66542acc92b411448c317f6f67f2366ba14df3b2
[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 #define DEBUG_TYPE "loop-simplify"
41 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
42 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
43 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
44 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
45 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
46 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
47 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
48 #include "llvm/Analysis/DependenceAnalysis.h"
49 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
50 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
52 #include "llvm/IR/CFG.h"
53 #include "llvm/IR/Constants.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 STATISTIC(NumInserted, "Number of pre-header or exit blocks inserted");
67 STATISTIC(NumNested  , "Number of nested loops split out");
68
69 // If the block isn't already, move the new block to right after some 'outside
70 // block' block.  This prevents the preheader from being placed inside the loop
71 // body, e.g. when the loop hasn't been rotated.
72 static void placeSplitBlockCarefully(BasicBlock *NewBB,
73                                      SmallVectorImpl<BasicBlock *> &SplitPreds,
74                                      Loop *L) {
75   // Check to see if NewBB is already well placed.
76   Function::iterator BBI = NewBB; --BBI;
77   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
78     if (&*BBI == SplitPreds[i])
79       return;
80   }
81
82   // If it isn't already after an outside block, move it after one.  This is
83   // always good as it makes the uncond branch from the outside block into a
84   // fall-through.
85
86   // Figure out *which* outside block to put this after.  Prefer an outside
87   // block that neighbors a BB actually in the loop.
88   BasicBlock *FoundBB = 0;
89   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
90     Function::iterator BBI = SplitPreds[i];
91     if (++BBI != NewBB->getParent()->end() &&
92         L->contains(BBI)) {
93       FoundBB = SplitPreds[i];
94       break;
95     }
96   }
97
98   // If our heuristic for a *good* bb to place this after doesn't find
99   // anything, just pick something.  It's likely better than leaving it within
100   // the loop.
101   if (!FoundBB)
102     FoundBB = SplitPreds[0];
103   NewBB->moveAfter(FoundBB);
104 }
105
106 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
107 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
108 /// preheader insertion and analysis updating.
109 ///
110 BasicBlock *llvm::InsertPreheaderForLoop(Loop *L, Pass *PP) {
111   BasicBlock *Header = L->getHeader();
112
113   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
114   SmallVector<BasicBlock*, 8> OutsideBlocks;
115   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
116        PI != PE; ++PI) {
117     BasicBlock *P = *PI;
118     if (!L->contains(P)) {         // Coming in from outside the loop?
119       // If the loop is branched to from an indirect branch, we won't
120       // be able to fully transform the loop, because it prohibits
121       // edge splitting.
122       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return 0;
123
124       // Keep track of it.
125       OutsideBlocks.push_back(P);
126     }
127   }
128
129   // Split out the loop pre-header.
130   BasicBlock *PreheaderBB;
131   if (!Header->isLandingPad()) {
132     PreheaderBB = SplitBlockPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader",
133                                          PP);
134   } else {
135     SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
136     SplitLandingPadPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader",
137                                 ".split-lp", PP, NewBBs);
138     PreheaderBB = NewBBs[0];
139   }
140
141   PreheaderBB->getTerminator()->setDebugLoc(
142                                       Header->getFirstNonPHI()->getDebugLoc());
143   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating pre-header "
144                << PreheaderBB->getName() << "\n");
145
146   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
147   // code layout too horribly.
148   placeSplitBlockCarefully(PreheaderBB, OutsideBlocks, L);
149
150   return PreheaderBB;
151 }
152
153 /// \brief Ensure that the loop preheader dominates all exit blocks.
154 ///
155 /// This method is used to split exit blocks that have predecessors outside of
156 /// the loop.
157 static BasicBlock *rewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit, Pass *PP) {
158   SmallVector<BasicBlock*, 8> LoopBlocks;
159   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I) {
160     BasicBlock *P = *I;
161     if (L->contains(P)) {
162       // Don't do this if the loop is exited via an indirect branch.
