Revert r240137 (Fixed/added namespace ending comments using clang-tidy. NFC)
[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/AssumptionCache.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/DataLayout.h"
55 #include "llvm/IR/Dominators.h"
56 #include "llvm/IR/Function.h"
57 #include "llvm/IR/Instructions.h"
58 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
59 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
60 #include "llvm/IR/Module.h"
61 #include "llvm/IR/Type.h"
62 #include "llvm/Support/Debug.h"
63 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
64 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
65 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
66 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
67 using namespace llvm;
68
69 #define DEBUG_TYPE "loop-simplify"
70
71 STATISTIC(NumInserted, "Number of pre-header or exit blocks inserted");
72 STATISTIC(NumNested  , "Number of nested loops split out");
73
74 // If the block isn't already, move the new block to right after some 'outside
75 // block' block.  This prevents the preheader from being placed inside the loop
76 // body, e.g. when the loop hasn't been rotated.
77 static void placeSplitBlockCarefully(BasicBlock *NewBB,
78                                      SmallVectorImpl<BasicBlock *> &SplitPreds,
79                                      Loop *L) {
80   // Check to see if NewBB is already well placed.
81   Function::iterator BBI = NewBB; --BBI;
82   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
83     if (&*BBI == SplitPreds[i])
84       return;
85   }
86
87   // If it isn't already after an outside block, move it after one.  This is
88   // always good as it makes the uncond branch from the outside block into a
89   // fall-through.
90
91   // Figure out *which* outside block to put this after.  Prefer an outside
92   // block that neighbors a BB actually in the loop.
93   BasicBlock *FoundBB = nullptr;
94   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
95     Function::iterator BBI = SplitPreds[i];
96     if (++BBI != NewBB->getParent()->end() &&
97         L->contains(BBI)) {
98       FoundBB = SplitPreds[i];
99       break;
100     }
101   }
102
103   // If our heuristic for a *good* bb to place this after doesn't find
104   // anything, just pick something.  It's likely better than leaving it within
105   // the loop.
106   if (!FoundBB)
107     FoundBB = SplitPreds[0];
108   NewBB->moveAfter(FoundBB);
109 }
110
111 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
112 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
113 /// preheader insertion and analysis updating.
114 ///
115 BasicBlock *llvm::InsertPreheaderForLoop(Loop *L, Pass *PP) {
116   BasicBlock *Header = L->getHeader();
117
118   // Get analyses that we try to update.
119   auto *AA = PP->getAnalysisIfAvailable<AliasAnalysis>();
120   auto *DTWP = PP->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
121   auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
122   auto *LIWP = PP->getAnalysisIfAvailable<LoopInfoWrapperPass>();
123   auto *LI = LIWP ? &LIWP->getLoopInfo() : nullptr;
124   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
125
126   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
127   SmallVector<BasicBlock*, 8> OutsideBlocks;
128   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
129        PI != PE; ++PI) {
130     BasicBlock *P = *PI;
131     if (!L->contains(P)) {         // Coming in from outside the loop?
132       // If the loop is branched to from an indirect branch, we won't
133       // be able to fully transform the loop, because it prohibits
134       // edge splitting.
135       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
136
137       // Keep track of it.
138       OutsideBlocks.push_back(P);
139     }
140   }
141
142   // Split out the loop pre-header.
143   BasicBlock *PreheaderBB;
144   PreheaderBB = SplitBlockPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader",
145                                        AA, DT, LI, PreserveLCSSA);
146
147   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating pre-header "
148                << PreheaderBB->getName() << "\n");
149
150   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
151   // code layout too horribly.
152   placeSplitBlockCarefully(PreheaderBB, OutsideBlocks, L);
153
154   return PreheaderBB;
155 }
156
157 /// \brief Ensure that the loop preheader dominates all exit blocks.
158 ///
159 /// This method is used to split exit blocks that have predecessors outside of
160 /// the loop.
