lib/Transforms/Utils/LoopUnroll.cpp

   1 //===-- UnrollLoop.cpp - Loop unrolling utilities -------------------------===//
   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 file implements some loop unrolling utilities. It does not define any
  11 // actual pass or policy, but provides a single function to perform loop
  12 // unrolling.
  13 //
  14 // The process of unrolling can produce extraneous basic blocks linked with
  15 // unconditional branches.  This will be corrected in the future.
  16 //
  17 //===----------------------------------------------------------------------===//
  18
  19 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  20 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  21 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  22 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  23 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
  24 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  25 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  26 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  29 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  30 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
  31 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  32 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
  33 using namespace llvm;
  34
  35 // TODO: Should these be here or in LoopUnroll?
  36 STATISTIC(NumCompletelyUnrolled, "Number of loops completely unrolled");
  37 STATISTIC(NumUnrolled, "Number of loops unrolled (completely or otherwise)");
  38
  39 /// RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
  40 /// current values into those specified by VMap.
  41 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
  42                                     ValueToValueMapTy &VMap) {
  43   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
  44     Value *Op = I->getOperand(op);
  45     ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(Op);
  46     if (It != VMap.end())
  47       I->setOperand(op, It->second);
  48   }
  49
  50   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
  51     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
  52       ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(PN->getIncomingBlock(i));
  53       if (It != VMap.end())
  54         PN->setIncomingBlock(i, cast<BasicBlock>(It->second));
  55     }
  56   }
  57 }
  58
  59 /// FoldBlockIntoPredecessor - Folds a basic block into its predecessor if it
  60 /// only has one predecessor, and that predecessor only has one successor.
  61 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
  62 /// Returns the new combined block.
  63 static BasicBlock *FoldBlockIntoPredecessor(BasicBlock *BB, LoopInfo* LI,
  64                                             LPPassManager *LPM) {
  65   // Merge basic blocks into their predecessor if there is only one distinct
  66   // pred, and if there is only one distinct successor of the predecessor, and
  67   // if there are no PHI nodes.
  68   BasicBlock *OnlyPred = BB->getSinglePredecessor();
  69   if (!OnlyPred) return 0;
  70
  71   if (OnlyPred->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
  72     return 0;
  73
  74   DEBUG(dbgs() << "Merging: " << *BB << "into: " << *OnlyPred);
  75
  76   // Resolve any PHI nodes at the start of the block.  They are all
  77   // guaranteed to have exactly one entry if they exist, unless there are
  78   // multiple duplicate (but guaranteed to be equal) entries for the
  79   // incoming edges.  This occurs when there are multiple edges from
  80   // OnlyPred to OnlySucc.
  81   FoldSingleEntryPHINodes(BB);
  82
  83   // Delete the unconditional branch from the predecessor...
  84   OnlyPred->getInstList().pop_back();
  85
  86   // Make all PHI nodes that referred to BB now refer to Pred as their
  87   // source...
  88   BB->replaceAllUsesWith(OnlyPred);
  89
  90   // Move all definitions in the successor to the predecessor...
  91   OnlyPred->getInstList().splice(OnlyPred->end(), BB->getInstList());
  92
  93   std::string OldName = BB->getName();
  94
  95   // Erase basic block from the function...
  96
  97   // ScalarEvolution holds references to loop exit blocks.
  98   if (LPM) {
  99     if (ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>()) {
 100       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
 101         SE->forgetLoop(L);
 102     }
 103   }
 104   LI->removeBlock(BB);
 105   BB->eraseFromParent();
 106
 107   // Inherit predecessor's name if it exists...
 108   if (!OldName.empty() && !OnlyPred->hasName())
 109     OnlyPred->setName(OldName);
 110
 111   return OnlyPred;
 112 }
 113
 114 /// Unroll the given loop by Count. The loop must be in LCSSA form. Returns true
 115 /// if unrolling was successful, or false if the loop was unmodified. Unrolling
 116 /// can only fail when the loop's latch block is not terminated by a conditional
 117 /// branch instruction. However, if the trip count (and multiple) are not known,
 118 /// loop unrolling will mostly produce more code that is no faster.
