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 // It works best when loops have been canonicalized by the -indvars pass,
  15 // allowing it to determine the trip counts of loops easily.
  16 //
  17 // The process of unrolling can produce extraneous basic blocks linked with
  18 // unconditional branches.  This will be corrected in the future.
  19 //
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21
  22 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  23 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  24 #include "llvm/BasicBlock.h"
  25 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  26 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  27 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  28 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  29 #include "llvm/Support/Debug.h"
  30 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  31 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  32 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
  33 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.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
  52 /// FoldBlockIntoPredecessor - Folds a basic block into its predecessor if it
  53 /// only has one predecessor, and that predecessor only has one successor.
  54 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
  55 /// Returns the new combined block.
  56 static BasicBlock *FoldBlockIntoPredecessor(BasicBlock *BB, LoopInfo* LI) {
  57   // Merge basic blocks into their predecessor if there is only one distinct
  58   // pred, and if there is only one distinct successor of the predecessor, and
  59   // if there are no PHI nodes.
  60   BasicBlock *OnlyPred = BB->getSinglePredecessor();
  61   if (!OnlyPred) return 0;
  62
  63   if (OnlyPred->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
  64     return 0;
  65
  66   DEBUG(dbgs() << "Merging: " << *BB << "into: " << *OnlyPred);
  67
  68   // Resolve any PHI nodes at the start of the block.  They are all
  69   // guaranteed to have exactly one entry if they exist, unless there are
  70   // multiple duplicate (but guaranteed to be equal) entries for the
  71   // incoming edges.  This occurs when there are multiple edges from
  72   // OnlyPred to OnlySucc.
  73   FoldSingleEntryPHINodes(BB);
  74
  75   // Delete the unconditional branch from the predecessor...
  76   OnlyPred->getInstList().pop_back();
  77
  78   // Move all definitions in the successor to the predecessor...
  79   OnlyPred->getInstList().splice(OnlyPred->end(), BB->getInstList());
  80
  81   // Make all PHI nodes that referred to BB now refer to Pred as their
  82   // source...
  83   BB->replaceAllUsesWith(OnlyPred);
  84
  85   std::string OldName = BB->getName();
  86
  87   // Erase basic block from the function...
  88   LI->removeBlock(BB);
  89   BB->eraseFromParent();
  90
  91   // Inherit predecessor's name if it exists...
  92   if (!OldName.empty() && !OnlyPred->hasName())
  93     OnlyPred->setName(OldName);
  94
  95   return OnlyPred;
  96 }
  97
  98 /// Unroll the given loop by Count. The loop must be in LCSSA form. Returns true
  99 /// if unrolling was successful, or false if the loop was unmodified. Unrolling
 100 /// can only fail when the loop's latch block is not terminated by a conditional
 101 /// branch instruction. However, if the trip count (and multiple) are not known,
 102 /// loop unrolling will mostly produce more code that is no faster.
 103 ///
 104 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
 105 ///
 106 /// If a LoopPassManager is passed in, and the loop is fully removed, it will be
 107 /// removed from the LoopPassManager as well. LPM can also be NULL.
 108 bool llvm::UnrollLoop(Loop *L, unsigned Count,
 109                       LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
 110   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 111   if (!Preheader) {
 112     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop preheader-insertion failed.\n");
 113     return false;
 114   }
 115
 116   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
 117   if (!LatchBlock) {
 118     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop exit-block-insertion failed.\n");
 119     return false;
 120   }
 121
 122   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 123   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
 124
 125   if (!BI || BI->isUnconditional()) {
 126     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 127     DEBUG(dbgs() <<
 128              "  Can't unroll; loop not terminated by a conditional branch.\n");
 129     return false;
 130   }
 131
 132   if (Header->hasAddressTaken()) {
 133     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 134     DEBUG(dbgs() <<
 135           "  Won't unroll loop: address of header block is taken.\n");
 136     return false;
 137   }
 138
 139   // Notify ScalarEvolution that the loop will be substantially changed,
 140   // if not outright eliminated.
 141   if (ScalarEvolution *SE = LPM->getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>())
 142     SE->forgetLoop(L);
 143
 144   // Find trip count
 145   unsigned TripCount = L->getSmallConstantTripCount();
 146   // Find trip multiple if count is not available
 147   unsigned TripMultiple = 1;
 148   if (TripCount == 0)
 149     TripMultiple = L->getSmallConstantTripMultiple();
 150
 151   if (TripCount != 0)
 152     DEBUG(dbgs() << "  Trip Count = " << TripCount << "\n");
 153   if (TripMultiple != 1)
 154     DEBUG(dbgs() << "  Trip Multiple = " << TripMultiple << "\n");
 155
 156   // Effectively "DCE" unrolled iterations that are beyond the tripcount
 157   // and will never be executed.