163       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return 0;
164
165       LoopBlocks.push_back(P);
166     }
167   }
168
169   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
170   BasicBlock *NewExitBB = 0;
171
172   if (Exit->isLandingPad()) {
173     SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
174     SplitLandingPadPredecessors(Exit, ArrayRef<BasicBlock*>(&LoopBlocks[0],
175                                                             LoopBlocks.size()),
176                                 ".loopexit", ".nonloopexit",
177                                 PP, NewBBs);
178     NewExitBB = NewBBs[0];
179   } else {
180     NewExitBB = SplitBlockPredecessors(Exit, LoopBlocks, ".loopexit", PP);
181   }
182
183   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating dedicated exit block "
184                << NewExitBB->getName() << "\n");
185   return NewExitBB;
186 }
187
188 /// Add the specified block, and all of its predecessors, to the specified set,
189 /// if it's not already in there.  Stop predecessor traversal when we reach
190 /// StopBlock.
191 static void addBlockAndPredsToSet(BasicBlock *InputBB, BasicBlock *StopBlock,
192                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
193   SmallVector<BasicBlock *, 8> Worklist;
194   Worklist.push_back(InputBB);
195   do {
196     BasicBlock *BB = Worklist.pop_back_val();
197     if (Blocks.insert(BB).second && BB != StopBlock)
198       // If BB is not already processed and it is not a stop block then
199       // insert its predecessor in the work list
200       for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I) {
201         BasicBlock *WBB = *I;
202         Worklist.push_back(WBB);
203       }
204   } while (!Worklist.empty());
205 }
206
207 /// \brief The first part of loop-nestification is to find a PHI node that tells
208 /// us how to partition the loops.
209 static PHINode *findPHIToPartitionLoops(Loop *L, AliasAnalysis *AA,
210                                         DominatorTree *DT) {
211   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
212     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
213     ++I;
214     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, DT)) {
215       // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
216       PN->replaceAllUsesWith(V);
217       if (AA) AA->deleteValue(PN);
218       PN->eraseFromParent();
219       continue;
220     }
221
222     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
223     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
224       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
225           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
226         // We found something tasty to remove.
227         return PN;
228   }
229   return 0;
230 }
231
232 /// \brief If this loop has multiple backedges, try to pull one of them out into
233 /// a nested loop.
234 ///
235 /// This is important for code that looks like
236 /// this:
237 ///
238 ///  Loop:
239 ///     ...
240 ///     br cond, Loop, Next
241 ///     ...
242 ///     br cond2, Loop, Out
243 ///
244 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
245 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
246 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
247 ///
248 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
249 /// created.
250 ///
251 static Loop *separateNestedLoop(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
252                                 AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT,
253                                 LoopInfo *LI, ScalarEvolution *SE, Pass *PP) {
254   // Don't try to separate loops without a preheader.
255   if (!Preheader)
256     return 0;
257
258   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
259   assert(!L->getHeader()->isLandingPad() &&
260          "Can't insert backedge to landing pad");
261
262   PHINode *PN = findPHIToPartitionLoops(L, AA, DT);
263   if (PN == 0) return 0;  // No known way to partition.
264
265   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
266   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
267   // arguments.
268   SmallVector<BasicBlock*, 8> OuterLoopPreds;
269   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
270     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
271         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i))) {
272       // We can't split indirectbr edges.
273       if (isa<IndirectBrInst>(PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()))
274         return 0;
275       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
276     }
277   }
278   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Splitting out a new outer loop\n");
279
280   // If ScalarEvolution is around and knows anything about values in
281   // this loop, tell it to forget them, because we're about to
282   // substantially change it.
283   if (SE)
284     SE->forgetLoop(L);
285
286   BasicBlock *Header = L->getHeader();
287   BasicBlock *NewBB =
288     SplitBlockPredecessors(Header, OuterLoopPreds,  ".outer", PP);
289
290   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
291   // code layout too horribly.
292   placeSplitBlockCarefully(NewBB, OuterLoopPreds, L);
293
294   // Create the new outer loop.
295   Loop *NewOuter = new Loop();
296
297   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
298   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
299     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
300   else
301     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
302
303   // L is now a subloop of our outer loop.
304   NewOuter->addChildLoop(L);
305
306   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
307        I != E; ++I)
308     NewOuter->addBlockEntry(*I);
309
310   // Now reset the header in L, which had been moved by
311   // SplitBlockPredecessors for the outer loop.