161 static BasicBlock *rewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit,
162                                         AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT,
163                                         LoopInfo *LI, Pass *PP) {
164   SmallVector<BasicBlock*, 8> LoopBlocks;
165   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I) {
166     BasicBlock *P = *I;
167     if (L->contains(P)) {
168       // Don't do this if the loop is exited via an indirect branch.
169       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
170
171       LoopBlocks.push_back(P);
172     }
173   }
174
175   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
176   BasicBlock *NewExitBB = nullptr;
177
178   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
179
180   NewExitBB = SplitBlockPredecessors(Exit, LoopBlocks, ".loopexit", AA, DT,
181                                      LI, PreserveLCSSA);
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                                         AssumptionCache *AC) {
212   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
213   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
214     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
215     ++I;
216     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
217       // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
218       PN->replaceAllUsesWith(V);
219       if (AA) AA->deleteValue(PN);
220       PN->eraseFromParent();
221       continue;
222     }
223
224     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
225     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
226       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
227           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
228         // We found something tasty to remove.
229         return PN;
230   }
231   return nullptr;
232 }
233
234 /// \brief If this loop has multiple backedges, try to pull one of them out into
235 /// a nested loop.
236 ///
237 /// This is important for code that looks like
238 /// this:
239 ///
240 ///  Loop:
241 ///     ...
242 ///     br cond, Loop, Next
243 ///     ...
244 ///     br cond2, Loop, Out
245 ///
246 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
247 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
248 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
249 ///
250 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
251 /// created.
252 ///
253 static Loop *separateNestedLoop(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
254                                 AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT,
255                                 LoopInfo *LI, ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
256                                 AssumptionCache *AC) {
257   // Don't try to separate loops without a preheader.
258   if (!Preheader)
259     return nullptr;
260
261   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
262   assert(!L->getHeader()->isLandingPad() &&
263          "Can't insert backedge to landing pad");
264
265   PHINode *PN = findPHIToPartitionLoops(L, AA, DT, AC);
266   if (!PN) return nullptr;  // No known way to partition.
267
268   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
269   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
270   // arguments.
271   SmallVector<BasicBlock*, 8> OuterLoopPreds;
272   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
273     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
274         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i))) {
275       // We can't split indirectbr edges.
276       if (isa<IndirectBrInst>(PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()))
277         return nullptr;
278       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
279     }
280   }
281   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Splitting out a new outer loop\n");
282
283   // If ScalarEvolution is around and knows anything about values in
284   // this loop, tell it to forget them, because we're about to
285   // substantially change it.
286   if (SE)
287     SE->forgetLoop(L);
288
289   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
290
291   BasicBlock *Header = L->getHeader();
292   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Header, OuterLoopPreds, ".outer",
293                                              AA, DT, LI, PreserveLCSSA);
294
295   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
296   // code layout too horribly.
297   placeSplitBlockCarefully(NewBB, OuterLoopPreds, L);
298
299   // Create the new outer loop.
300   Loop *NewOuter = new Loop();
301
302   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
303   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
304     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
305   else
306     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
307
308   // L is now a subloop of our outer loop.
309   NewOuter->addChildLoop(L);
310
311   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
312        I != E; ++I)
313     NewOuter->addBlockEntry(*I);
314
315   // Now reset the header in L, which had been moved by
316   // SplitBlockPredecessors for the outer loop.
317   L->moveToHeader(Header);
318
319   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
320   // the Outer loop now.
321   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
322   for (pred_iterator PI=pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI) {
323     BasicBlock *P = *PI;
324     if (DT->dominates(Header, P))
325       addBlockAndPredsToSet(P, Header, BlocksInL);
326   }
327
328   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
329   // not part of the inner loop.
330   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
331   for (size_t I = 0; I != SubLoops.size(); )
332     if (BlocksInL.count(SubLoops[I]->getHeader()))
333       ++I;   // Loop remains in L
334     else
335       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(SubLoops.begin() + I));
336
337   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
338   // OuterLoop, move any blocks that need it.