 119 ///
 120 /// TripCount is generally defined as the number of times the loop header
 121 /// executes. UnrollLoop relaxes the definition to permit early exits: here
 122 /// TripCount is the iteration on which control exits LatchBlock if no early
 123 /// exits were taken. Note that UnrollLoop assumes that the loop counter test
 124 /// terminates LatchBlock in order to remove unnecesssary instances of the
 125 /// test. In other words, control may exit the loop prior to TripCount
 126 /// iterations via an early branch, but control may not exit the loop from the
 127 /// LatchBlock's terminator prior to TripCount iterations.
 128 ///
 129 /// Similarly, TripMultiple divides the number of times that the LatchBlock may
 130 /// execute without exiting the loop.
 131 ///
 132 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
 133 ///
 134 /// If a LoopPassManager is passed in, and the loop is fully removed, it will be
 135 /// removed from the LoopPassManager as well. LPM can also be NULL.
 136 ///
 137 /// This utility preserves LoopInfo. If DominatorTree or ScalarEvolution are
 138 /// available it must also preserve those analyses.
 139 bool llvm::UnrollLoop(Loop *L, unsigned Count, unsigned TripCount,
 140                       bool AllowRuntime, unsigned TripMultiple,
 141                       LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
 142   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 143   if (!Preheader) {
 144     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop preheader-insertion failed.\n");
 145     return false;
 146   }
 147
 148   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
 149   if (!LatchBlock) {
 150     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop exit-block-insertion failed.\n");
 151     return false;
 152   }
 153
 154   // Loops with indirectbr cannot be cloned.
 155   if (!L->isSafeToClone()) {
 156     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; Loop body cannot be cloned.\n");
 157     return false;
 158   }
 159
 160   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 161   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
 162
 163   if (!BI || BI->isUnconditional()) {
 164     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 165     DEBUG(dbgs() <<
 166              "  Can't unroll; loop not terminated by a conditional branch.\n");
 167     return false;
 168   }
 169
 170   if (Header->hasAddressTaken()) {
 171     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 172     DEBUG(dbgs() <<
 173           "  Won't unroll loop: address of header block is taken.\n");
 174     return false;
 175   }
 176
 177   if (TripCount != 0)
 178     DEBUG(dbgs() << "  Trip Count = " << TripCount << "\n");
 179   if (TripMultiple != 1)
 180     DEBUG(dbgs() << "  Trip Multiple = " << TripMultiple << "\n");
 181
 182   // Effectively "DCE" unrolled iterations that are beyond the tripcount
 183   // and will never be executed.
 184   if (TripCount != 0 && Count > TripCount)
 185     Count = TripCount;
 186
 187   // Don't enter the unroll code if there is nothing to do. This way we don't
 188   // need to support "partial unrolling by 1".
 189   if (TripCount == 0 && Count < 2)
 190     return false;
 191
 192   assert(Count > 0);
 193   assert(TripMultiple > 0);
 194   assert(TripCount == 0 || TripCount % TripMultiple == 0);
 195
 196   // Are we eliminating the loop control altogether?
 197   bool CompletelyUnroll = Count == TripCount;
 198
 199   // We assume a run-time trip count if the compiler cannot
 200   // figure out the loop trip count and the unroll-runtime
 201   // flag is specified.
 202   bool RuntimeTripCount = (TripCount == 0 && Count > 0 && AllowRuntime);
 203
 204   if (RuntimeTripCount && !UnrollRuntimeLoopProlog(L, Count, LI, LPM))
 205     return false;
 206
 207   // Notify ScalarEvolution that the loop will be substantially changed,
 208   // if not outright eliminated.
 209   if (LPM) {
 210     ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
 211     if (SE)
 212       SE->forgetLoop(L);
 213   }
 214
 215   // If we know the trip count, we know the multiple...
 216   unsigned BreakoutTrip = 0;
 217   if (TripCount != 0) {
 218     BreakoutTrip = TripCount % Count;
 219     TripMultiple = 0;
 220   } else {
 221     // Figure out what multiple to use.
