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 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  20 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.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/DataLayout.h"
  28 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  29 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
  30 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  31 #include "llvm/Support/Debug.h"
  32 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  33 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  34 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
  35 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  36 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
  37 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
  38 using namespace llvm;
  39
  40 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  41
  42 // TODO: Should these be here or in LoopUnroll?
  43 STATISTIC(NumCompletelyUnrolled, "Number of loops completely unrolled");
  44 STATISTIC(NumUnrolled, "Number of loops unrolled (completely or otherwise)");
  45
  46 /// RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
  47 /// current values into those specified by VMap.
  48 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
  49                                     ValueToValueMapTy &VMap) {
  50   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
  51     Value *Op = I->getOperand(op);
  52     ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(Op);
  53     if (It != VMap.end())
  54       I->setOperand(op, It->second);
  55   }
  56
  57   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
  58     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
  59       ValueToValueMapTy::iterator It = VMap.find(PN->getIncomingBlock(i));
  60       if (It != VMap.end())
  61         PN->setIncomingBlock(i, cast<BasicBlock>(It->second));
  62     }
  63   }
  64 }
  65
  66 /// FoldBlockIntoPredecessor - Folds a basic block into its predecessor if it
  67 /// only has one predecessor, and that predecessor only has one successor.
  68 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.  If folding is
  69 /// successful references to the containing loop must be removed from
  70 /// ScalarEvolution by calling ScalarEvolution::forgetLoop because SE may have
  71 /// references to the eliminated BB.  The argument ForgottenLoops contains a set
  72 /// of loops that have already been forgotten to prevent redundant, expensive
  73 /// calls to ScalarEvolution::forgetLoop.  Returns the new combined block.
  74 static BasicBlock *
  75 FoldBlockIntoPredecessor(BasicBlock *BB, LoopInfo* LI, LPPassManager *LPM,
  76                          SmallPtrSetImpl<Loop *> &ForgottenLoops) {
  77   // Merge basic blocks into their predecessor if there is only one distinct
  78   // pred, and if there is only one distinct successor of the predecessor, and
  79   // if there are no PHI nodes.
  80   BasicBlock *OnlyPred = BB->getSinglePredecessor();
  81   if (!OnlyPred) return nullptr;
  82
  83   if (OnlyPred->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
  84     return nullptr;
  85
  86   DEBUG(dbgs() << "Merging: " << *BB << "into: " << *OnlyPred);
  87
  88   // Resolve any PHI nodes at the start of the block.  They are all
  89   // guaranteed to have exactly one entry if they exist, unless there are
  90   // multiple duplicate (but guaranteed to be equal) entries for the
  91   // incoming edges.  This occurs when there are multiple edges from
  92   // OnlyPred to OnlySucc.
  93   FoldSingleEntryPHINodes(BB);
  94
  95   // Delete the unconditional branch from the predecessor...
  96   OnlyPred->getInstList().pop_back();
  97
  98   // Make all PHI nodes that referred to BB now refer to Pred as their
  99   // source...
 100   BB->replaceAllUsesWith(OnlyPred);
 101
 102   // Move all definitions in the successor to the predecessor...
 103   OnlyPred->getInstList().splice(OnlyPred->end(), BB->getInstList());
 104
 105   // OldName will be valid until erased.
 106   StringRef OldName = BB->getName();
 107
 108   // Erase basic block from the function...
 109
 110   // ScalarEvolution holds references to loop exit blocks.
 111   if (LPM) {
 112     if (ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>()) {
 113       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB)) {
 114         if (ForgottenLoops.insert(L))
 115           SE->forgetLoop(L);
 116       }
 117     }
 118   }
 119   LI->removeBlock(BB);
 120
 121   // Inherit predecessor's name if it exists...
 122   if (!OldName.empty() && !OnlyPred->hasName())
 123     OnlyPred->setName(OldName);
 124
 125   BB->eraseFromParent();
 126
 127   return OnlyPred;
 128 }
 129
 130 /// Unroll the given loop by Count. The loop must be in LCSSA form. Returns true
 131 /// if unrolling was successful, or false if the loop was unmodified. Unrolling
 132 /// can only fail when the loop's latch block is not terminated by a conditional
 133 /// branch instruction. However, if the trip count (and multiple) are not known,
 134 /// loop unrolling will mostly produce more code that is no faster.
