LoopInfo: Simplify ownership of Loop objects
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / LoopInfo.h
index 5529be3929ee03ed390f7b958a37f1a4d6c969f8..a2bd6574e615b585ab5a0a350d76e0df7752bf22 100644 (file)
 //===- llvm/Analysis/LoopInfo.h - Natural Loop Calculator -------*- C++ -*-===//
-// 
+//
 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
 //
-// This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
-// the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
-// 
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
+//
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 //
 // This file defines the LoopInfo class that is used to identify natural loops
-// and determine the loop depth of various nodes of the CFG.  Note that natural
+// and determine the loop depth of various nodes of the CFG.  A natural loop
+// has exactly one entry-point, which is called the header. Note that natural
 // loops may actually be several loops that share the same header node.
 //
 // This analysis calculates the nesting structure of loops in a function.  For
 // each natural loop identified, this analysis identifies natural loops
-// contained entirely within the function, the basic blocks the make up the
-// loop, the nesting depth of the loop, and the successor blocks of the loop.
+// contained entirely within the loop and the basic blocks the make up the loop.
+//
+// It can calculate on the fly various bits of information, for example:
 //
-// It can calculate on the fly a variety of different bits of information, such
-// as whether there is a preheader for the loop, the number of back edges to the
-// header, and whether or not a particular block branches out of the loop.
+//  * whether there is a preheader for the loop
+//  * the number of back edges to the header
+//  * whether or not a particular block branches out of the loop
+//  * the successor blocks of the loop
+//  * the loop depth
+//  * etc...
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
-#ifndef LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
-#define LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
-
+#ifndef LLVM_ANALYSIS_LOOPINFO_H
+#define LLVM_ANALYSIS_LOOPINFO_H
+
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/DenseSet.h"
+#include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
+#include "llvm/IR/CFG.h"
+#include "llvm/IR/Instruction.h"
+#include "llvm/IR/Instructions.h"
 #include "llvm/Pass.h"
-#include "Support/GraphTraits.h"
-#include <set>
+#include <algorithm>
 
 namespace llvm {
 
-class DominatorSet;
+// FIXME: Replace this brittle forward declaration with the include of the new
+// PassManager.h when doing so doesn't break the PassManagerBuilder.
+template <typename IRUnitT> class AnalysisManager;
+class PreservedAnalyses;
+
+class DominatorTree;
 class LoopInfo;
+class Loop;
+class MDNode;
 class PHINode;
-class Instruction;
+class raw_ostream;
+template<class N> class DominatorTreeBase;
+template<class N, class M> class LoopInfoBase;
+template<class N, class M> class LoopBase;
 
 //===----------------------------------------------------------------------===//
-/// Loop class - Instances of this class are used to represent loops that are 
-/// detected in the flow graph 
+/// LoopBase class - Instances of this class are used to represent loops that
+/// are detected in the flow graph
 ///
-class Loop {
-  Loop *ParentLoop;
-  std::vector<Loop*> SubLoops;       // Loops contained entirely within this one
-  std::vector<BasicBlock*> Blocks;   // First entry is the header node
-  unsigned LoopDepth;                // Nesting depth of this loop
-
-  Loop(const Loop &);                  // DO NOT IMPLEMENT
-  const Loop &operator=(const Loop &); // DO NOT IMPLEMENT
+template<class BlockT, class LoopT>
+class LoopBase {
+  LoopT *ParentLoop;
+  // SubLoops - Loops contained entirely within this one.
+  std::vector<LoopT *> SubLoops;
+
+  // Blocks - The list of blocks in this loop.  First entry is the header node.
+  std::vector<BlockT*> Blocks;
+
+  SmallPtrSet<const BlockT*, 8> DenseBlockSet;
+
+  /// Indicator that this loop is no longer a valid loop.
+  bool IsInvalid = false;
+
+  LoopBase(const LoopBase<BlockT, LoopT> &) = delete;
+  const LoopBase<BlockT, LoopT>&
+    operator=(const LoopBase<BlockT, LoopT> &) = delete;
 public:
   /// Loop ctor - This creates an empty loop.
-  Loop() : ParentLoop(0), LoopDepth(0) {
-  }
-  ~Loop() {
-    for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
+  LoopBase() : ParentLoop(nullptr) {}
+  ~LoopBase() {
+    for (size_t i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
       delete SubLoops[i];
   }
 
-  unsigned getLoopDepth() const { return LoopDepth; }
-  BasicBlock *getHeader() const { return Blocks.front(); }
-  Loop *getParentLoop() const { return ParentLoop; }
+  /// getLoopDepth - Return the nesting level of this loop.  An outer-most
+  /// loop has depth 1, for consistency with loop depth values used for basic
+  /// blocks, where depth 0 is used for blocks not inside any loops.
+  unsigned getLoopDepth() const {
+    unsigned D = 1;
+    for (const LoopT *CurLoop = ParentLoop; CurLoop;
+         CurLoop = CurLoop->ParentLoop)
+      ++D;
+    return D;
+  }
+  BlockT *getHeader() const { return Blocks.front(); }
+  LoopT *getParentLoop() const { return ParentLoop; }
 