312   L->moveToHeader(Header);
313
314   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
315   // the Outer loop now.
316   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
317   for (pred_iterator PI=pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI) {
318     BasicBlock *P = *PI;
319     if (DT->dominates(Header, P))
320       addBlockAndPredsToSet(P, Header, BlocksInL);
321   }
322
323   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
324   // not part of the inner loop.
325   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
326   for (size_t I = 0; I != SubLoops.size(); )
327     if (BlocksInL.count(SubLoops[I]->getHeader()))
328       ++I;   // Loop remains in L
329     else
330       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(SubLoops.begin() + I));
331
332   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
333   // OuterLoop, move any blocks that need it.
334   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
335     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
336     if (!BlocksInL.count(BB)) {
337       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
338       L->removeBlockFromLoop(BB);
339       if ((*LI)[BB] == L)
340         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
341       --i;
342     }
343   }
344
345   return NewOuter;
346 }
347
348 /// \brief This method is called when the specified loop has more than one
349 /// backedge in it.
350 ///
351 /// If this occurs, revector all of these backedges to target a new basic block
352 /// and have that block branch to the loop header.  This ensures that loops
353 /// have exactly one backedge.
354 static BasicBlock *insertUniqueBackedgeBlock(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
355                                              AliasAnalysis *AA,
356                                              DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
357   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
358
359   // Get information about the loop
360   BasicBlock *Header = L->getHeader();
361   Function *F = Header->getParent();
362
363   // Unique backedge insertion currently depends on having a preheader.
364   if (!Preheader)
365     return 0;
366
367   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
368   assert(!Header->isLandingPad() && "Can't insert backedge to landing pad");
369
370   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
371   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
372   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I){
373     BasicBlock *P = *I;
374
375     // Indirectbr edges cannot be split, so we must fail if we find one.
376     if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator()))
377       return 0;
378
379     if (P != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(P);
380   }
381
382   // Create and insert the new backedge block...
383   BasicBlock *BEBlock = BasicBlock::Create(Header->getContext(),
384                                            Header->getName()+".backedge", F);
385   BranchInst *BETerminator = BranchInst::Create(Header, BEBlock);
386
387   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Inserting unique backedge block "
388                << BEBlock->getName() << "\n");
389
390   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
391   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
392   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
393
394   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
395   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
396   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
397     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
398     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), BackedgeBlocks.size(),
399                                      PN->getName()+".be", BETerminator);
400     if (AA) AA->copyValue(PN, NewPN);
401
402     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
403     // preheader over to the new PHI node.
404     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
405     bool HasUniqueIncomingValue = true;
406     Value *UniqueValue = 0;
407     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
408       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
409       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
410       if (IBB == Preheader) {
411         PreheaderIdx = i;
412       } else {
413         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
414         if (HasUniqueIncomingValue) {
415           if (UniqueValue == 0)
416             UniqueValue = IV;
417           else if (UniqueValue != IV)
418             HasUniqueIncomingValue = false;
419         }
420       }
421     }
422
423     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
424     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
425     if (PreheaderIdx != 0) {
426       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
427       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
428     }
429     // Nuke all entries except the zero'th.
430     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
431       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
432
433     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
434     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
435
436     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
437     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
438     // eliminate the PHI Node.
439     if (HasUniqueIncomingValue) {
440       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
441       if (AA) AA->deleteValue(NewPN);
442       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
443     }
444   }
445
446   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
447   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
448   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
449     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
450     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
451       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
452         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
453   }
454
455   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
456
457   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
458   // loop and all parent loops.
459   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, LI->getBase());
460
461   // Update dominator information
462   DT->splitBlock(BEBlock);
463
464   return BEBlock;
465 }
466
467 /// \brief Simplify one loop and queue further loops for simplification.
468 ///
469 /// FIXME: Currently this accepts both lots of analyses that it uses and a raw
470 /// Pass pointer. The Pass pointer is used by numerous utilities to update
471 /// specific analyses. Rather than a pass it would be much cleaner and more
472 /// explicit if they accepted the analysis directly and then updated it.