 135 ///
 136 /// TripCount is generally defined as the number of times the loop header
 137 /// executes. UnrollLoop relaxes the definition to permit early exits: here
 138 /// TripCount is the iteration on which control exits LatchBlock if no early
 139 /// exits were taken. Note that UnrollLoop assumes that the loop counter test
 140 /// terminates LatchBlock in order to remove unnecesssary instances of the
 141 /// test. In other words, control may exit the loop prior to TripCount
 142 /// iterations via an early branch, but control may not exit the loop from the
 143 /// LatchBlock's terminator prior to TripCount iterations.
 144 ///
 145 /// Similarly, TripMultiple divides the number of times that the LatchBlock may
 146 /// execute without exiting the loop.
 147 ///
 148 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
 149 ///
 150 /// If a LoopPassManager is passed in, and the loop is fully removed, it will be
 151 /// removed from the LoopPassManager as well. LPM can also be NULL.
 152 ///
 153 /// This utility preserves LoopInfo. If DominatorTree or ScalarEvolution are
 154 /// available from the Pass it must also preserve those analyses.
 155 bool llvm::UnrollLoop(Loop *L, unsigned Count, unsigned TripCount,
 156                       bool AllowRuntime, unsigned TripMultiple,
 157                       LoopInfo *LI, Pass *PP, LPPassManager *LPM) {
 158   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 159   if (!Preheader) {
 160     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop preheader-insertion failed.\n");
 161     return false;
 162   }
 163
 164   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
 165   if (!LatchBlock) {
 166     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop exit-block-insertion failed.\n");
 167     return false;
 168   }
 169
 170   // Loops with indirectbr cannot be cloned.
 171   if (!L->isSafeToClone()) {
 172     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; Loop body cannot be cloned.\n");
 173     return false;
 174   }
 175
 176   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 177   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
 178
 179   if (!BI || BI->isUnconditional()) {
 180     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 181     DEBUG(dbgs() <<
 182              "  Can't unroll; loop not terminated by a conditional branch.\n");
 183     return false;
 184   }
 185
 186   if (Header->hasAddressTaken()) {
 187     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 188     DEBUG(dbgs() <<
 189           "  Won't unroll loop: address of header block is taken.\n");
 190     return false;
 191   }
 192
 193   if (TripCount != 0)
 194     DEBUG(dbgs() << "  Trip Count = " << TripCount << "\n");
 195   if (TripMultiple != 1)
 196     DEBUG(dbgs() << "  Trip Multiple = " << TripMultiple << "\n");
 197
 198   // Effectively "DCE" unrolled iterations that are beyond the tripcount
 199   // and will never be executed.
 200   if (TripCount != 0 && Count > TripCount)
 201     Count = TripCount;
 202
 203   // Don't enter the unroll code if there is nothing to do. This way we don't
 204   // need to support "partial unrolling by 1".
 205   if (TripCount == 0 && Count < 2)
 206     return false;
 207
 208   assert(Count > 0);
 209   assert(TripMultiple > 0);
 210   assert(TripCount == 0 || TripCount % TripMultiple == 0);
 211
 212   // Are we eliminating the loop control altogether?
 213   bool CompletelyUnroll = Count == TripCount;
 214
 215   // We assume a run-time trip count if the compiler cannot
 216   // figure out the loop trip count and the unroll-runtime
 217   // flag is specified.
 218   bool RuntimeTripCount = (TripCount == 0 && Count > 0 && AllowRuntime);
 219
 220   if (RuntimeTripCount && !UnrollRuntimeLoopProlog(L, Count, LI, LPM))
 221     return false;
 222
 223   // Notify ScalarEvolution that the loop will be substantially changed,
 224   // if not outright eliminated.