-  /// contains - Return true of the specified basic block is in this loop
+  /// setParentLoop is a raw interface for bypassing addChildLoop.
+  void setParentLoop(LoopT *L) { ParentLoop = L; }
+
+  /// contains - Return true if the specified loop is contained within in
+  /// this loop.
+  ///
+  bool contains(const LoopT *L) const {
+    if (L == this) return true;
+    if (!L)        return false;
+    return contains(L->getParentLoop());
+  }
+
+  /// contains - Return true if the specified basic block is in this loop.
+  ///
+  bool contains(const BlockT *BB) const {
+    return DenseBlockSet.count(BB);
+  }
+
+  /// contains - Return true if the specified instruction is in this loop.
   ///
-  bool contains(const BasicBlock *BB) const;
+  template<class InstT>
+  bool contains(const InstT *Inst) const {
+    return contains(Inst->getParent());
+  }
 
   /// iterator/begin/end - Return the loops contained entirely within this loop.
   ///
-  typedef std::vector<Loop*>::const_iterator iterator;
+  const std::vector<LoopT *> &getSubLoops() const { return SubLoops; }
+  std::vector<LoopT *> &getSubLoopsVector() { return SubLoops; }
+  typedef typename std::vector<LoopT *>::const_iterator iterator;
+  typedef typename std::vector<LoopT *>::const_reverse_iterator
+    reverse_iterator;
   iterator begin() const { return SubLoops.begin(); }
   iterator end() const { return SubLoops.end(); }
+  reverse_iterator rbegin() const { return SubLoops.rbegin(); }
+  reverse_iterator rend() const { return SubLoops.rend(); }
+  bool empty() const { return SubLoops.empty(); }
 
   /// getBlocks - Get a list of the basic blocks which make up this loop.
   ///
-  const std::vector<BasicBlock*> &getBlocks() const { return Blocks; }
-  typedef std::vector<BasicBlock*>::const_iterator block_iterator;
+  const std::vector<BlockT*> &getBlocks() const { return Blocks; }
+  typedef typename std::vector<BlockT*>::const_iterator block_iterator;
   block_iterator block_begin() const { return Blocks.begin(); }
   block_iterator block_end() const { return Blocks.end(); }
+  inline iterator_range<block_iterator> blocks() const {
+    return make_range(block_begin(), block_end());
+  }
 
-  /// isLoopExit - True if terminator in the block can branch to another block
-  /// that is outside of the current loop.
-  ///
-  bool isLoopExit(const BasicBlock *BB) const;
+  /// getNumBlocks - Get the number of blocks in this loop in constant time.
+  unsigned getNumBlocks() const {
+    return Blocks.size();
+  }
 
-  /// getNumBackEdges - Calculate the number of back edges to the loop header
+  /// Invalidate the loop, indicating that it is no longer a loop.
+  void invalidate() { IsInvalid = true; }
+
+  /// Return true if this loop is no longer valid.
+  bool isInvalid() { return IsInvalid; }
+
+  /// isLoopExiting - True if terminator in the block can branch to another
+  /// block that is outside of the current loop.
   ///
-  unsigned getNumBackEdges() const;
+  bool isLoopExiting(const BlockT *BB) const {
+    typedef GraphTraits<const BlockT*> BlockTraits;
+    for (typename BlockTraits::ChildIteratorType SI =
+         BlockTraits::child_begin(BB),
+         SE = BlockTraits::child_end(BB); SI != SE; ++SI) {
+      if (!contains(*SI))
+        return true;
+    }
+    return false;
+  }
 
-  /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
+  /// getNumBackEdges - Calculate the number of back edges to the loop header
   ///
-  bool isLoopInvariant(Value *V) const;
+  unsigned getNumBackEdges() const {
+    unsigned NumBackEdges = 0;
+    BlockT *H = getHeader();
+
+    typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
+    for (typename InvBlockTraits::ChildIteratorType I =
+         InvBlockTraits::child_begin(H),
+         E = InvBlockTraits::child_end(H); I != E; ++I)
+      if (contains(*I))
+        ++NumBackEdges;
+
+    return NumBackEdges;
+  }
 
   //===--------------------------------------------------------------------===//
   // APIs for simple analysis of the loop.
@@ -99,10 +197,30 @@ public:
   // induction variable canonicalization pass should be used to normalize loops
   // for easy analysis.  These methods assume canonical loops.
 
