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/BasicBlock.h"
  22 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  23 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  24 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  25 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  26 #include "llvm/Support/Debug.h"
  27 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  28 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  29 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
  30 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  31 using namespace llvm;
  32
  33 // TODO: Should these be here or in LoopUnroll?
  34 STATISTIC(NumCompletelyUnrolled, "Number of loops completely unrolled");
  35 STATISTIC(NumUnrolled, "Number of loops unrolled (completely or otherwise)");
  36
  37 /// RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
  38 /// current values into those specified by VMap.
  39 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
  40                                     ValueToValueMapTy &VMap) {
  41   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
  42     Value *Op = I->getOperand(op);
  43     ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(Op);
  44     if (It != VMap.end())
  45       I->setOperand(op, It->second);
  46   }
  47
  48   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
  49     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
  50       ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(PN->getIncomingBlock(i));
  51       if (It != VMap.end())
  52         PN->setIncomingBlock(i, cast<BasicBlock>(It->second));
  53     }
  54   }
  55 }
  56
  57 /// FoldBlockIntoPredecessor - Folds a basic block into its predecessor if it
  58 /// only has one predecessor, and that predecessor only has one successor.
  59 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
  60 /// Returns the new combined block.
  61 static BasicBlock *FoldBlockIntoPredecessor(BasicBlock *BB, LoopInfo* LI) {
  62   // Merge basic blocks into their predecessor if there is only one distinct
  63   // pred, and if there is only one distinct successor of the predecessor, and
  64   // if there are no PHI nodes.
  65   BasicBlock *OnlyPred = BB->getSinglePredecessor();
  66   if (!OnlyPred) return 0;
  67
  68   if (OnlyPred->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
  69     return 0;
  70
  71   DEBUG(dbgs() << "Merging: " << *BB << "into: " << *OnlyPred);
  72
  73   // Resolve any PHI nodes at the start of the block.  They are all
  74   // guaranteed to have exactly one entry if they exist, unless there are
  75   // multiple duplicate (but guaranteed to be equal) entries for the
  76   // incoming edges.  This occurs when there are multiple edges from
  77   // OnlyPred to OnlySucc.
  78   FoldSingleEntryPHINodes(BB);
  79
  80   // Delete the unconditional branch from the predecessor...
  81   OnlyPred->getInstList().pop_back();
  82
  83   // Make all PHI nodes that referred to BB now refer to Pred as their
  84   // source...
  85   BB->replaceAllUsesWith(OnlyPred);
  86
  87   // Move all definitions in the successor to the predecessor...
  88   OnlyPred->getInstList().splice(OnlyPred->end(), BB->getInstList());
  89
  90   std::string OldName = BB->getName();
  91
  92   // Erase basic block from the function...
  93   LI->removeBlock(BB);
  94   BB->eraseFromParent();
  95
  96   // Inherit predecessor's name if it exists...
  97   if (!OldName.empty() && !OnlyPred->hasName())
  98     OnlyPred->setName(OldName);
  99
 100   return OnlyPred;
 101 }
 102
 103 /// Unroll the given loop by Count. The loop must be in LCSSA form. Returns true
 104 /// if unrolling was successful, or false if the loop was unmodified. Unrolling
 105 /// can only fail when the loop's latch block is not terminated by a conditional
 106 /// branch instruction. However, if the trip count (and multiple) are not known,
 107 /// loop unrolling will mostly produce more code that is no faster.
 108 ///
 109 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
 110 ///
 111 /// If a LoopPassManager is passed in, and the loop is fully removed, it will be
 112 /// removed from the LoopPassManager as well. LPM can also be NULL.
 113 bool llvm::UnrollLoop(Loop *L, unsigned Count, unsigned TripCount,
 114                       unsigned TripMultiple, LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
 115   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 116   if (!Preheader) {
 117     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop preheader-insertion failed.\n");
 118     return false;
 119   }
 120
 121   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
 122   if (!LatchBlock) {
 123     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop exit-block-insertion failed.\n");
 124     return false;
 125   }
 126
 127   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 128   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
 129
 130   if (!BI || BI->isUnconditional()) {
 131     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 132     DEBUG(dbgs() <<
 133              "  Can't unroll; loop not terminated by a conditional branch.\n");
 134     return false;
 135   }
 136
 137   if (Header->hasAddressTaken()) {
 138     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 139     DEBUG(dbgs() <<
 140           "  Won't unroll loop: address of header block is taken.\n");
 141     return false;
 142   }
 143
 144   // Notify ScalarEvolution that the loop will be substantially changed,
 145   // if not outright eliminated.