 225   if (PP) {
 226     ScalarEvolution *SE = PP->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
 227     if (SE)
 228       SE->forgetLoop(L);
 229   }
 230
 231   // If we know the trip count, we know the multiple...
 232   unsigned BreakoutTrip = 0;
 233   if (TripCount != 0) {
 234     BreakoutTrip = TripCount % Count;
 235     TripMultiple = 0;
 236   } else {
 237     // Figure out what multiple to use.
 238     BreakoutTrip = TripMultiple =
 239       (unsigned)GreatestCommonDivisor64(Count, TripMultiple);
 240   }
 241
 242   // Report the unrolling decision.
 243   DebugLoc LoopLoc = L->getStartLoc();
 244   Function *F = Header->getParent();
 245   LLVMContext &Ctx = F->getContext();
 246
 247   if (CompletelyUnroll) {
 248     DEBUG(dbgs() << "COMPLETELY UNROLLING loop %" << Header->getName()
 249           << " with trip count " << TripCount << "!\n");
 250     emitOptimizationRemark(Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 251                            Twine("completely unrolled loop with ") +
 252                                Twine(TripCount) + " iterations");
 253   } else {
 254     auto EmitDiag = [&](const Twine &T) {
 255       emitOptimizationRemark(Ctx, DEBUG_TYPE, *F, LoopLoc,
 256                              "unrolled loop by a factor of " + Twine(Count) +
 257                                  T);
 258     };
 259
 260     DEBUG(dbgs() << "UNROLLING loop %" << Header->getName()
 261           << " by " << Count);
 262     if (TripMultiple == 0 || BreakoutTrip != TripMultiple) {
 263       DEBUG(dbgs() << " with a breakout at trip " << BreakoutTrip);
 264       EmitDiag(" with a breakout at trip " + Twine(BreakoutTrip));
 265     } else if (TripMultiple != 1) {
 266       DEBUG(dbgs() << " with " << TripMultiple << " trips per branch");
 267       EmitDiag(" with " + Twine(TripMultiple) + " trips per branch");
 268     } else if (RuntimeTripCount) {
 269       DEBUG(dbgs() << " with run-time trip count");
 270       EmitDiag(" with run-time trip count");
 271     }
 272     DEBUG(dbgs() << "!\n");
 273   }
 274
 275   bool ContinueOnTrue = L->contains(BI->getSuccessor(0));
 276   BasicBlock *LoopExit = BI->getSuccessor(ContinueOnTrue);
 277
 278   // For the first iteration of the loop, we should use the precloned values for
 279   // PHI nodes.  Insert associations now.
 280   ValueToValueMapTy LastValueMap;
 281   std::vector<PHINode*> OrigPHINode;
 282   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 283     OrigPHINode.push_back(cast<PHINode>(I));
 284   }
 285
 286   std::vector<BasicBlock*> Headers;
 287   std::vector<BasicBlock*> Latches;
 288   Headers.push_back(Header);
 289   Latches.push_back(LatchBlock);
 290
 291   // The current on-the-fly SSA update requires blocks to be processed in
 292   // reverse postorder so that LastValueMap contains the correct value at each
 293   // exit.
 294   LoopBlocksDFS DFS(L);
 295   DFS.perform(LI);
 296
 297   // Stash the DFS iterators before adding blocks to the loop.
 298   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockBegin = DFS.beginRPO();
 299   LoopBlocksDFS::RPOIterator BlockEnd = DFS.endRPO();
 300
 301   for (unsigned It = 1; It != Count; ++It) {
 302     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
 303
 304     for (LoopBlocksDFS::RPOIterator BB = BlockBegin; BB != BlockEnd; ++BB) {
 305       ValueToValueMapTy VMap;
 306       BasicBlock *New = CloneBasicBlock(*BB, VMap, "." + Twine(It));
 307       Header->getParent()->getBasicBlockList().push_back(New);
 308
 309       // Loop over all of the PHI nodes in the block, changing them to use the
 310       // incoming values from the previous block.