473 static bool simplifyOneLoop(Loop *L, SmallVectorImpl<Loop *> &Worklist,
474                             AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
475                             ScalarEvolution *SE, Pass *PP) {
476   bool Changed = false;
477 ReprocessLoop:
478
479   // Check to see that no blocks (other than the header) in this loop have
480   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
481   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
482   // unreachable we can just shamelessly delete those CFG edges!
483   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
484        BB != E; ++BB) {
485     if (*BB == L->getHeader()) continue;
486
487     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> BadPreds;
488     for (pred_iterator PI = pred_begin(*BB),
489          PE = pred_end(*BB); PI != PE; ++PI) {
490       BasicBlock *P = *PI;
491       if (!L->contains(P))
492         BadPreds.insert(P);
493     }
494
495     // Delete each unique out-of-loop (and thus dead) predecessor.
496     for (SmallPtrSet<BasicBlock*, 4>::iterator I = BadPreds.begin(),
497          E = BadPreds.end(); I != E; ++I) {
498
499       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Deleting edge from dead predecessor "
500                    << (*I)->getName() << "\n");
501
502       // Inform each successor of each dead pred.
503       for (succ_iterator SI = succ_begin(*I), SE = succ_end(*I); SI != SE; ++SI)
504         (*SI)->removePredecessor(*I);
505       // Zap the dead pred's terminator and replace it with unreachable.
506       TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
507        TI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(TI->getType()));
508       (*I)->getTerminator()->eraseFromParent();
509       new UnreachableInst((*I)->getContext(), *I);
510       Changed = true;
511     }
512   }
513
514   // If there are exiting blocks with branches on undef, resolve the undef in
515   // the direction which will exit the loop. This will help simplify loop
516   // trip count computations.
517   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
518   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
519   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = ExitingBlocks.begin(),
520        E = ExitingBlocks.end(); I != E; ++I)
521     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>((*I)->getTerminator()))
522       if (BI->isConditional()) {
523         if (UndefValue *Cond = dyn_cast<UndefValue>(BI->getCondition())) {
524
525           DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Resolving \"br i1 undef\" to exit in "
526                        << (*I)->getName() << "\n");
527
528           BI->setCondition(ConstantInt::get(Cond->getType(),
529                                             !L->contains(BI->getSuccessor(0))));
530
531           // This may make the loop analyzable, force SCEV recomputation.
532           if (SE)
533             SE->forgetLoop(L);
534
535           Changed = true;
536         }
537       }
538
539   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
540   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
541   if (!Preheader) {
542     Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, PP);
543     if (Preheader) {
544       ++NumInserted;
545       Changed = true;
546     }
547   }
548
549   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
550   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
551   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
552   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
553   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
554   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
555
556   SmallSetVector<BasicBlock *, 8> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(),
557                                                ExitBlocks.end());
558   for (SmallSetVector<BasicBlock *, 8>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
559          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
560     BasicBlock *ExitBlock = *I;
561     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
562          PI != PE; ++PI)
563       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
564       // allowed.
565       if (!L->contains(*PI)) {
566         if (rewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock, PP)) {
567           ++NumInserted;
568           Changed = true;
569         }
570         break;
571       }
572   }
573
574   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
575   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
576   BasicBlock *LoopLatch = L->getLoopLatch();
577   if (!LoopLatch) {
578     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
579     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
580     // common backedge instead.
581     if (L->getNumBackEdges() < 8) {
582       if (Loop *OuterL = separateNestedLoop(L, Preheader, AA, DT, LI, SE, PP)) {
583         ++NumNested;
584         // Enqueue the outer loop as it should be processed next in our
585         // depth-first nest walk.
586         Worklist.push_back(OuterL);
587
588         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
589         Changed = true;
590         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
591         // FIXME: It isn't clear we can't rely on LLVM to TRE this.
592         goto ReprocessLoop;
593       }
594     }
595
596     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
597     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
598     // loop header.
599     LoopLatch = insertUniqueBackedgeBlock(L, Preheader, AA, DT, LI);
600     if (LoopLatch) {
601       ++NumInserted;
602       Changed = true;
603     }
604   }
605
606   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
607   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
608   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
609   PHINode *PN;
610   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
611        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
612     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, DT)) {
613       if (AA) AA->deleteValue(PN);
614       if (SE) SE->forgetValue(PN);
615       PN->replaceAllUsesWith(V);
616       PN->eraseFromParent();
617     }
618
619   // If this loop has multiple exits and the exits all go to the same
620   // block, attempt to merge the exits. This helps several passes, such
621   // as LoopRotation, which do not support loops with multiple exits.