339   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
340     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
341     if (!BlocksInL.count(BB)) {
342       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
343       L->removeBlockFromLoop(BB);
344       if ((*LI)[BB] == L)
345         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
346       --i;
347     }
348   }
349
350   return NewOuter;
351 }
352
353 /// \brief This method is called when the specified loop has more than one
354 /// backedge in it.
355 ///
356 /// If this occurs, revector all of these backedges to target a new basic block
357 /// and have that block branch to the loop header.  This ensures that loops
358 /// have exactly one backedge.
359 static BasicBlock *insertUniqueBackedgeBlock(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
360                                              AliasAnalysis *AA,
361                                              DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
362   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
363
364   // Get information about the loop
365   BasicBlock *Header = L->getHeader();
366   Function *F = Header->getParent();
367
368   // Unique backedge insertion currently depends on having a preheader.
369   if (!Preheader)
370     return nullptr;
371
372   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
373   assert(!Header->isLandingPad() && "Can't insert backedge to landing pad");
374
375   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
376   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
377   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I){
378     BasicBlock *P = *I;
379
380     // Indirectbr edges cannot be split, so we must fail if we find one.
381     if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator()))
382       return nullptr;
383
384     if (P != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(P);
385   }
386
387   // Create and insert the new backedge block...
388   BasicBlock *BEBlock = BasicBlock::Create(Header->getContext(),
389                                            Header->getName()+".backedge", F);
390   BranchInst *BETerminator = BranchInst::Create(Header, BEBlock);
391
392   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Inserting unique backedge block "
393                << BEBlock->getName() << "\n");
394
395   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
396   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
397   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
398
399   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
400   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
401   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
402     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
403     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), BackedgeBlocks.size(),
404                                      PN->getName()+".be", BETerminator);
405     if (AA) AA->copyValue(PN, NewPN);
406
407     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
408     // preheader over to the new PHI node.
409     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
410     bool HasUniqueIncomingValue = true;
411     Value *UniqueValue = nullptr;
412     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
413       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
414       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
415       if (IBB == Preheader) {
416         PreheaderIdx = i;
417       } else {
418         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
419         if (HasUniqueIncomingValue) {
420           if (!UniqueValue)
421             UniqueValue = IV;
422           else if (UniqueValue != IV)
423             HasUniqueIncomingValue = false;
424         }
425       }
426     }
427
428     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
429     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
430     if (PreheaderIdx != 0) {
431       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
432       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
433     }
434     // Nuke all entries except the zero'th.
435     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
436       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
437
438     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
439     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
440
441     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
442     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
443     // eliminate the PHI Node.
444     if (HasUniqueIncomingValue) {
445       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
446       if (AA) AA->deleteValue(NewPN);
447       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
448     }
449   }
450
451   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
452   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
453   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
454     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
455     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
456       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
457         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
458   }
459
460   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
461
462   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
463   // loop and all parent loops.
464   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, *LI);
465
466   // Update dominator information
467   DT->splitBlock(BEBlock);
468
469   return BEBlock;
470 }
471
472 /// \brief Simplify one loop and queue further loops for simplification.
473 ///
474 /// FIXME: Currently this accepts both lots of analyses that it uses and a raw
475 /// Pass pointer. The Pass pointer is used by numerous utilities to update
476 /// specific analyses. Rather than a pass it would be much cleaner and more
477 /// explicit if they accepted the analysis directly and then updated it.
478 static bool simplifyOneLoop(Loop *L, SmallVectorImpl<Loop *> &Worklist,
479                             AliasAnalysis *AA, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
480                             ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
481                             AssumptionCache *AC) {
482   bool Changed = false;
483 ReprocessLoop:
484
485   // Check to see that no blocks (other than the header) in this loop have
486   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
487   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
488   // unreachable we can just shamelessly delete those CFG edges!