 311       if (*BB == Header)
 312         for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 313           PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[OrigPHINode[i]]);
 314           Value *InVal = NewPHI->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
 315           if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal))
 316             if (It > 1 && L->contains(InValI))
 317               InVal = LastValueMap[InValI];
 318           VMap[OrigPHINode[i]] = InVal;
 319           New->getInstList().erase(NewPHI);
 320         }
 321
 322       // Update our running map of newest clones
 323       LastValueMap[*BB] = New;
 324       for (ValueToValueMapTy::iterator VI = VMap.begin(), VE = VMap.end();
 325            VI != VE; ++VI)
 326         LastValueMap[VI->first] = VI->second;
 327
 328       L->addBasicBlockToLoop(New, LI->getBase());
 329
 330       // Add phi entries for newly created values to all exit blocks.
 331       for (succ_iterator SI = succ_begin(*BB), SE = succ_end(*BB);
 332            SI != SE; ++SI) {
 333         if (L->contains(*SI))
 334           continue;
 335         for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
 336              PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
 337           Value *Incoming = phi->getIncomingValueForBlock(*BB);
 338           ValueToValueMapTy::iterator It = LastValueMap.find(Incoming);
 339           if (It != LastValueMap.end())
 340             Incoming = It->second;
 341           phi->addIncoming(Incoming, New);
 342         }
 343       }
 344       // Keep track of new headers and latches as we create them, so that
 345       // we can insert the proper branches later.
 346       if (*BB == Header)
 347         Headers.push_back(New);
 348       if (*BB == LatchBlock)
 349         Latches.push_back(New);
 350
 351       NewBlocks.push_back(New);
 352     }
 353
 354     // Remap all instructions in the most recent iteration
 355     for (unsigned i = 0; i < NewBlocks.size(); ++i)
 356       for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
 357            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
 358         ::RemapInstruction(I, LastValueMap);
 359   }
 360
 361   // Loop over the PHI nodes in the original block, setting incoming values.
 362   for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 363     PHINode *PN = OrigPHINode[i];
 364     if (CompletelyUnroll) {
 365       PN->replaceAllUsesWith(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader));
 366       Header->getInstList().erase(PN);
 367     }
 368     else if (Count > 1) {
 369       Value *InVal = PN->removeIncomingValue(LatchBlock, false);
 370       // If this value was defined in the loop, take the value defined by the
 371       // last iteration of the loop.
 372       if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal)) {
 373         if (L->contains(InValI))
 374           InVal = LastValueMap[InVal];
 375       }
 376       assert(Latches.back() == LastValueMap[LatchBlock] && "bad last latch");
 377       PN->addIncoming(InVal, Latches.back());
 378     }
 379   }
 380
 381   // Now that all the basic blocks for the unrolled iterations are in place,
 382   // set up the branches to connect them.
 383   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 384     // The original branch was replicated in each unrolled iteration.
 385     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 386
 387     // The branch destination.
 388     unsigned j = (i + 1) % e;
 389     BasicBlock *Dest = Headers[j];
 390     bool NeedConditional = true;
 391
 392     if (RuntimeTripCount && j != 0) {
 393       NeedConditional = false;
 394     }
 395
 396     // For a complete unroll, make the last iteration end with a branch
 397     // to the exit block.
 398     if (CompletelyUnroll && j == 0) {
 399       Dest = LoopExit;
 400       NeedConditional = false;
 401     }
 402
 403     // If we know the trip count or a multiple of it, we can safely use an
 404     // unconditional branch for some iterations.
 405     if (j != BreakoutTrip && (TripMultiple == 0 || j % TripMultiple != 0)) {
 406       NeedConditional = false;
 407     }
 408
 409     if (NeedConditional) {
 410       // Update the conditional branch's successor for the following
 411       // iteration.
 412       Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, Dest);
 413     } else {
 414       // Remove phi operands at this loop exit
 415       if (Dest != LoopExit) {
 416         BasicBlock *BB = Latches[i];
 417         for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB);
 418              SI != SE; ++SI) {
 419           if (*SI == Headers[i])
 420             continue;
 421           for (BasicBlock::iterator BBI = (*SI)->begin();
 422                PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(BBI); ++BBI) {
 423             Phi->removeIncomingValue(BB, false);
 424           }
 425         }
 426       }
 427       // Replace the conditional branch with an unconditional one.
