[cleanup] Move the Dominators.h and Verifier.h headers into the IR
[oota-llvm.git] / 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/IR/Dominators.h"
28 #include "llvm/Support/Debug.h"
29 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
32 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
33 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
34 using namespace llvm;
35
36 // TODO: Should these be here or in LoopUnroll?
37 STATISTIC(NumCompletelyUnrolled, "Number of loops completely unrolled");
38 STATISTIC(NumUnrolled, "Number of loops unrolled (completely or otherwise)");
39
40 /// RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
41 /// current values into those specified by VMap.
42 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
43                                     ValueToValueMapTy &VMap) {
44   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
45     Value *Op = I->getOperand(op);
46     ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(Op);
47     if (It != VMap.end())
48       I->setOperand(op, It->second);
49   }
50
51   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
52     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
53       ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(PN->getIncomingBlock(i));
54       if (It != VMap.end())
55         PN->setIncomingBlock(i, cast<BasicBlock>(It->second));
56     }
57   }
58 }
59
60 /// FoldBlockIntoPredecessor - Folds a basic block into its predecessor if it
61 /// only has one predecessor, and that predecessor only has one successor.
62 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
63 /// Returns the new combined block.
64 static BasicBlock *FoldBlockIntoPredecessor(BasicBlock *BB, LoopInfo* LI,
65                                             LPPassManager *LPM) {
66   // Merge basic blocks into their predecessor if there is only one distinct
67   // pred, and if there is only one distinct successor of the predecessor, and
68   // if there are no PHI nodes.
69   BasicBlock *OnlyPred = BB->getSinglePredecessor();
70   if (!OnlyPred) return 0;
71
72   if (OnlyPred->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
73     return 0;
74
75   DEBUG(dbgs() << "Merging: " << *BB << "into: " << *OnlyPred);
76
77   // Resolve any PHI nodes at the start of the block.  They are all
78   // guaranteed to have exactly one entry if they exist, unless there are
79   // multiple duplicate (but guaranteed to be equal) entries for the
80   // incoming edges.  This occurs when there are multiple edges from
81   // OnlyPred to OnlySucc.
82   FoldSingleEntryPHINodes(BB);
83
84   // Delete the unconditional branch from the predecessor...
85   OnlyPred->getInstList().pop_back();
86
87   // Make all PHI nodes that referred to BB now refer to Pred as their
88   // source...
89   BB->replaceAllUsesWith(OnlyPred);
90
91   // Move all definitions in the successor to the predecessor...
92   OnlyPred->getInstList().splice(OnlyPred->end(), BB->getInstList());
93
94   // OldName will be valid until erased.
95   StringRef OldName = BB->getName();
96
97   // Erase basic block from the function...
98
99   // ScalarEvolution holds references to loop exit blocks.
100   if (LPM) {
101     if (ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>()) {
102       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
103         SE->forgetLoop(L);
104     }
105   }
106   LI->removeBlock(BB);
107
108   // Inherit predecessor's name if it exists...
109   if (!OldName.empty() && !OnlyPred->hasName())
110     OnlyPred->setName(OldName);
111
112   BB->eraseFromParent();
113
114   return OnlyPred;
115 }
116
117 /// Unroll the given loop by Count. The loop must be in LCSSA form. Returns true
118 /// if unrolling was successful, or false if the loop was unmodified. Unrolling
119 /// can only fail when the loop's latch block is not terminated by a conditional
120 /// branch instruction. However, if the trip count (and multiple) are not known,
121 /// loop unrolling will mostly produce more code that is no faster.
122 ///
123 /// TripCount is generally defined as the number of times the loop header
124 /// executes. UnrollLoop relaxes the definition to permit early exits: here
125 /// TripCount is the iteration on which control exits LatchBlock if no early
126 /// exits were taken. Note that UnrollLoop assumes that the loop counter test
127 /// terminates LatchBlock in order to remove unnecesssary instances of the
128 /// test. In other words, control may exit the loop prior to TripCount
129 /// iterations via an early branch, but control may not exit the loop from the
130 /// LatchBlock's terminator prior to TripCount iterations.