 146   if (ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>())
 147     SE->forgetLoop(L);
 148
 149   if (TripCount != 0)
 150     DEBUG(dbgs() << "  Trip Count = " << TripCount << "\n");
 151   if (TripMultiple != 1)
 152     DEBUG(dbgs() << "  Trip Multiple = " << TripMultiple << "\n");
 153
 154   // Effectively "DCE" unrolled iterations that are beyond the tripcount
 155   // and will never be executed.
 156   if (TripCount != 0 && Count > TripCount)
 157     Count = TripCount;
 158
 159   assert(Count > 0);
 160   assert(TripMultiple > 0);
 161   assert(TripCount == 0 || TripCount % TripMultiple == 0);
 162
 163   // Are we eliminating the loop control altogether?
 164   bool CompletelyUnroll = Count == TripCount;
 165
 166   // If we know the trip count, we know the multiple...
 167   unsigned BreakoutTrip = 0;
 168   if (TripCount != 0) {
 169     BreakoutTrip = TripCount % Count;
 170     TripMultiple = 0;
 171   } else {
 172     // Figure out what multiple to use.
 173     BreakoutTrip = TripMultiple =
 174       (unsigned)GreatestCommonDivisor64(Count, TripMultiple);
 175   }
 176
 177   if (CompletelyUnroll) {
 178     DEBUG(dbgs() << "COMPLETELY UNROLLING loop %" << Header->getName()
 179           << " with trip count " << TripCount << "!\n");
 180   } else {
 181     DEBUG(dbgs() << "UNROLLING loop %" << Header->getName()
 182           << " by " << Count);
 183     if (TripMultiple == 0 || BreakoutTrip != TripMultiple) {
 184       DEBUG(dbgs() << " with a breakout at trip " << BreakoutTrip);
 185     } else if (TripMultiple != 1) {
 186       DEBUG(dbgs() << " with " << TripMultiple << " trips per branch");
 187     }
 188     DEBUG(dbgs() << "!\n");
 189   }
 190
 191   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks = L->getBlocks();
 192
 193   bool ContinueOnTrue = L->contains(BI->getSuccessor(0));
 194   BasicBlock *LoopExit = BI->getSuccessor(ContinueOnTrue);
 195
 196   // For the first iteration of the loop, we should use the precloned values for
 197   // PHI nodes.  Insert associations now.
 198   ValueToValueMapTy LastValueMap;
 199   std::vector<PHINode*> OrigPHINode;
 200   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 201     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
 202     OrigPHINode.push_back(PN);
 203     if (Instruction *I =
 204                 dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock)))
 205       if (L->contains(I))
 206         LastValueMap[I] = I;
 207   }
 208
 209   std::vector<BasicBlock*> Headers;
 210   std::vector<BasicBlock*> Latches;
 211   Headers.push_back(Header);
 212   Latches.push_back(LatchBlock);
 213
 214   for (unsigned It = 1; It != Count; ++It) {
 215     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
 216
 217     for (std::vector<BasicBlock*>::iterator BB = LoopBlocks.begin(),
 218          E = LoopBlocks.end(); BB != E; ++BB) {
 219       ValueToValueMapTy VMap;
 220       BasicBlock *New = CloneBasicBlock(*BB, VMap, "." + Twine(It));
 221       Header->getParent()->getBasicBlockList().push_back(New);
 222
 223       // Loop over all of the PHI nodes in the block, changing them to use the
 224       // incoming values from the previous block.
 225       if (*BB == Header)
 226         for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 227           PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[OrigPHINode[i]]);
 228           Value *InVal = NewPHI->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
 229           if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal))
 230             if (It > 1 && L->contains(InValI))
 231               InVal = LastValueMap[InValI];
 232           VMap[OrigPHINode[i]] = InVal;
 233           New->getInstList().erase(NewPHI);
 234         }
 235
 236       // Update our running map of newest clones
 237       LastValueMap[*BB] = New;
 238       for (ValueToValueMapTy::iterator VI = VMap.begin(), VE = VMap.end();
 239            VI != VE; ++VI)
 240         LastValueMap[VI->first] = VI->second;
 241
 242       L->addBasicBlockToLoop(New, LI->getBase());
 243
 244       // Add phi entries for newly created values to all exit blocks except
 245       // the successor of the latch block.  The successor of the exit block will
 246       // be updated specially after unrolling all the way.
 247       if (*BB != LatchBlock)
 248         for (succ_iterator SI = succ_begin(*BB), SE = succ_end(*BB); SI != SE;
 249              ++SI)
 250           if (!L->contains(*SI))
 251             for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
 252                  PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
 253               Value *Incoming = phi->getIncomingValueForBlock(*BB);
 254               phi->addIncoming(Incoming, New);
 255             }
 256
 257       // Keep track of new headers and latches as we create them, so that
 258       // we can insert the proper branches later.