+  /// getExitingBlocks - Return all blocks inside the loop that have successors
+  /// outside of the loop.  These are the blocks _inside of the current loop_
+  /// which branch out.  The returned list is always unique.
+  ///
+  void getExitingBlocks(SmallVectorImpl<BlockT *> &ExitingBlocks) const;
+
+  /// getExitingBlock - If getExitingBlocks would return exactly one block,
+  /// return that block. Otherwise return null.
+  BlockT *getExitingBlock() const;
+
   /// getExitBlocks - Return all of the successor blocks of this loop.  These
   /// are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
   ///
-  void getExitBlocks(std::vector<BasicBlock*> &Blocks) const;
+  void getExitBlocks(SmallVectorImpl<BlockT*> &ExitBlocks) const;
+
+  /// getExitBlock - If getExitBlocks would return exactly one block,
+  /// return that block. Otherwise return null.
+  BlockT *getExitBlock() const;
+
+  /// Edge type.
+  typedef std::pair<const BlockT*, const BlockT*> Edge;
+
+  /// getExitEdges - Return all pairs of (_inside_block_,_outside_block_).
+  void getExitEdges(SmallVectorImpl<Edge> &ExitEdges) const;
 
   /// getLoopPreheader - If there is a preheader for this loop, return it.  A
   /// loop has a preheader if there is only one edge to the header of the loop
@@ -111,27 +229,30 @@ public:
   ///
   /// This method returns null if there is no preheader for the loop.
   ///
-  BasicBlock *getLoopPreheader() const;
-
-  /// getCanonicalInductionVariable - Check to see if the loop has a canonical
-  /// induction variable: an integer recurrence that starts at 0 and increments
-  /// by one each time through the loop.  If so, return the phi node that
-  /// corresponds to it.
-  ///
-  PHINode *getCanonicalInductionVariable() const;
-
-  /// getCanonicalInductionVariableIncrement - Return the LLVM value that holds
-  /// the canonical induction variable value for the "next" iteration of the
-  /// loop.  This always succeeds if getCanonicalInductionVariable succeeds.
-  ///
-  Instruction *getCanonicalInductionVariableIncrement() const;
+  BlockT *getLoopPreheader() const;
 
-  /// getTripCount - Return a loop-invariant LLVM value indicating the number of
-  /// times the loop will be executed.  Note that this means that the backedge
-  /// of the loop executes N-1 times.  If the trip-count cannot be determined,
-  /// this returns null.
+  /// getLoopPredecessor - If the given loop's header has exactly one unique
+  /// predecessor outside the loop, return it. Otherwise return null.
+  /// This is less strict that the loop "preheader" concept, which requires
+  /// the predecessor to have exactly one successor.
   ///
-  Value *getTripCount() const;
+  BlockT *getLoopPredecessor() const;
+
+  /// getLoopLatch - If there is a single latch block for this loop, return it.
+  /// A latch block is a block that contains a branch back to the header.
+  BlockT *getLoopLatch() const;
+
+  /// getLoopLatches - Return all loop latch blocks of this loop. A latch block
+  /// is a block that contains a branch back to the header.
+  void getLoopLatches(SmallVectorImpl<BlockT *> &LoopLatches) const {
+    BlockT *H = getHeader();
+    typedef GraphTraits<Inverse<BlockT*> > InvBlockTraits;
+    for (typename InvBlockTraits::ChildIteratorType I =
+         InvBlockTraits::child_begin(H),
+         E = InvBlockTraits::child_end(H); I != E; ++I)
+      if (contains(*I))
+        LoopLatches.push_back(*I);
+  }
 
   //===--------------------------------------------------------------------===//
   // APIs for updating loop information after changing the CFG
@@ -143,167 +264,608 @@ public:
   /// to the specified LoopInfo object as being in the current basic block.  It
   /// is not valid to replace the loop header with this method.
   ///
-  void addBasicBlockToLoop(BasicBlock *NewBB, LoopInfo &LI);
+  void addBasicBlockToLoop(BlockT *NewBB, LoopInfoBase<BlockT, LoopT> &LI);
 
   /// replaceChildLoopWith - This is used when splitting loops up.  It replaces
   /// the OldChild entry in our children list with NewChild, and updates the
   /// parent pointer of OldChild to be null and the NewChild to be this loop.
   /// This updates the loop depth of the new child.
-  void replaceChildLoopWith(Loop *OldChild, Loop *NewChild);
+  void replaceChildLoopWith(LoopT *OldChild, LoopT *NewChild);
 
   /// addChildLoop - Add the specified loop to be a child of this loop.  This
   /// updates the loop depth of the new child.
   ///
-  void addChildLoop(Loop *NewChild);
+  void addChildLoop(LoopT *NewChild) {
+    assert(!NewChild->ParentLoop && "NewChild already has a parent!");
+    NewChild->ParentLoop = static_cast<LoopT *>(this);
+    SubLoops.push_back(NewChild);
+  }
 
   /// removeChildLoop - This removes the specified child from being a subloop of
   /// this loop.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted
   /// into another loop.
-  Loop *removeChildLoop(iterator OldChild);
+  LoopT *removeChildLoop(iterator I) {
+    assert(I != SubLoops.end() && "Cannot remove end iterator!");
+    LoopT *Child = *I;
+    assert(Child->ParentLoop == this && "Child is not a child of this loop!");
+    SubLoops.erase(SubLoops.begin()+(I-begin()));
+    Child->ParentLoop = nullptr;
+    return Child;
+  }
 