 222     BreakoutTrip = TripMultiple =
 223       (unsigned)GreatestCommonDivisor64(Count, TripMultiple);
 224   }
 225
 226   if (CompletelyUnroll) {
 227     DEBUG(dbgs() << "COMPLETELY UNROLLING loop %" << Header->getName()
 228           << " with trip count " << TripCount << "!\n");
 229   } else {
 230     DEBUG(dbgs() << "UNROLLING loop %" << Header->getName()
 231           << " by " << Count);
 232     if (TripMultiple == 0 || BreakoutTrip != TripMultiple) {
 233       DEBUG(dbgs() << " with a breakout at trip " << BreakoutTrip);
 234     } else if (TripMultiple != 1) {
 235       DEBUG(dbgs() << " with " << TripMultiple << " trips per branch");
 236     } else if (RuntimeTripCount) {
 237       DEBUG(dbgs() << " with run-time trip count");
 238     }
 239     DEBUG(dbgs() << "!\n");
 240   }
 241
 242   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks = L->getBlocks();
 243
 244   bool ContinueOnTrue = L->contains(BI->getSuccessor(0));
 245   BasicBlock *LoopExit = BI->getSuccessor(ContinueOnTrue);
 246
 247   // For the first iteration of the loop, we should use the precloned values for
 248   // PHI nodes.  Insert associations now.
 249   ValueToValueMapTy LastValueMap;
 250   std::vector<PHINode*> OrigPHINode;
 251   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 252     OrigPHINode.push_back(cast<PHINode>(I));
 253   }
 254
 255   std::vector<BasicBlock*> Headers;
 256   std::vector<BasicBlock*> Latches;
 257   Headers.push_back(Header);
 258   Latches.push_back(LatchBlock);
 259
 260   // The current on-the-fly SSA update requires blocks to be processed in
 261   // reverse postorder so that LastValueMap contains the correct value at each
 262   // exit.
 263   LoopBlocksDFS DFS(L);
 264   DFS.perform(LI);
 265
 266   // Stash the DFS iterators before adding blocks to the loop.
 267   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockBegin = DFS.beginRPO();
 268   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockEnd = DFS.endRPO();
 269
 270   for (unsigned It = 1; It != Count; ++It) {
 271     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
 272
 273     for (LoopBlocksDFS::RPOIterator BB = BlockBegin; BB != BlockEnd; ++BB) {
 274       ValueToValueMapTy VMap;
 275       BasicBlock *New = CloneBasicBlock(*BB, VMap, "." + Twine(It));
 276       Header->getParent()->getBasicBlockList().push_back(New);
 277
 278       // Loop over all of the PHI nodes in the block, changing them to use the
 279       // incoming values from the previous block.
 280       if (*BB == Header)
 281         for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 282           PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[OrigPHINode[i]]);
 283           Value *InVal = NewPHI->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
 284           if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal))
 285             if (It > 1 && L->contains(InValI))
 286               InVal = LastValueMap[InValI];
 287           VMap[OrigPHINode[i]] = InVal;
 288           New->getInstList().erase(NewPHI);
 289         }
 290
 291       // Update our running map of newest clones
 292       LastValueMap[*BB] = New;
 293       for (ValueToValueMapTy::iterator VI = VMap.begin(), VE = VMap.end();
 294            VI != VE; ++VI)
 295         LastValueMap[VI->first] = VI->second;
 296
 297       L->addBasicBlockToLoop(New, LI->getBase());
 298
 299       // Add phi entries for newly created values to all exit blocks.
 300       for (succ_iterator SI = succ_begin(*BB), SE = succ_end(*BB);
 301            SI != SE; ++SI) {
 302         if (L->contains(*SI))
 303           continue;
 304         for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
 305              PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
 306           Value *Incoming = phi->getIncomingValueForBlock(*BB);
 307           ValueToValueMapTy::iterator It = LastValueMap.find(Incoming);
 308           if (It != LastValueMap.end())
 309             Incoming = It->second;
 310           phi->addIncoming(Incoming, New);
 311         }
 312       }
 313       // Keep track of new headers and latches as we create them, so that
 314       // we can insert the proper branches later.
 315       if (*BB == Header)
 316         Headers.push_back(New);
 317       if (*BB == LatchBlock)
 318         Latches.push_back(New);
 319
 320       NewBlocks.push_back(New);
 321     }
 322
 323     // Remap all instructions in the most recent iteration
 324     for (unsigned i = 0; i < NewBlocks.size(); ++i)
 325       for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
 326            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
 327         ::RemapInstruction(I, LastValueMap);
 328   }
 329
 330   // Loop over the PHI nodes in the original block, setting incoming values.
 331   for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 332     PHINode *PN = OrigPHINode[i];
 333     if (CompletelyUnroll) {
 334       PN->replaceAllUsesWith(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader));
 335       Header->getInstList().erase(PN);
 336     }
 337     else if (Count > 1) {
 338       Value *InVal = PN->removeIncomingValue(LatchBlock, false);
 339       // If this value was defined in the loop, take the value defined by the
 340       // last iteration of the loop.