131 ///
132 /// Similarly, TripMultiple divides the number of times that the LatchBlock may
133 /// execute without exiting the loop.
134 ///
135 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
136 ///
137 /// If a LoopPassManager is passed in, and the loop is fully removed, it will be
138 /// removed from the LoopPassManager as well. LPM can also be NULL.
139 ///
140 /// This utility preserves LoopInfo. If DominatorTree or ScalarEvolution are
141 /// available it must also preserve those analyses.
142 bool llvm::UnrollLoop(Loop *L, unsigned Count, unsigned TripCount,
143                       bool AllowRuntime, unsigned TripMultiple,
144                       LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
145   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
146   if (!Preheader) {
147     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop preheader-insertion failed.\n");
148     return false;
149   }
150
151   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
152   if (!LatchBlock) {
153     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop exit-block-insertion failed.\n");
154     return false;
155   }
156
157   // Loops with indirectbr cannot be cloned.
158   if (!L->isSafeToClone()) {
159     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; Loop body cannot be cloned.\n");
160     return false;
161   }
162
163   BasicBlock *Header = L->getHeader();
164   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
165
166   if (!BI || BI->isUnconditional()) {
167     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
168     DEBUG(dbgs() <<
169              "  Can't unroll; loop not terminated by a conditional branch.\n");
170     return false;
171   }
172
173   if (Header->hasAddressTaken()) {
174     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
175     DEBUG(dbgs() <<
176           "  Won't unroll loop: address of header block is taken.\n");
177     return false;
178   }
179
180   if (TripCount != 0)
181     DEBUG(dbgs() << "  Trip Count = " << TripCount << "\n");
182   if (TripMultiple != 1)
183     DEBUG(dbgs() << "  Trip Multiple = " << TripMultiple << "\n");
184
185   // Effectively "DCE" unrolled iterations that are beyond the tripcount
186   // and will never be executed.
187   if (TripCount != 0 && Count > TripCount)
188     Count = TripCount;
189
190   // Don't enter the unroll code if there is nothing to do. This way we don't
191   // need to support "partial unrolling by 1".
192   if (TripCount == 0 && Count < 2)
193     return false;
194
195   assert(Count > 0);
196   assert(TripMultiple > 0);
197   assert(TripCount == 0 || TripCount % TripMultiple == 0);
198
199   // Are we eliminating the loop control altogether?
200   bool CompletelyUnroll = Count == TripCount;
201
202   // We assume a run-time trip count if the compiler cannot
203   // figure out the loop trip count and the unroll-runtime
204   // flag is specified.
205   bool RuntimeTripCount = (TripCount == 0 && Count > 0 && AllowRuntime);
206
207   if (RuntimeTripCount && !UnrollRuntimeLoopProlog(L, Count, LI, LPM))
208     return false;
209
210   // Notify ScalarEvolution that the loop will be substantially changed,
211   // if not outright eliminated.
212   if (LPM) {
213     ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
214     if (SE)
215       SE->forgetLoop(L);
216   }
217
218   // If we know the trip count, we know the multiple...
219   unsigned BreakoutTrip = 0;
220   if (TripCount != 0) {
221     BreakoutTrip = TripCount % Count;
222     TripMultiple = 0;
223   } else {
224     // Figure out what multiple to use.
225     BreakoutTrip = TripMultiple =
226       (unsigned)GreatestCommonDivisor64(Count, TripMultiple);
227   }
228
229   if (CompletelyUnroll) {
230     DEBUG(dbgs() << "COMPLETELY UNROLLING loop %" << Header->getName()
231           << " with trip count " << TripCount << "!\n");
232   } else {
233     DEBUG(dbgs() << "UNROLLING loop %" << Header->getName()
234           << " by " << Count);
235     if (TripMultiple == 0 || BreakoutTrip != TripMultiple) {
236       DEBUG(dbgs() << " with a breakout at trip " << BreakoutTrip);
237     } else if (TripMultiple != 1) {
238       DEBUG(dbgs() << " with " << TripMultiple << " trips per branch");
239     } else if (RuntimeTripCount) {
240       DEBUG(dbgs() << " with run-time trip count");
241     }
242     DEBUG(dbgs() << "!\n");
243   }
244
245   bool ContinueOnTrue = L->contains(BI->getSuccessor(0));
246   BasicBlock *LoopExit = BI->getSuccessor(ContinueOnTrue);
247
248   // For the first iteration of the loop, we should use the precloned values for
249   // PHI nodes.  Insert associations now.