   /// addBlockEntry - This adds a basic block directly to the basic block list.
   /// This should only be used by transformations that create new loops.  Other
   /// transformations should use addBasicBlockToLoop.
-  void addBlockEntry(BasicBlock *BB) {
+  void addBlockEntry(BlockT *BB) {
     Blocks.push_back(BB);
+    DenseBlockSet.insert(BB);
+  }
+
+  /// reverseBlocks - interface to reverse Blocks[from, end of loop] in this loop
+  void reverseBlock(unsigned from) {
+    std::reverse(Blocks.begin() + from, Blocks.end());
+  }
+
+  /// reserveBlocks- interface to do reserve() for Blocks
+  void reserveBlocks(unsigned size) {
+    Blocks.reserve(size);
+  }
+
+  /// moveToHeader - This method is used to move BB (which must be part of this
+  /// loop) to be the loop header of the loop (the block that dominates all
+  /// others).
+  void moveToHeader(BlockT *BB) {
+    if (Blocks[0] == BB) return;
+    for (unsigned i = 0; ; ++i) {
+      assert(i != Blocks.size() && "Loop does not contain BB!");
+      if (Blocks[i] == BB) {
+        Blocks[i] = Blocks[0];
+        Blocks[0] = BB;
+        return;
+      }
+    }
   }
 
   /// removeBlockFromLoop - This removes the specified basic block from the
   /// current loop, updating the Blocks as appropriate.  This does not update
   /// the mapping in the LoopInfo class.
-  void removeBlockFromLoop(BasicBlock *BB);
+  void removeBlockFromLoop(BlockT *BB) {
+    auto I = std::find(Blocks.begin(), Blocks.end(), BB);
+    assert(I != Blocks.end() && "N is not in this list!");
+    Blocks.erase(I);
 
-  void print(std::ostream &O, unsigned Depth = 0) const;
-  void dump() const;
-private:
-  friend class LoopInfo;
-  Loop(BasicBlock *BB) : ParentLoop(0) {
-    Blocks.push_back(BB); LoopDepth = 0;
+    DenseBlockSet.erase(BB);
   }
-  void setLoopDepth(unsigned Level) {
-    LoopDepth = Level;
-    for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
-      SubLoops[i]->setLoopDepth(Level+1);
+
+  /// verifyLoop - Verify loop structure
+  void verifyLoop() const;
+
+  /// verifyLoop - Verify loop structure of this loop and all nested loops.
+  void verifyLoopNest(DenseSet<const LoopT*> *Loops) const;
+
+  void print(raw_ostream &OS, unsigned Depth = 0) const;
+
+protected:
+  friend class LoopInfoBase<BlockT, LoopT>;
+  explicit LoopBase(BlockT *BB) : ParentLoop(nullptr) {
+    Blocks.push_back(BB);
+    DenseBlockSet.insert(BB);
   }
 };
 
+template<class BlockT, class LoopT>
+raw_ostream& operator<<(raw_ostream &OS, const LoopBase<BlockT, LoopT> &Loop) {
+  Loop.print(OS);
+  return OS;
+}
+
+// Implementation in LoopInfoImpl.h
+extern template class LoopBase<BasicBlock, Loop>;
+
+class Loop : public LoopBase<BasicBlock, Loop> {
+public:
+  Loop() {}
+
+  /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
+  ///
+  bool isLoopInvariant(const Value *V) const;
+
+  /// hasLoopInvariantOperands - Return true if all the operands of the
+  /// specified instruction are loop invariant.
+  bool hasLoopInvariantOperands(const Instruction *I) const;
+
+  /// makeLoopInvariant - If the given value is an instruction inside of the
+  /// loop and it can be hoisted, do so to make it trivially loop-invariant.
+  /// Return true if the value after any hoisting is loop invariant. This
+  /// function can be used as a slightly more aggressive replacement for
+  /// isLoopInvariant.
+  ///
+  /// If InsertPt is specified, it is the point to hoist instructions to.
+  /// If null, the terminator of the loop preheader is used.
+  ///
+  bool makeLoopInvariant(Value *V, bool &Changed,
+                         Instruction *InsertPt = nullptr) const;
+
+  /// makeLoopInvariant - If the given instruction is inside of the
+  /// loop and it can be hoisted, do so to make it trivially loop-invariant.
+  /// Return true if the instruction after any hoisting is loop invariant. This
+  /// function can be used as a slightly more aggressive replacement for
+  /// isLoopInvariant.
+  ///
+  /// If InsertPt is specified, it is the point to hoist instructions to.
+  /// If null, the terminator of the loop preheader is used.
+  ///
+  bool makeLoopInvariant(Instruction *I, bool &Changed,
+                         Instruction *InsertPt = nullptr) const;
+
+  /// getCanonicalInductionVariable - Check to see if the loop has a canonical
+  /// induction variable: an integer recurrence that starts at 0 and increments
+  /// by one each time through the loop.  If so, return the phi node that
+  /// corresponds to it.
+  ///
+  /// The IndVarSimplify pass transforms loops to have a canonical induction
+  /// variable.
+  ///
+  PHINode *getCanonicalInductionVariable() const;
+
+  /// isLCSSAForm - Return true if the Loop is in LCSSA form
+  bool isLCSSAForm(DominatorTree &DT) const;
+
+  /// \brief Return true if this Loop and all inner subloops are in LCSSA form.
+  bool isRecursivelyLCSSAForm(DominatorTree &DT) const;
+
+  /// isLoopSimplifyForm - Return true if the Loop is in the form that
+  /// the LoopSimplify form transforms loops to, which is sometimes called
+  /// normal form.
+  bool isLoopSimplifyForm() const;
 