 259       if (*BB == Header)
 260         Headers.push_back(New);
 261       if (*BB == LatchBlock) {
 262         Latches.push_back(New);
 263
 264         // Also, clear out the new latch's back edge so that it doesn't look
 265         // like a new loop, so that it's amenable to being merged with adjacent
 266         // blocks later on.
 267         TerminatorInst *Term = New->getTerminator();
 268         assert(L->contains(Term->getSuccessor(!ContinueOnTrue)));
 269         assert(Term->getSuccessor(ContinueOnTrue) == LoopExit);
 270         Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, NULL);
 271       }
 272
 273       NewBlocks.push_back(New);
 274     }
 275
 276     // Remap all instructions in the most recent iteration
 277     for (unsigned i = 0; i < NewBlocks.size(); ++i)
 278       for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
 279            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
 280         ::RemapInstruction(I, LastValueMap);
 281   }
 282
 283   // The latch block exits the loop.  If there are any PHI nodes in the
 284   // successor blocks, update them to use the appropriate values computed as the
 285   // last iteration of the loop.
 286   if (Count != 1) {
 287     BasicBlock *LastIterationBB = cast<BasicBlock>(LastValueMap[LatchBlock]);
 288     for (succ_iterator SI = succ_begin(LatchBlock), SE = succ_end(LatchBlock);
 289          SI != SE; ++SI) {
 290       for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
 291            PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
 292         Value *InVal = PN->removeIncomingValue(LatchBlock, false);
 293         // If this value was defined in the loop, take the value defined by the
 294         // last iteration of the loop.
 295         if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal)) {
 296           if (L->contains(InValI))
 297             InVal = LastValueMap[InVal];
 298         }
 299         PN->addIncoming(InVal, LastIterationBB);
 300       }
 301     }
 302   }
 303
 304   // Now, if we're doing complete unrolling, loop over the PHI nodes in the
 305   // original block, setting them to their incoming values.
 306   if (CompletelyUnroll) {
 307     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 308     for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 309       PHINode *PN = OrigPHINode[i];
 310       PN->replaceAllUsesWith(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader));
 311       Header->getInstList().erase(PN);
 312     }
 313   }
 314
 315   // Now that all the basic blocks for the unrolled iterations are in place,
 316   // set up the branches to connect them.
 317   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 318     // The original branch was replicated in each unrolled iteration.
 319     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 320
 321     // The branch destination.
 322     unsigned j = (i + 1) % e;
 323     BasicBlock *Dest = Headers[j];
 324     bool NeedConditional = true;
 325
 326     // For a complete unroll, make the last iteration end with a branch
 327     // to the exit block.
 328     if (CompletelyUnroll && j == 0) {
 329       Dest = LoopExit;
 330       NeedConditional = false;
 331     }
 332
 333     // If we know the trip count or a multiple of it, we can safely use an
 334     // unconditional branch for some iterations.
 335     if (j != BreakoutTrip && (TripMultiple == 0 || j % TripMultiple != 0)) {
 336       NeedConditional = false;
 337     }
 338
 339     if (NeedConditional) {
 340       // Update the conditional branch's successor for the following
 341       // iteration.
 342       Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, Dest);
 343     } else {
 344       // Replace the conditional branch with an unconditional one.
 345       BranchInst::Create(Dest, Term);
 346       Term->eraseFromParent();
 347     }
 348   }
 349
 350   // Merge adjacent basic blocks, if possible.
 351   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 352     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 353     if (Term->isUnconditional()) {
 354       BasicBlock *Dest = Term->getSuccessor(0);
 355       if (BasicBlock *Fold = FoldBlockIntoPredecessor(Dest, LI))
 356         std::replace(Latches.begin(), Latches.end(), Dest, Fold);
 357     }
 358   }
 359
 360   // At this point, the code is well formed.  We now do a quick sweep over the
 361   // inserted code, doing constant propagation and dead code elimination as we
 362   // go.
 363   const std::vector<BasicBlock*> &NewLoopBlocks = L->getBlocks();
 364   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BB = NewLoopBlocks.begin(),
 365        BBE = NewLoopBlocks.end(); BB != BBE; ++BB)
 366     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ) {
 367       Instruction *Inst = I++;
 368
 369       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
 370         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 371       else if (Value *V = SimplifyInstruction(Inst))
 372         if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(Inst, V)) {
 373           Inst->replaceAllUsesWith(V);
 374           (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 375         }
 376     }
 377
 378   NumCompletelyUnrolled += CompletelyUnroll;
 379   ++NumUnrolled;
 380   // Remove the loop from the LoopPassManager if it's completely removed.
 381   if (CompletelyUnroll && LPM != NULL)
 382     LPM->deleteLoopFromQueue(L);
 383
 384   return true;
 385 }