622   // SimplifyCFG also does this (and this code uses the same utility
623   // function), however this code is loop-aware, where SimplifyCFG is
624   // not. That gives it the advantage of being able to hoist
625   // loop-invariant instructions out of the way to open up more
626   // opportunities, and the disadvantage of having the responsibility
627   // to preserve dominator information.
628   bool UniqueExit = true;
629   if (!ExitBlocks.empty())
630     for (unsigned i = 1, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
631       if (ExitBlocks[i] != ExitBlocks[0]) {
632         UniqueExit = false;
633         break;
634       }
635   if (UniqueExit) {
636     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
637       BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
638       if (!ExitingBlock->getSinglePredecessor()) continue;
639       BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
640       if (!BI || !BI->isConditional()) continue;
641       CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(BI->getCondition());
642       if (!CI || CI->getParent() != ExitingBlock) continue;
643
644       // Attempt to hoist out all instructions except for the
645       // comparison and the branch.
646       bool AllInvariant = true;
647       bool AnyInvariant = false;
648       for (BasicBlock::iterator I = ExitingBlock->begin(); &*I != BI; ) {
649         Instruction *Inst = I++;
650         // Skip debug info intrinsics.
651         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
652           continue;
653         if (Inst == CI)
654           continue;
655         if (!L->makeLoopInvariant(Inst, AnyInvariant,
656                                  Preheader ? Preheader->getTerminator() : 0)) {
657           AllInvariant = false;
658           break;
659         }
660       }
661       if (AnyInvariant) {
662         Changed = true;
663         // The loop disposition of all SCEV expressions that depend on any
664         // hoisted values have also changed.
665         if (SE)
666           SE->forgetLoopDispositions(L);
667       }
668       if (!AllInvariant) continue;
669
670       // The block has now been cleared of all instructions except for
671       // a comparison and a conditional branch. SimplifyCFG may be able
672       // to fold it now.
673       if (!FoldBranchToCommonDest(BI)) continue;
674
675       // Success. The block is now dead, so remove it from the loop,
676       // update the dominator tree and delete it.
677       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Eliminating exiting block "
678                    << ExitingBlock->getName() << "\n");
679
680       // Notify ScalarEvolution before deleting this block. Currently assume the
681       // parent loop doesn't change (spliting edges doesn't count). If blocks,
682       // CFG edges, or other values in the parent loop change, then we need call
683       // to forgetLoop() for the parent instead.
684       if (SE)
685         SE->forgetLoop(L);
686
687       assert(pred_begin(ExitingBlock) == pred_end(ExitingBlock));
688       Changed = true;
689       LI->removeBlock(ExitingBlock);
690
691       DomTreeNode *Node = DT->getNode(ExitingBlock);
692       const std::vector<DomTreeNodeBase<BasicBlock> *> &Children =
693         Node->getChildren();
694       while (!Children.empty()) {
695         DomTreeNode *Child = Children.front();
696         DT->changeImmediateDominator(Child, Node->getIDom());
697       }
698       DT->eraseNode(ExitingBlock);
699
700       BI->getSuccessor(0)->removePredecessor(ExitingBlock);
701       BI->getSuccessor(1)->removePredecessor(ExitingBlock);
702       ExitingBlock->eraseFromParent();
703     }
704   }
705
706   return Changed;
707 }
708
709 bool llvm::simplifyLoop(Loop *L, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *PP,
710                         AliasAnalysis *AA, ScalarEvolution *SE) {
711   bool Changed = false;
712
713   // Worklist maintains our depth-first queue of loops in this nest to process.
714   SmallVector<Loop *, 4> Worklist;
715   Worklist.push_back(L);
716
717   // Walk the worklist from front to back, pushing newly found sub loops onto
718   // the back. This will let us process loops from back to front in depth-first
719   // order. We can use this simple process because loops form a tree.