 158   if (TripCount != 0 && Count > TripCount)
 159     Count = TripCount;
 160
 161   assert(Count > 0);
 162   assert(TripMultiple > 0);
 163   assert(TripCount == 0 || TripCount % TripMultiple == 0);
 164
 165   // Are we eliminating the loop control altogether?
 166   bool CompletelyUnroll = Count == TripCount;
 167
 168   // If we know the trip count, we know the multiple...
 169   unsigned BreakoutTrip = 0;
 170   if (TripCount != 0) {
 171     BreakoutTrip = TripCount % Count;
 172     TripMultiple = 0;
 173   } else {
 174     // Figure out what multiple to use.
 175     BreakoutTrip = TripMultiple =
 176       (unsigned)GreatestCommonDivisor64(Count, TripMultiple);
 177   }
 178
 179   if (CompletelyUnroll) {
 180     DEBUG(dbgs() << "COMPLETELY UNROLLING loop %" << Header->getName()
 181           << " with trip count " << TripCount << "!\n");
 182   } else {
 183     DEBUG(dbgs() << "UNROLLING loop %" << Header->getName()
 184           << " by " << Count);
 185     if (TripMultiple == 0 || BreakoutTrip != TripMultiple) {
 186       DEBUG(dbgs() << " with a breakout at trip " << BreakoutTrip);
 187     } else if (TripMultiple != 1) {
 188       DEBUG(dbgs() << " with " << TripMultiple << " trips per branch");
 189     }
 190     DEBUG(dbgs() << "!\n");
 191   }
 192
 193   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks = L->getBlocks();
 194
 195   bool ContinueOnTrue = L->contains(BI->getSuccessor(0));
 196   BasicBlock *LoopExit = BI->getSuccessor(ContinueOnTrue);
 197
 198   // For the first iteration of the loop, we should use the precloned values for
 199   // PHI nodes.  Insert associations now.
 200   ValueToValueMapTy LastValueMap;
 201   std::vector<PHINode*> OrigPHINode;
 202   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 203     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
 204     OrigPHINode.push_back(PN);
 205     if (Instruction *I =
 206                 dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock)))
 207       if (L->contains(I))
 208         LastValueMap[I] = I;
 209   }
 210
 211   std::vector<BasicBlock*> Headers;
 212   std::vector<BasicBlock*> Latches;
 213   Headers.push_back(Header);
 214   Latches.push_back(LatchBlock);
 215
 216   for (unsigned It = 1; It != Count; ++It) {
 217     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
 218
 219     for (std::vector<BasicBlock*>::iterator BB = LoopBlocks.begin(),
 220          E = LoopBlocks.end(); BB != E; ++BB) {
 221       ValueToValueMapTy VMap;
 222       BasicBlock *New = CloneBasicBlock(*BB, VMap, "." + Twine(It));
 223       Header->getParent()->getBasicBlockList().push_back(New);
 224
 225       // Loop over all of the PHI nodes in the block, changing them to use the
 226       // incoming values from the previous block.
 227       if (*BB == Header)
 228         for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 229           PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(VMap[OrigPHINode[i]]);
 230           Value *InVal = NewPHI->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
 231           if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal))
 232             if (It > 1 && L->contains(InValI))
 233               InVal = LastValueMap[InValI];
 234           VMap[OrigPHINode[i]] = InVal;
 235           New->getInstList().erase(NewPHI);
 236         }
 237
 238       // Update our running map of newest clones
 239       LastValueMap[*BB] = New;
 240       for (ValueToValueMapTy::iterator VI = VMap.begin(), VE = VMap.end();
 241            VI != VE; ++VI)
 242         LastValueMap[VI->first] = VI->second;
 243
 244       L->addBasicBlockToLoop(New, LI->getBase());
 245
 246       // Add phi entries for newly created values to all exit blocks except
 247       // the successor of the latch block.  The successor of the exit block will
 248       // be updated specially after unrolling all the way.
 249       if (*BB != LatchBlock)
 250         for (Value::use_iterator UI = (*BB)->use_begin(), UE = (*BB)->use_end();
 251              UI != UE;) {
 252           Instruction *UseInst = cast<Instruction>(*UI);
 253           ++UI;
 254           if (isa<PHINode>(UseInst) && !L->contains(UseInst)) {
 255             PHINode *phi = cast<PHINode>(UseInst);
 256             Value *Incoming = phi->getIncomingValueForBlock(*BB);
 257             phi->addIncoming(Incoming, New);
 258           }
 259         }
 260
 261       // Keep track of new headers and latches as we create them, so that
 262       // we can insert the proper branches later.
 263       if (*BB == Header)
 264         Headers.push_back(New);
 265       if (*BB == LatchBlock) {
 266         Latches.push_back(New);
 267
 268         // Also, clear out the new latch's back edge so that it doesn't look
 269         // like a new loop, so that it's amenable to being merged with adjacent
 270         // blocks later on.