+  /// isSafeToClone - Return true if the loop body is safe to clone in practice.
+  bool isSafeToClone() const;
+
+  /// Returns true if the loop is annotated parallel.
+  ///
+  /// A parallel loop can be assumed to not contain any dependencies between
+  /// iterations by the compiler. That is, any loop-carried dependency checking
+  /// can be skipped completely when parallelizing the loop on the target
+  /// machine. Thus, if the parallel loop information originates from the
+  /// programmer, e.g. via the OpenMP parallel for pragma, it is the
+  /// programmer's responsibility to ensure there are no loop-carried
+  /// dependencies. The final execution order of the instructions across
+  /// iterations is not guaranteed, thus, the end result might or might not
+  /// implement actual concurrent execution of instructions across multiple
+  /// iterations.
+  bool isAnnotatedParallel() const;
+
+  /// Return the llvm.loop loop id metadata node for this loop if it is present.
+  ///
+  /// If this loop contains the same llvm.loop metadata on each branch to the
+  /// header then the node is returned. If any latch instruction does not
+  /// contain llvm.loop or or if multiple latches contain different nodes then
+  /// 0 is returned.
+  MDNode *getLoopID() const;
+  /// Set the llvm.loop loop id metadata for this loop.
+  ///
+  /// The LoopID metadata node will be added to each terminator instruction in
+  /// the loop that branches to the loop header.
+  ///
+  /// The LoopID metadata node should have one or more operands and the first
+  /// operand should should be the node itself.
+  void setLoopID(MDNode *LoopID) const;
+
+  /// hasDedicatedExits - Return true if no exit block for the loop
+  /// has a predecessor that is outside the loop.
+  bool hasDedicatedExits() const;
+
+  /// getUniqueExitBlocks - Return all unique successor blocks of this loop.
+  /// These are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
+  /// This assumes that loop exits are in canonical form.
+  ///
+  void getUniqueExitBlocks(SmallVectorImpl<BasicBlock *> &ExitBlocks) const;
+
+  /// getUniqueExitBlock - If getUniqueExitBlocks would return exactly one
+  /// block, return that block. Otherwise return null.
+  BasicBlock *getUniqueExitBlock() const;
+
+  void dump() const;
+
+  /// \brief Return the debug location of the start of this loop.
+  /// This looks for a BB terminating instruction with a known debug
+  /// location by looking at the preheader and header blocks. If it
+  /// cannot find a terminating instruction with location information,
+  /// it returns an unknown location.
+  DebugLoc getStartLoc() const {
+    BasicBlock *HeadBB;
+
+    // Try the pre-header first.
+    if ((HeadBB = getLoopPreheader()) != nullptr)
+      if (DebugLoc DL = HeadBB->getTerminator()->getDebugLoc())
+        return DL;
+
+    // If we have no pre-header or there are no instructions with debug
+    // info in it, try the header.
+    HeadBB = getHeader();
+    if (HeadBB)
+      return HeadBB->getTerminator()->getDebugLoc();
+
+    return DebugLoc();
+  }
+
+private:
+  friend class LoopInfoBase<BasicBlock, Loop>;
+  explicit Loop(BasicBlock *BB) : LoopBase<BasicBlock, Loop>(BB) {}
+};
 
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 /// LoopInfo - This class builds and contains all of the top level loop
 /// structures in the specified function.
 ///
-class LoopInfo : public FunctionPass {
+
+template<class BlockT, class LoopT>
+class LoopInfoBase {
   // BBMap - Mapping of basic blocks to the inner most loop they occur in
-  std::map<BasicBlock*, Loop*> BBMap;
-  std::vector<Loop*> TopLevelLoops;
-  friend class Loop;
+  DenseMap<const BlockT *, LoopT *> BBMap;
+  std::vector<LoopT *> TopLevelLoops;
+  std::vector<LoopT *> RemovedLoops;
+
+  friend class LoopBase<BlockT, LoopT>;
+  friend class LoopInfo;
+
+  void operator=(const LoopInfoBase &) = delete;
+  LoopInfoBase(const LoopInfoBase &) = delete;
 public:
-  ~LoopInfo() { releaseMemory(); }
+  LoopInfoBase() { }
+  ~LoopInfoBase() { releaseMemory(); }
+
+  LoopInfoBase(LoopInfoBase &&Arg)
+      : BBMap(std::move(Arg.BBMap)),
+        TopLevelLoops(std::move(Arg.TopLevelLoops)) {
+    // We have to clear the arguments top level loops as we've taken ownership.
+    Arg.TopLevelLoops.clear();
+  }
+  LoopInfoBase &operator=(LoopInfoBase &&RHS) {
+    BBMap = std::move(RHS.BBMap);
+
+    for (auto *L : TopLevelLoops)
+      delete L;
+    TopLevelLoops = std::move(RHS.TopLevelLoops);
+    RHS.TopLevelLoops.clear();
+    return *this;
+  }
+
+  void releaseMemory() {
+    BBMap.clear();
+
+    for (auto *L : TopLevelLoops)
+      delete L;
+    TopLevelLoops.clear();
+    for (auto *L : RemovedLoops)
+      delete L;
+    RemovedLoops.clear();
+  }
 