720   for (unsigned Idx = 0; Idx != Worklist.size(); ++Idx) {
721     Loop *L2 = Worklist[Idx];
722     for (Loop::iterator I = L2->begin(), E = L2->end(); I != E; ++I)
723       Worklist.push_back(*I);
724   }
725
726   while (!Worklist.empty())
727     Changed |= simplifyOneLoop(Worklist.pop_back_val(), Worklist, AA, DT, LI, SE, PP);
728
729   return Changed;
730 }
731
732 namespace {
733   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
734     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
735     LoopSimplify() : FunctionPass(ID) {
736       initializeLoopSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
737     }
738
739     // AA - If we have an alias analysis object to update, this is it, otherwise
740     // this is null.
741     AliasAnalysis *AA;
742     DominatorTree *DT;
743     LoopInfo *LI;
744     ScalarEvolution *SE;
745
746     bool runOnFunction(Function &F) override;
747
748     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
749       // We need loop information to identify the loops...
750       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
751       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
752
753       AU.addRequired<LoopInfo>();
754       AU.addPreserved<LoopInfo>();
755
756       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
757       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
758       AU.addPreserved<DependenceAnalysis>();
759       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
760     }
761
762     /// verifyAnalysis() - Verify LoopSimplifyForm's guarantees.
763     void verifyAnalysis() const override;
764   };
765 }
766
767 char LoopSimplify::ID = 0;
768 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopSimplify, "loop-simplify",
769                 "Canonicalize natural loops", true, false)
770 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
771 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
772 INITIALIZE_PASS_END(LoopSimplify, "loop-simplify",
773                 "Canonicalize natural loops", true, false)
774
775 // Publicly exposed interface to pass...
776 char &llvm::LoopSimplifyID = LoopSimplify::ID;
777 Pass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
778
779 /// runOnLoop - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
780 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
781 ///
782 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
783   bool Changed = false;
784   AA = getAnalysisIfAvailable<AliasAnalysis>();
785   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
786   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
787   SE = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
788
789   // Simplify each loop nest in the function.
790   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
791     Changed |= simplifyLoop(*I, DT, LI, this, AA, SE);
792
793   return Changed;
794 }
795
796 // FIXME: Restore this code when we re-enable verification in verifyAnalysis
797 // below.
798 #if 0
799 static void verifyLoop(Loop *L) {
800   // Verify subloops.
801   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
802     verifyLoop(*I);
803
804   // It used to be possible to just assert L->isLoopSimplifyForm(), however
805   // with the introduction of indirectbr, there are now cases where it's
806   // not possible to transform a loop as necessary. We can at least check
807   // that there is an indirectbr near any time there's trouble.
808
809   // Indirectbr can interfere with preheader and unique backedge insertion.
810   if (!L->getLoopPreheader() || !L->getLoopLatch()) {
811     bool HasIndBrPred = false;
812     for (pred_iterator PI = pred_begin(L->getHeader()),
813          PE = pred_end(L->getHeader()); PI != PE; ++PI)
814       if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator())) {
815         HasIndBrPred = true;
816         break;
817       }
818     assert(HasIndBrPred &&
819            "LoopSimplify has no excuse for missing loop header info!");
820     (void)HasIndBrPred;
821   }
822
823   // Indirectbr can interfere with exit block canonicalization.
824   if (!L->hasDedicatedExits()) {
825     bool HasIndBrExiting = false;
826     SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
827     L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
828     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
829       if (isa<IndirectBrInst>((ExitingBlocks[i])->getTerminator())) {
830         HasIndBrExiting = true;
831         break;
832       }
833     }
834
835     assert(HasIndBrExiting &&
836            "LoopSimplify has no excuse for missing exit block info!");
837     (void)HasIndBrExiting;
838   }
839 }
840 #endif
841
842 void LoopSimplify::verifyAnalysis() const {
843   // FIXME: This routine is being called mid-way through the loop pass manager
844   // as loop passes destroy this analysis. That's actually fine, but we have no
845   // way of expressing that here. Once all of the passes that destroy this are
846   // hoisted out of the loop pass manager we can add back verification here.
847 #if 0
848   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
849     verifyLoop(*I);
850 #endif
851 }