250   ValueToValueMapTy LastValueMap;
251   std::vector<PHINode*> OrigPHINode;
252   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
253     OrigPHINode.push_back(cast<PHINode>(I));
254   }
255
256   std::vector<BasicBlock*> Headers;
257   std::vector<BasicBlock*> Latches;
258   Headers.push_back(Header);
259   Latches.push_back(LatchBlock);
260
261   // The current on-the-fly SSA update requires blocks to be processed in
262   // reverse postorder so that LastValueMap contains the correct value at each
263   // exit.
264   LoopBlocksDFS DFS(L);
265   DFS.perform(LI);
266
267   // Stash the DFS iterators before adding blocks to the loop.
268   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockBegin = DFS.beginRPO();
269   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockEnd = DFS.endRPO();
270
271   for (unsigned It = 1; It != Count; ++It) {
272     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
273
274     for (LoopBlocksDFS::RPOIterator BB = BlockBegin; BB != BlockEnd; ++BB) {
275       ValueToValueMapTy VMap;
276       BasicBlock *New = CloneBasicBlock(*BB, VMap, "." + Twine(It));
277       Header->getParent()->getBasicBlockList().push_back(New);
278
279       // Loop over all of the PHI nodes in the block, changing them to use the
280       // incoming values from the previous block.
281       if (*BB == Header)
282         for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
283           PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[OrigPHINode[i]]);
284           Value *InVal = NewPHI->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
285           if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal))
286             if (It > 1 && L->contains(InValI))
287               InVal = LastValueMap[InValI];
288           VMap[OrigPHINode[i]] = InVal;
289           New->getInstList().erase(NewPHI);
290         }
291
292       // Update our running map of newest clones
293       LastValueMap[*BB] = New;
294       for (ValueToValueMapTy::iterator VI = VMap.begin(), VE = VMap.end();
295            VI != VE; ++VI)
296         LastValueMap[VI->first] = VI->second;
297
298       L->addBasicBlockToLoop(New, LI->getBase());
299
300       // Add phi entries for newly created values to all exit blocks.
301       for (succ_iterator SI = succ_begin(*BB), SE = succ_end(*BB);
302            SI != SE; ++SI) {
303         if (L->contains(*SI))
304           continue;
305         for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
306              PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
307           Value *Incoming = phi->getIncomingValueForBlock(*BB);
308           ValueToValueMapTy::iterator It = LastValueMap.find(Incoming);
309           if (It != LastValueMap.end())
310             Incoming = It->second;
311           phi->addIncoming(Incoming, New);
312         }
313       }
314       // Keep track of new headers and latches as we create them, so that
315       // we can insert the proper branches later.
316       if (*BB == Header)
317         Headers.push_back(New);
318       if (*BB == LatchBlock)
319         Latches.push_back(New);
320
321       NewBlocks.push_back(New);
322     }
323
324     // Remap all instructions in the most recent iteration
325     for (unsigned i = 0; i < NewBlocks.size(); ++i)
326       for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
327            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
328         ::RemapInstruction(I, LastValueMap);
329   }
330
331   // Loop over the PHI nodes in the original block, setting incoming values.
332   for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
333     PHINode *PN = OrigPHINode[i];
334     if (CompletelyUnroll) {
335       PN->replaceAllUsesWith(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader));
336       Header->getInstList().erase(PN);
337     }
338     else if (Count > 1) {
339       Value *InVal = PN->removeIncomingValue(LatchBlock, false);
340       // If this value was defined in the loop, take the value defined by the
341       // last iteration of the loop.
