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