 341       if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal)) {
 342         if (L->contains(InValI))
 343           InVal = LastValueMap[InVal];
 344       }
 345       assert(Latches.back() == LastValueMap[LatchBlock] && "bad last latch");
 346       PN->addIncoming(InVal, Latches.back());
 347     }
 348   }
 349
 350   // Now that all the basic blocks for the unrolled iterations are in place,
 351   // set up the branches to connect them.
 352   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 353     // The original branch was replicated in each unrolled iteration.
 354     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 355
 356     // The branch destination.
 357     unsigned j = (i + 1) % e;
 358     BasicBlock *Dest = Headers[j];
 359     bool NeedConditional = true;
 360
 361     if (RuntimeTripCount && j != 0) {
 362       NeedConditional = false;
 363     }
 364
 365     // For a complete unroll, make the last iteration end with a branch
 366     // to the exit block.
 367     if (CompletelyUnroll && j == 0) {
 368       Dest = LoopExit;
 369       NeedConditional = false;
 370     }
 371
 372     // If we know the trip count or a multiple of it, we can safely use an
 373     // unconditional branch for some iterations.
 374     if (j != BreakoutTrip && (TripMultiple == 0 || j % TripMultiple != 0)) {
 375       NeedConditional = false;
 376     }
 377
 378     if (NeedConditional) {
 379       // Update the conditional branch's successor for the following
 380       // iteration.
 381       Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, Dest);
 382     } else {
 383       // Remove phi operands at this loop exit
 384       if (Dest != LoopExit) {
 385         BasicBlock *BB = Latches[i];
 386         for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB);
 387              SI != SE; ++SI) {
 388           if (*SI == Headers[i])
 389             continue;
 390           for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
 391                PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
 392             Phi->removeIncomingValue(BB, false);
 393           }
 394         }
 395       }
 396       // Replace the conditional branch with an unconditional one.
 397       BranchInst::Create(Dest, Term);
 398       Term->eraseFromParent();
 399     }
 400   }
 401
 402   // Merge adjacent basic blocks, if possible.
 403   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 404     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 405     if (Term->isUnconditional()) {
 406       BasicBlock *Dest = Term->getSuccessor(0);
 407       if (BasicBlock *Fold = FoldBlockIntoPredecessor(Dest, LI, LPM))
 408         std::replace(Latches.begin(), Latches.end(), Dest, Fold);
 409     }
 410   }
 411
 412   if (LPM) {
 413     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
 414     // Incrementally updating domtree after loop unrolling would be easy.
 415     if (DominatorTree *DT = LPM->getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>())
 416       DT->runOnFunction(*L->getHeader()->getParent());
 417
 418     // Simplify any new induction variables in the partially unrolled loop.
 419     ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
 420     if (SE && !CompletelyUnroll) {
 421       SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
 422       simplifyLoopIVs(L, SE, LPM, DeadInsts);
 423
 424       // Aggressively clean up dead instructions that simplifyLoopIVs already
 425       // identified. Any remaining should be cleaned up below.
 426       while (!DeadInsts.empty())
 427         if (Instruction *Inst =
 428             dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
 429           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
 430     }
 431   }
 432   // At this point, the code is well formed.  We now do a quick sweep over the
 433   // inserted code, doing constant propagation and dead code elimination as we
 434   // go.
 435   const std::vector<BasicBlock*> &NewLoopBlocks = L->getBlocks();
 436   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BB = NewLoopBlocks.begin(),
 437        BBE = NewLoopBlocks.end(); BB != BBE; ++BB)
 438     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ) {
 439       Instruction *Inst = I++;
 440
 441       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
 442         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 443       else if (Value *V = SimplifyInstruction(Inst))
 444         if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(Inst, V)) {
 445           Inst->replaceAllUsesWith(V);
 446           (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 447         }
 448     }
 449
 450   NumCompletelyUnrolled += CompletelyUnroll;
 451   ++NumUnrolled;
 452   // Remove the loop from the LoopPassManager if it's completely removed.
 453   if (CompletelyUnroll && LPM != NULL)
 454     LPM->deleteLoopFromQueue(L);
 455
 456   return true;
 457 }