm::LoopSimplifyID = LoopSimplify::ID;
782 Pass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
783
784 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
785 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
786 ///
787 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
788   bool Changed = false;
789   AA = getAnalysisIfAvailable<AliasAnalysis>();
790   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
791   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
792   SE = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
793   DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
794   DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
795
796   // Simplify each loop nest in the function.
797   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
798     Changed |= simplifyLoop(*I, DT, LI, this, AA, SE, DL);
799
800   return Changed;
801 }
802
803 // FIXME: Restore this code when we re-enable verification in verifyAnalysis
804 // below.
805 #if 0
806 static void verifyLoop(Loop *L) {
807   // Verify subloops.
808   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
809     verifyLoop(*I);
810
811   // It used to be possible to just assert L->isLoopSimplifyForm(), however
812   // with the introduction of indirectbr, there are now cases where it's
813   // not possible to transform a loop as necessary. We can at least check
814   // that there is an indirectbr near any time there's trouble.
815
816   // Indirectbr can interfere with preheader and unique backedge insertion.
817   if (!L->getLoopPreheader() || !L->getLoopLatch()) {
818     bool HasIndBrPred = false;
819     for (pred_iterator PI = pred_begin(L->getHeader()),
820          PE = pred_end(L->getHeader()); PI != PE; ++PI)
821       if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator())) {
822         HasIndBrPred = true;
823         break;
824       }
825     assert(HasIndBrPred &&
826            "LoopSimplify has no excuse for missing loop header info!");
827     (void)HasIndBrPred;
828   }
829
830   // Indirectbr can interfere with exit block canonicalization.
831   if (!L->hasDedicatedExits()) {
832     bool HasIndBrExiting = false;
833     SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
834     L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
835     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
836       if (isa<IndirectBrInst>((ExitingBlocks[i])->getTerminator())) {
837         HasIndBrExiting = true;
838         break;
839       }
840     }
841
842     assert(HasIndBrExiting &&
843            "LoopSimplify has no excuse for missing exit block info!");
844     (void)HasIndBrExiting;
845   }
846 }
847 #endif
848
849 void LoopSimplify::verifyAnalysis() const {
850   // FIXME: This routine is being called mid-way through the loop pass manager
851   // as loop passes destroy this analysis. That's actually fine, but we have no
852   // way of expressing that here. Once all of the passes that destroy this are
853   // hoisted out of the loop pass manager we can add back verification here.
854 #if 0
855   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
856     verifyLoop(*I);
857 #endif
858 }