489   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
490        BB != E; ++BB) {
491     if (*BB == L->getHeader()) continue;
492
493     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> BadPreds;
494     for (pred_iterator PI = pred_begin(*BB),
495          PE = pred_end(*BB); PI != PE; ++PI) {
496       BasicBlock *P = *PI;
497       if (!L->contains(P))
498         BadPreds.insert(P);
499     }
500
501     // Delete each unique out-of-loop (and thus dead) predecessor.
502     for (BasicBlock *P : BadPreds) {
503
504       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Deleting edge from dead predecessor "
505                    << P->getName() << "\n");
506
507       // Inform each successor of each dead pred.
508       for (succ_iterator SI = succ_begin(P), SE = succ_end(P); SI != SE; ++SI)
509         (*SI)->removePredecessor(P);
510       // Zap the dead pred's terminator and replace it with unreachable.
511       TerminatorInst *TI = P->getTerminator();
512        TI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(TI->getType()));
513       P->getTerminator()->eraseFromParent();
514       new UnreachableInst(P->getContext(), P);
515       Changed = true;
516     }
517   }
518
519   // If there are exiting blocks with branches on undef, resolve the undef in
520   // the direction which will exit the loop. This will help simplify loop
521   // trip count computations.
522   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
523   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
524   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = ExitingBlocks.begin(),
525        E = ExitingBlocks.end(); I != E; ++I)
526     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>((*I)->getTerminator()))
527       if (BI->isConditional()) {
528         if (UndefValue *Cond = dyn_cast<UndefValue>(BI->getCondition())) {
529
530           DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Resolving \"br i1 undef\" to exit in "
531                        << (*I)->getName() << "\n");
532
533           BI->setCondition(ConstantInt::get(Cond->getType(),
534                                             !L->contains(BI->getSuccessor(0))));
535
536           // This may make the loop analyzable, force SCEV recomputation.
537           if (SE)
538             SE->forgetLoop(L);
539
540           Changed = true;
541         }
542       }
543
544   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
545   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
546   if (!Preheader) {
547     Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, PP);
548     if (Preheader) {
549       ++NumInserted;
550       Changed = true;
551     }
552   }
553
554   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
555   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
556   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
557   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
558   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
559   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
560
561   SmallSetVector<BasicBlock *, 8> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(),
562                                                ExitBlocks.end());
563   for (SmallSetVector<BasicBlock *, 8>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
564          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
565     BasicBlock *ExitBlock = *I;
566     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
567          PI != PE; ++PI)
568       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
569       // allowed.
570       if (!L->contains(*PI)) {
571         if (rewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock, AA, DT, LI, PP)) {
572           ++NumInserted;
573           Changed = true;
574         }
575         break;
576       }
577   }
578
579   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
580   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
581   BasicBlock *LoopLatch = L->getLoopLatch();
582   if (!LoopLatch) {
583     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
584     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
585     // common backedge instead.
586     if (L->getNumBackEdges() < 8) {
587       if (Loop *OuterL =
588               separateNestedLoop(L, Preheader, AA, DT, LI, SE, PP, AC)) {
589         ++NumNested;
590         // Enqueue the outer loop as it should be processed next in our
591         // depth-first nest walk.
592         Worklist.push_back(OuterL);
593
594         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
595         Changed = true;
596         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
597         // FIXME: It isn't clear we can't rely on LLVM to TRE this.
598         goto ReprocessLoop;
599       }
600     }
601
602     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
603     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
604     // loop header.
605     LoopLatch = insertUniqueBackedgeBlock(L, Preheader, AA, DT, LI);
606     if (LoopLatch) {
607       ++NumInserted;
608       Changed = true;
609     }
610   }
611
612   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
613
614   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
615   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
616   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
617   PHINode *PN;
618   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
619        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
620     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
621       if (AA) AA->deleteValue(PN);
622       if (SE) SE->forgetValue(PN);
623       PN->replaceAllUsesWith(V);
624       PN->eraseFromParent();
625     }
626
627   // If this loop has multiple exits and the exits all go to the same
628   // block, attempt to merge the exits. This helps several passes, such
629   // as LoopRotation, which do not support loops with multiple exits.