   /// iterator/begin/end - The interface to the top-level loops in the current
   /// function.
   ///
-  typedef std::vector<Loop*>::const_iterator iterator;
+  typedef typename std::vector<LoopT *>::const_iterator iterator;
+  typedef typename std::vector<LoopT *>::const_reverse_iterator
+    reverse_iterator;
   iterator begin() const { return TopLevelLoops.begin(); }
   iterator end() const { return TopLevelLoops.end(); }
+  reverse_iterator rbegin() const { return TopLevelLoops.rbegin(); }
+  reverse_iterator rend() const { return TopLevelLoops.rend(); }
+  bool empty() const { return TopLevelLoops.empty(); }
 
   /// getLoopFor - Return the inner most loop that BB lives in.  If a basic
   /// block is in no loop (for example the entry node), null is returned.
   ///
-  const Loop *getLoopFor(const BasicBlock *BB) const {
-    std::map<BasicBlock *, Loop*>::const_iterator I=BBMap.find((BasicBlock*)BB);
-    return I != BBMap.end() ? I->second : 0;
-  }
+  LoopT *getLoopFor(const BlockT *BB) const { return BBMap.lookup(BB); }
 
   /// operator[] - same as getLoopFor...
   ///
-  inline const Loop *operator[](const BasicBlock *BB) const {
+  const LoopT *operator[](const BlockT *BB) const {
     return getLoopFor(BB);
   }
 
-  /// getLoopDepth - Return the loop nesting level of the specified block...
+  /// getLoopDepth - Return the loop nesting level of the specified block.  A
+  /// depth of 0 means the block is not inside any loop.
   ///
-  unsigned getLoopDepth(const BasicBlock *BB) const {
-    const Loop *L = getLoopFor(BB);
+  unsigned getLoopDepth(const BlockT *BB) const {
+    const LoopT *L = getLoopFor(BB);
     return L ? L->getLoopDepth() : 0;
   }
 
   // isLoopHeader - True if the block is a loop header node
-  bool isLoopHeader(BasicBlock *BB) const {
-    return getLoopFor(BB)->getHeader() == BB;
+  bool isLoopHeader(const BlockT *BB) const {
+    const LoopT *L = getLoopFor(BB);
+    return L && L->getHeader() == BB;
   }
 
-  /// runOnFunction - Calculate the natural loop information.
-  ///
-  virtual bool runOnFunction(Function &F);
-
-  virtual void releaseMemory();
-  void print(std::ostream &O) const;
-
-  /// getAnalysisUsage - Requires dominator sets
-  ///
-  virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
-
   /// removeLoop - This removes the specified top-level loop from this loop info
   /// object.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted into
   /// another loop.
-  Loop *removeLoop(iterator I);
+  LoopT *removeLoop(iterator I) {
+    assert(I != end() && "Cannot remove end iterator!");
+    LoopT *L = *I;
+    assert(!L->getParentLoop() && "Not a top-level loop!");
+    TopLevelLoops.erase(TopLevelLoops.begin() + (I-begin()));
+    return L;
+  }
 
   /// changeLoopFor - Change the top-level loop that contains BB to the
   /// specified loop.  This should be used by transformations that restructure
   /// the loop hierarchy tree.
-  void changeLoopFor(BasicBlock *BB, Loop *L);
+  void changeLoopFor(BlockT *BB, LoopT *L) {
+    if (!L) {
+      BBMap.erase(BB);
+      return;
+    }
+    BBMap[BB] = L;
+  }
 
   /// changeTopLevelLoop - Replace the specified loop in the top-level loops
   /// list with the indicated loop.
-  void changeTopLevelLoop(Loop *OldLoop, Loop *NewLoop);
+  void changeTopLevelLoop(LoopT *OldLoop,
+                          LoopT *NewLoop) {
+    auto I = std::find(TopLevelLoops.begin(), TopLevelLoops.end(), OldLoop);
+    assert(I != TopLevelLoops.end() && "Old loop not at top level!");
+    *I = NewLoop;
+    assert(!NewLoop->ParentLoop && !OldLoop->ParentLoop &&
+           "Loops already embedded into a subloop!");
+  }
+
+  /// addTopLevelLoop - This adds the specified loop to the collection of
+  /// top-level loops.
+  void addTopLevelLoop(LoopT *New) {
+    assert(!New->getParentLoop() && "Loop already in subloop!");
+    TopLevelLoops.push_back(New);
+  }
 