 428       BranchInst::Create(Dest, Term);
 429       Term->eraseFromParent();
 430     }
 431   }
 432
 433   // Merge adjacent basic blocks, if possible.
 434   SmallPtrSet<Loop *, 4> ForgottenLoops;
 435   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 436     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 437     if (Term->isUnconditional()) {
 438       BasicBlock *Dest = Term->getSuccessor(0);
 439       if (BasicBlock *Fold = FoldBlockIntoPredecessor(Dest, LI, LPM,
 440                                                       ForgottenLoops))
 441         std::replace(Latches.begin(), Latches.end(), Dest, Fold);
 442     }
 443   }
 444
 445   DominatorTree *DT = nullptr;
 446   if (PP) {
 447     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
 448     // Incrementally updating domtree after loop unrolling would be easy.
 449     if (DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
 450             PP->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>()) {
 451       DT = &DTWP->getDomTree();
 452       DT->recalculate(*L->getHeader()->getParent());
 453     }
 454
 455     // Simplify any new induction variables in the partially unrolled loop.
 456     ScalarEvolution *SE = PP->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
 457     if (SE && !CompletelyUnroll) {
 458       SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
 459       simplifyLoopIVs(L, SE, LPM, DeadInsts);
 460
 461       // Aggressively clean up dead instructions that simplifyLoopIVs already
 462       // identified. Any remaining should be cleaned up below.
 463       while (!DeadInsts.empty())
 464         if (Instruction *Inst =
 465             dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
 466           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
 467     }
 468   }
 469   // At this point, the code is well formed.  We now do a quick sweep over the
 470   // inserted code, doing constant propagation and dead code elimination as we
 471   // go.
 472   const std::vector<BasicBlock*> &NewLoopBlocks = L->getBlocks();
 473   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BB = NewLoopBlocks.begin(),
 474        BBE = NewLoopBlocks.end(); BB != BBE; ++BB)
 475     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ) {
 476       Instruction *Inst = I++;
 477
 478       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
 479         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 480       else if (Value *V = SimplifyInstruction(Inst))
 481         if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(Inst, V)) {
 482           Inst->replaceAllUsesWith(V);
 483           (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 484         }
 485     }
 486
 487   NumCompletelyUnrolled += CompletelyUnroll;
 488   ++NumUnrolled;
 489
 490   Loop *OuterL = L->getParentLoop();
 491   // Remove the loop from the LoopPassManager if it's completely removed.
 492   if (CompletelyUnroll && LPM != nullptr)
 493     LPM->deleteLoopFromQueue(L);
 494
 495   // If we have a pass and a DominatorTree we should re-simplify impacted loops
 496   // to ensure subsequent analyses can rely on this form. We want to simplify
 497   // at least one layer outside of the loop that was unrolled so that any
 498   // changes to the parent loop exposed by the unrolling are considered.
 499   if (PP && DT) {
 500     if (!OuterL && !CompletelyUnroll)
 501       OuterL = L;
 502     if (OuterL) {
 503       DataLayoutPass *DLP = PP->getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
 504       const DataLayout *DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
 505       ScalarEvolution *SE = PP->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
 506       simplifyLoop(OuterL, DT, LI, PP, /*AliasAnalysis*/ nullptr, SE, DL);
 507
 508       // LCSSA must be performed on the outermost affected loop. The unrolled
 509       // loop's last loop latch is guaranteed to be in the outermost loop after
 510       // deleteLoopFromQueue updates LoopInfo.
 511       Loop *LatchLoop = LI->getLoopFor(Latches.back());
 512       if (!OuterL->contains(LatchLoop))
 513         while (OuterL->getParentLoop() != LatchLoop)
 514           OuterL = OuterL->getParentLoop();
 515
 516       formLCSSARecursively(*OuterL, *DT, SE);
 517     }
 518   }
 519
 520   return true;
 521 }