342       if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal)) {
343         if (L->contains(InValI))
344           InVal = LastValueMap[InVal];
345       }
346       assert(Latches.back() == LastValueMap[LatchBlock] && "bad last latch");
347       PN->addIncoming(InVal, Latches.back());
348     }
349   }
350
351   // Now that all the basic blocks for the unrolled iterations are in place,
352   // set up the branches to connect them.
353   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
354     // The original branch was replicated in each unrolled iteration.
355     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
356
357     // The branch destination.
358     unsigned j = (i + 1) % e;
359     BasicBlock *Dest = Headers[j];
360     bool NeedConditional = true;
361
362     if (RuntimeTripCount && j != 0) {
363       NeedConditional = false;
364     }
365
366     // For a complete unroll, make the last iteration end with a branch
367     // to the exit block.
368     if (CompletelyUnroll && j == 0) {
369       Dest = LoopExit;
370       NeedConditional = false;
371     }
372
373     // If we know the trip count or a multiple of it, we can safely use an
374     // unconditional branch for some iterations.
375     if (j != BreakoutTrip && (TripMultiple == 0 || j % TripMultiple != 0)) {
376       NeedConditional = false;
377     }
378
379     if (NeedConditional) {
380       // Update the conditional branch's successor for the following
381       // iteration.
382       Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, Dest);
383     } else {
384       // Remove phi operands at this loop exit
385       if (Dest != LoopExit) {
386         BasicBlock *BB = Latches[i];
387         for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB);
388              SI != SE; ++SI) {
389           if (*SI == Headers[i])
390             continue;
391           for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
392                PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
393             Phi->removeIncomingValue(BB, false);
394           }
395         }
396       }
397       // Replace the conditional branch with an unconditional one.
398       BranchInst::Create(Dest, Term);
399       Term->eraseFromParent();
400     }
401   }
402
403   // Merge adjacent basic blocks, if possible.
404   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
405     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
406     if (Term->isUnconditional()) {
407       BasicBlock *Dest = Term->getSuccessor(0);
408       if (BasicBlock *Fold = FoldBlockIntoPredecessor(Dest, LI, LPM))
409         std::replace(Latches.begin(), Latches.end(), Dest, Fold);
410     }
411   }
412
413   if (LPM) {
414     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
415     // Incrementally updating domtree after loop unrolling would be easy.
416     if (DominatorTree *DT = LPM->getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>())
417       DT->runOnFunction(*L->getHeader()->getParent());
418
419     // Simplify any new induction variables in the partially unrolled loop.
420     ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
421     if (SE && !CompletelyUnroll) {
422       SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
423       simplifyLoopIVs(L, SE, LPM, DeadInsts);
424
425       // Aggressively clean up dead instructions that simplifyLoopIVs already
426       // identified. Any remaining should be cleaned up below.
427       while (!DeadInsts.empty())
428         if (Instruction *Inst =
429             dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
430           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
431     }
432   }
433   // At this point, the code is well formed.  We now do a quick sweep over the
434   // inserted code, doing constant propagation and dead code elimination as we
435   // go.
436   const std::vector<BasicBlock*> &NewLoopBlocks = L->getBlocks();
437   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BB = NewLoopBlocks.begin(),
438        BBE = NewLoopBlocks.end(); BB != BBE; ++BB)
439     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ) {
440       Instruction *Inst = I++;
441
442       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
443         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
444       else if (Value *V = SimplifyInstruction(Inst))
445         if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(Inst, V)) {
446           Inst->replaceAllUsesWith(V);
447           (*BB)->getInstList().erase(Inst);
448         }
449     }
450
451   NumCompletelyUnrolled += CompletelyUnroll;
452   ++NumUnrolled;
453   // Remove the loop from the LoopPassManager if it's completely removed.
454   if (CompletelyUnroll && LPM != NULL)
455     LPM->deleteLoopFromQueue(L);
456
457   return true;
458 }