   /// removeBlock - This method completely removes BB from all data structures,
   /// including all of the Loop objects it is nested in and our mapping from
   /// BasicBlocks to loops.
-  void removeBlock(BasicBlock *BB);
+  void removeBlock(BlockT *BB) {
+    auto I = BBMap.find(BB);
+    if (I != BBMap.end()) {
+      for (LoopT *L = I->second; L; L = L->getParentLoop())
+        L->removeBlockFromLoop(BB);
+
+      BBMap.erase(I);
+    }
+  }
 
-  static void stub();  // Noop
-private:
-  void Calculate(const DominatorSet &DS);
-  Loop *ConsiderForLoop(BasicBlock *BB, const DominatorSet &DS);
-  void MoveSiblingLoopInto(Loop *NewChild, Loop *NewParent);
-  void InsertLoopInto(Loop *L, Loop *Parent);
+  // Internals
+
+  static bool isNotAlreadyContainedIn(const LoopT *SubLoop,
+                                      const LoopT *ParentLoop) {
+    if (!SubLoop) return true;
+    if (SubLoop == ParentLoop) return false;
+    return isNotAlreadyContainedIn(SubLoop->getParentLoop(), ParentLoop);
+  }
+
+  /// Create the loop forest using a stable algorithm.
+  void analyze(const DominatorTreeBase<BlockT> &DomTree);
+
+  // Debugging
+  void print(raw_ostream &OS) const;
+
+  void verify() const;
 };
 
+// Implementation in LoopInfoImpl.h
+extern template class LoopInfoBase<BasicBlock, Loop>;
+
+class LoopInfo : public LoopInfoBase<BasicBlock, Loop> {
+  typedef LoopInfoBase<BasicBlock, Loop> BaseT;
+
+  friend class LoopBase<BasicBlock, Loop>;
 
-// Make sure that any clients of this file link in LoopInfo.cpp
-static IncludeFile
-LOOP_INFO_INCLUDE_FILE((void*)&LoopInfo::stub);
+  void operator=(const LoopInfo &) = delete;
+  LoopInfo(const LoopInfo &) = delete;
+public:
+  LoopInfo() {}
+  explicit LoopInfo(const DominatorTreeBase<BasicBlock> &DomTree);
+
+  LoopInfo(LoopInfo &&Arg) : BaseT(std::move(static_cast<BaseT &>(Arg))) {}
+  LoopInfo &operator=(LoopInfo &&RHS) {
+    BaseT::operator=(std::move(static_cast<BaseT &>(RHS)));
+    return *this;
+  }
+
+  // Most of the public interface is provided via LoopInfoBase.
+
+  /// Update LoopInfo after removing the last backedge from a loop. This updates
+  /// the loop forest and parent loops for each block so that \c L is no longer
+  /// referenced, but does not actually delete \c L immediately. The pointer
+  /// will remain valid until this LoopInfo's memory is released.
+  void markAsRemoved(Loop *L);
+
+  /// replacementPreservesLCSSAForm - Returns true if replacing From with To
+  /// everywhere is guaranteed to preserve LCSSA form.
+  bool replacementPreservesLCSSAForm(Instruction *From, Value *To) {
+    // Preserving LCSSA form is only problematic if the replacing value is an
+    // instruction.
+    Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(To);
+    if (!I) return true;
+    // If both instructions are defined in the same basic block then replacement
+    // cannot break LCSSA form.
+    if (I->getParent() == From->getParent())
+      return true;
+    // If the instruction is not defined in a loop then it can safely replace
+    // anything.
+    Loop *ToLoop = getLoopFor(I->getParent());
+    if (!ToLoop) return true;
+    // If the replacing instruction is defined in the same loop as the original
+    // instruction, or in a loop that contains it as an inner loop, then using
+    // it as a replacement will not break LCSSA form.
+    return ToLoop->contains(getLoopFor(From->getParent()));
+  }
+
+  /// \brief Checks if moving a specific instruction can break LCSSA in any
+  /// loop.
+  ///
+  /// Return true if moving \p Inst to before \p NewLoc will break LCSSA,
+  /// assuming that the function containing \p Inst and \p NewLoc is currently
+  /// in LCSSA form.
+  bool movementPreservesLCSSAForm(Instruction *Inst, Instruction *NewLoc) {
+    assert(Inst->getFunction() == NewLoc->getFunction() &&
+           "Can't reason about IPO!");
+
+    auto *OldBB = Inst->getParent();
+    auto *NewBB = NewLoc->getParent();
+
+    // Movement within the same loop does not break LCSSA (the equality check is
+    // to avoid doing a hashtable lookup in case of intra-block movement).
+    if (OldBB == NewBB)
+      return true;
+
+    auto *OldLoop = getLoopFor(OldBB);
+    auto *NewLoop = getLoopFor(NewBB);
+
+    if (OldLoop == NewLoop)
+      return true;
+
+    // Check if Outer contains Inner; with the null loop counting as the
+    // "outermost" loop.
+    auto Contains = [](const Loop *Outer, const Loop *Inner) {
+      return !Outer || Outer->contains(Inner);
+    };
+
+    // To check that the movement of Inst to before NewLoc does not break LCSSA,
+    // we need to check two sets of uses for possible LCSSA violations at
+    // NewLoc: the users of NewInst, and the operands of NewInst.
+
+    // If we know we're hoisting Inst out of an inner loop to an outer loop,
+    // then the uses *of* Inst don't need to be checked.
+
+    if (!Contains(NewLoop, OldLoop)) {
+      for (Use &U : Inst->uses()) {
+        auto *UI = cast<Instruction>(U.getUser());
+        auto *UBB = isa<PHINode>(UI) ? cast<PHINode>(UI)->getIncomingBlock(U)
+                                     : UI->getParent();
+        if (UBB != NewBB && getLoopFor(UBB) != NewLoop)
+          return false;
+      }
+    }
+
+    // If we know we're sinking Inst from an outer loop into an inner loop, then
+    // the *operands* of Inst don't need to be checked.
+
+    if (!Contains(OldLoop, NewLoop)) {
+      // See below on why we can't handle phi nodes here.
+      if (isa<PHINode>(Inst))
+        return false;
+
+      for (Use &U : Inst->operands()) {
+        auto *DefI = dyn_cast<Instruction>(U.get());
+        if (!DefI)
+          return false;
+
+        // This would need adjustment if we allow Inst to be a phi node -- the
+        // new use block won't simply be NewBB.
+
+        auto *DefBlock = DefI->getParent();
+        if (DefBlock != NewBB && getLoopFor(DefBlock) != NewLoop)
+          return false;
+      }
+    }
+
+    return true;
+  }
+};
 