630   // SimplifyCFG also does this (and this code uses the same utility
631   // function), however this code is loop-aware, where SimplifyCFG is
632   // not. That gives it the advantage of being able to hoist
633   // loop-invariant instructions out of the way to open up more
634   // opportunities, and the disadvantage of having the responsibility
635   // to preserve dominator information.
636   bool UniqueExit = true;
637   if (!ExitBlocks.empty())
638     for (unsigned i = 1, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
639       if (ExitBlocks[i] != ExitBlocks[0]) {
640         UniqueExit = false;
641         break;
642       }
643   if (UniqueExit) {
644     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
645       BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
646       if (!ExitingBlock->getSinglePredecessor()) continue;
647       BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
648       if (!BI || !BI->isConditional()) continue;
649       CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(BI->getCondition());
650       if (!CI || CI->getParent() != ExitingBlock) continue;
651
652       // Attempt to hoist out all instructions except for the
653       // comparison and the branch.
654       bool AllInvariant = true;
655       bool AnyInvariant = false;
656       for (BasicBlock::iterator I = ExitingBlock->begin(); &*I != BI; ) {
657         Instruction *Inst = I++;
658         // Skip debug info intrinsics.
659         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
660           continue;
661         if (Inst == CI)
662           continue;
663         if (!L->makeLoopInvariant(Inst, AnyInvariant,
664                                   Preheader ? Preheader->getTerminator()
665                                             : nullptr)) {
666           AllInvariant = false;
667           break;
668         }
669       }
670       if (AnyInvariant) {
671         Changed = true;
672         // The loop disposition of all SCEV expressions that depend on any
673         // hoisted values have also changed.
674         if (SE)
675           SE->forgetLoopDispositions(L);
676       }
677       if (!AllInvariant) continue;
678
679       // The block has now been cleared of all instructions except for
680       // a comparison and a conditional branch. SimplifyCFG may be able
681       // to fold it now.
682       if (!FoldBranchToCommonDest(BI))
683         continue;
684
685       // Success. The block is now dead, so remove it from the loop,
686       // update the dominator tree and delete it.
687       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Eliminating exiting block "
688                    << ExitingBlock->getName() << "\n");
689
690       // Notify ScalarEvolution before deleting this block. Currently assume the
691       // parent loop doesn't change (spliting edges doesn't count). If blocks,
692       // CFG edges, or other values in the parent loop change, then we need call
693       // to forgetLoop() for the parent instead.
694       if (SE)
695         SE->forgetLoop(L);
696
697       assert(pred_begin(ExitingBlock) == pred_end(ExitingBlock));
698       Changed = true;
699       LI->removeBlock(ExitingBlock);
700
701       DomTreeNode *Node = DT->getNode(ExitingBlock);
702       const std::vector<DomTreeNodeBase<BasicBlock> *> &Children =
703         Node->getChildren();
704       while (!Children.empty()) {
705         DomTreeNode *Child = Children.front();
706         DT->changeImmediateDominator(Child, Node->getIDom());
707       }
708       DT->eraseNode(ExitingBlock);
709
710       BI->getSuccessor(0)->removePredecessor(ExitingBlock);
711       BI->getSuccessor(1)->removePredecessor(ExitingBlock);
712       ExitingBlock->eraseFromParent();
713     }
714   }
715
716   return Changed;
717 }
718
719 bool llvm::simplifyLoop(Loop *L, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *PP,
720                         AliasAnalysis *AA, ScalarEvolution *SE,
721                         AssumptionCache *AC) {
722   bool Changed = false;
723
724   // Worklist maintains our depth-first queue of loops in this nest to process.
725   SmallVector<Loop *, 4> Worklist;
726   Worklist.push_back(L);
727
728   // Walk the worklist from front to back, pushing newly found sub loops onto
729   // the back. This will let us process loops from back to front in depth-first
730   // order. We can use this simple process because loops form a tree.