 271         TerminatorInst *Term = New->getTerminator();
 272         assert(L->contains(Term->getSuccessor(!ContinueOnTrue)));
 273         assert(Term->getSuccessor(ContinueOnTrue) == LoopExit);
 274         Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, NULL);
 275       }
 276
 277       NewBlocks.push_back(New);
 278     }
 279
 280     // Remap all instructions in the most recent iteration
 281     for (unsigned i = 0; i < NewBlocks.size(); ++i)
 282       for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
 283            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
 284         ::RemapInstruction(I, LastValueMap);
 285   }
 286
 287   // The latch block exits the loop.  If there are any PHI nodes in the
 288   // successor blocks, update them to use the appropriate values computed as the
 289   // last iteration of the loop.
 290   if (Count != 1) {
 291     SmallPtrSet<PHINode*, 8> Users;
 292     for (Value::use_iterator UI = LatchBlock->use_begin(),
 293          UE = LatchBlock->use_end(); UI != UE; ++UI)
 294       if (PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(*UI))
 295         Users.insert(phi);
 296
 297     BasicBlock *LastIterationBB = cast<BasicBlock>(LastValueMap[LatchBlock]);
 298     for (SmallPtrSet<PHINode*,8>::iterator SI = Users.begin(), SE = Users.end();
 299          SI != SE; ++SI) {
 300       PHINode *PN = *SI;
 301       Value *InVal = PN->removeIncomingValue(LatchBlock, false);
 302       // If this value was defined in the loop, take the value defined by the
 303       // last iteration of the loop.
 304       if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal)) {
 305         if (L->contains(InValI))
 306           InVal = LastValueMap[InVal];
 307       }
 308       PN->addIncoming(InVal, LastIterationBB);
 309     }
 310   }
 311
 312   // Now, if we're doing complete unrolling, loop over the PHI nodes in the
 313   // original block, setting them to their incoming values.
 314   if (CompletelyUnroll) {
 315     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 316     for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 317       PHINode *PN = OrigPHINode[i];
 318       PN->replaceAllUsesWith(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader));
 319       Header->getInstList().erase(PN);
 320     }
 321   }
 322
 323   // Now that all the basic blocks for the unrolled iterations are in place,
 324   // set up the branches to connect them.
 325   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 326     // The original branch was replicated in each unrolled iteration.
 327     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 328
 329     // The branch destination.
 330     unsigned j = (i + 1) % e;
 331     BasicBlock *Dest = Headers[j];
 332     bool NeedConditional = true;
 333
 334     // For a complete unroll, make the last iteration end with a branch
 335     // to the exit block.
 336     if (CompletelyUnroll && j == 0) {
 337       Dest = LoopExit;
 338       NeedConditional = false;
 339     }
 340
 341     // If we know the trip count or a multiple of it, we can safely use an
 342     // unconditional branch for some iterations.
 343     if (j != BreakoutTrip && (TripMultiple == 0 || j % TripMultiple != 0)) {
 344       NeedConditional = false;
 345     }
 346
 347     if (NeedConditional) {
 348       // Update the conditional branch's successor for the following
 349       // iteration.
 350       Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, Dest);
 351     } else {
 352       // Replace the conditional branch with an unconditional one.
 353       BranchInst::Create(Dest, Term);
 354       Term->eraseFromParent();
 355       // Merge adjacent basic blocks, if possible.
 356       if (BasicBlock *Fold = FoldBlockIntoPredecessor(Dest, LI)) {
 357         std::replace(Latches.begin(), Latches.end(), Dest, Fold);
 358         std::replace(Headers.begin(), Headers.end(), Dest, Fold);
 359       }
 360     }
 361   }
 362
 363   // At this point, the code is well formed.  We now do a quick sweep over the
 364   // inserted code, doing constant propagation and dead code elimination as we
 365   // go.
 366   const std::vector<BasicBlock*> &NewLoopBlocks = L->getBlocks();
 367   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BB = NewLoopBlocks.begin(),
 368        BBE = NewLoopBlocks.end(); BB != BBE; ++BB)
 369     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ) {
 370       Instruction *Inst = I++;
 371
 372       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
 373         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 374       else if (Value *V = SimplifyInstruction(Inst))
 375         if (LI->replacementPreservesLCSSAForm(Inst, V)) {
 376           Inst->replaceAllUsesWith(V);
 377           (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 378         }
 379     }
 380
 381   NumCompletelyUnrolled += CompletelyUnroll;
 382   ++NumUnrolled;
 383   // Remove the loop from the LoopPassManager if it's completely removed.
 384   if (CompletelyUnroll && LPM != NULL)
 385     LPM->deleteLoopFromQueue(L);
 386
 387   return true;
 388 }