 // Allow clients to walk the list of nested loops...
 template <> struct GraphTraits<const Loop*> {
   typedef const Loop NodeType;
-  typedef std::vector<Loop*>::const_iterator ChildIteratorType;
+  typedef LoopInfo::iterator ChildIteratorType;
 
   static NodeType *getEntryNode(const Loop *L) { return L; }
-  static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { 
+  static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
     return N->begin();
   }
-  static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { 
+  static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
     return N->end();
   }
 };
 
 template <> struct GraphTraits<Loop*> {
   typedef Loop NodeType;
-  typedef std::vector<Loop*>::const_iterator ChildIteratorType;
+  typedef LoopInfo::iterator ChildIteratorType;
 
   static NodeType *getEntryNode(Loop *L) { return L; }
-  static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) { 
+  static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
     return N->begin();
   }
-  static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) { 
+  static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
     return N->end();
   }
 };
 
+/// \brief Analysis pass that exposes the \c LoopInfo for a function.
+class LoopAnalysis {
+  static char PassID;
+
+public:
+  typedef LoopInfo Result;
+
+  /// \brief Opaque, unique identifier for this analysis pass.
+  static void *ID() { return (void *)&PassID; }
+
+  /// \brief Provide a name for the analysis for debugging and logging.
+  static StringRef name() { return "LoopAnalysis"; }
+
+  LoopInfo run(Function &F, AnalysisManager<Function> *AM);
+};
+
+/// \brief Printer pass for the \c LoopAnalysis results.
+class LoopPrinterPass {
+  raw_ostream &OS;
+
+public:
+  explicit LoopPrinterPass(raw_ostream &OS) : OS(OS) {}
+  PreservedAnalyses run(Function &F, AnalysisManager<Function> *AM);
+
+  static StringRef name() { return "LoopPrinterPass"; }
+};
+
+/// \brief The legacy pass manager's analysis pass to compute loop information.
+class LoopInfoWrapperPass : public FunctionPass {
+  LoopInfo LI;
+
+public:
+  static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
+
+  LoopInfoWrapperPass() : FunctionPass(ID) {
+    initializeLoopInfoWrapperPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+  }
+
+  LoopInfo &getLoopInfo() { return LI; }
+  const LoopInfo &getLoopInfo() const { return LI; }
+
+  /// \brief Calculate the natural loop information for a given function.
+  bool runOnFunction(Function &F) override;
+
+  void verifyAnalysis() const override;
+
+  void releaseMemory() override { LI.releaseMemory(); }
+
+  void print(raw_ostream &O, const Module *M = nullptr) const override;
+
+  void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
+};
+
+/// \brief Pass for printing a loop's contents as LLVM's text IR assembly.
+class PrintLoopPass {
+  raw_ostream &OS;
+  std::string Banner;
+
+public:
+  PrintLoopPass();
+  PrintLoopPass(raw_ostream &OS, const std::string &Banner = "");
+
+  PreservedAnalyses run(Loop &L);
+  static StringRef name() { return "PrintLoopPass"; }
+};
+
 } // End llvm namespace
 
 #endif