731   for (unsigned Idx = 0; Idx != Worklist.size(); ++Idx) {
732     Loop *L2 = Worklist[Idx];
733     Worklist.append(L2->begin(), L2->end());
734   }
735
736   while (!Worklist.empty())
737     Changed |= simplifyOneLoop(Worklist.pop_back_val(), Worklist, AA, DT, LI,
738                                SE, PP, AC);
739
740   return Changed;
741 }
742
743 namespace {
744   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
745     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
746     LoopSimplify() : FunctionPass(ID) {
747       initializeLoopSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
748     }
749
750     // AA - If we have an alias analysis object to update, this is it, otherwise
751     // this is null.
752     AliasAnalysis *AA;
753     DominatorTree *DT;
754     LoopInfo *LI;
755     ScalarEvolution *SE;
756     AssumptionCache *AC;
757
758     bool runOnFunction(Function &F) override;
759
760     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
761       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
762
763       // We need loop information to identify the loops...
764       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
765       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
766
767       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
768       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
769
770       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
771       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
772       AU.addPreserved<DependenceAnalysis>();
773       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
774     }
775
776     /// verifyAnalysis() - Verify LoopSimplifyForm's guarantees.
777     void verifyAnalysis() const override;
778   };
779 }
780
781 char LoopSimplify::ID = 0;
782 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopSimplify, "loop-simplify",
783                 "Canonicalize natural loops", false, false)
784 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
785 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
786 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
787 INITIALIZE_PASS_END(LoopSimplify, "loop-simplify",
788                 "Canonicalize natural loops", false, false)
789
790 // Publicly exposed interface to pass...
791 char &llvm::LoopSimplifyID = LoopSimplify::ID;
792 Pass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
793
794 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
795 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
796 ///
797 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
798   bool Changed = false;
799   AA = getAnalysisIfAvailable<AliasAnalysis>();
800   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
801   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
802   SE = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
803   AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
804
805   // Simplify each loop nest in the function.
806   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
807     Changed |= simplifyLoop(*I, DT, LI, this, AA, SE, AC);
808
809   return Changed;
810 }
811
812 // FIXME: Restore this code when we re-enable verification in verifyAnalysis
813 // below.
814 #if 0
815 static void verifyLoop(Loop *L) {
816   // Verify subloops.
817   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
818     verifyLoop(*I);
819
820   // It used to be possible to just assert L->isLoopSimplifyForm(), however
821   // with the introduction of indirectbr, there are now cases where it's
822   // not possible to transform a loop as necessary. We can at least check
823   // that there is an indirectbr near any time there's trouble.
824
825   // Indirectbr can interfere with preheader and unique backedge insertion.
826   if (!L->getLoopPreheader() || !L->getLoopLatch()) {
827     bool HasIndBrPred = false;
828     for (pred_iterator PI = pred_begin(L->getHeader()),
829          PE = pred_end(L->getHeader()); PI != PE; ++PI)
830       if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator())) {
831         HasIndBrPred = true;
832         break;
833       }
834     assert(HasIndBrPred &&
835            "LoopSimplify has no excuse for missing loop header info!");
836     (void)HasIndBrPred;
837   }
838
839   // Indirectbr can interfere with exit block canonicalization.
840   if (!L->hasDedicatedExits()) {
841     bool HasIndBrExiting = false;
842     SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
843     L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
844     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
845       if (isa<IndirectBrInst>((ExitingBlocks[i])->getTerminator())) {
846         HasIndBrExiting = true;
847         break;
848       }
849     }
850
851     assert(HasIndBrExiting &&
852            "LoopSimplify has no excuse for missing exit block info!");
853     (void)HasIndBrExiting;
854   }
855 }
856 #endif
857
858 void LoopSimplify::verifyAnalysis() const {
859   // FIXME: This routine is being called mid-way through the loop pass manager
860   // as loop passes destroy this analysis. That's actually fine, but we have no
861   // way of expressing that here. Once all of the passes that destroy this are
862   // hoisted out of the loop pass manager we can add back verification here.
863 #if 0
864   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
865     verifyLoop(*I);
866 #endif
867 }