Begin collecting some of the statistics for block placement discussed on
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / MachineBlockPlacement.cpp
index 6831c1b3605946942693727330f337b310865966..53a8779c10e78656faf1e4b413b91b36ce3177ce 100644 (file)
@@ -7,37 +7,54 @@
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 //
-// This file implements basic block placement transformations using branch
-// probability estimates. It is based around "Algo2" from Profile Guided Code
-// Positioning [http://portal.acm.org/citation.cfm?id=989433].
+// This file implements basic block placement transformations using the CFG
+// structure and branch probability estimates.
 //
-// We combine the BlockFrequencyInfo with BranchProbabilityInfo to simulate
-// measured edge-weights. The BlockFrequencyInfo effectively summarizes the
-// probability of starting from any particular block, and the
-// BranchProbabilityInfo the probability of exiting the block via a particular
-// edge. Combined they form a function-wide ordering of the edges.
+// The pass strives to preserve the structure of the CFG (that is, retain
+// a topological ordering of basic blocks) in the absense of a *strong* signal
+// to the contrary from probabilities. However, within the CFG structure, it
+// attempts to choose an ordering which favors placing more likely sequences of
+// blocks adjacent to each other.
+//
+// The algorithm works from the inner-most loop within a function outward, and
+// at each stage walks through the basic blocks, trying to coalesce them into
+// sequential chains where allowed by the CFG (or demanded by heavy
+// probabilities). Finally, it walks the blocks in topological order, and the
+// first time it reaches a chain of basic blocks, it schedules them in the
+// function in-order.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #define DEBUG_TYPE "block-placement2"
-#include "llvm/CodeGen/Passes.h"
-#include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
-#include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
+#include "llvm/CodeGen/Passes.h"
 #include "llvm/Support/Allocator.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
 #include "llvm/ADT/SCCIterator.h"
 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
+#include "llvm/Target/TargetLowering.h"
 #include <algorithm>
 using namespace llvm;
 
+STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
+STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of uncondittional branches");
+STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
+          "Potential frequency of taking conditional branches");
+STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
+          "Potential frequency of taking unconditional branches");
+
 namespace {
 /// \brief A structure for storing a weighted edge.
 ///
@@ -55,7 +72,7 @@ struct WeightedEdge {
 }
 
 namespace {
-struct BlockChain;
+class BlockChain;
 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
 typedef DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChainMapType;
 }
@@ -76,22 +93,12 @@ namespace {
 /// The block chains also have support for calculating and caching probability
 /// information related to the chain itself versus other chains. This is used
 /// for ranking during the final layout of block chains.
-struct BlockChain {
-  class SuccIterator;
-
-  /// \brief The first and last basic block that from this chain.
-  ///
-  /// The chain is stored within the existing function ilist of basic blocks.
-  /// When merging chains or otherwise manipulating them, we splice the blocks
-  /// within this ilist, giving us very cheap storage here and constant time
-  /// merge operations.
+class BlockChain {
+  /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
   ///
-  /// It is extremely important to note that LastBB is the iterator pointing
-  /// *at* the last basic block in the chain. That is, the chain consists of
-  /// the *closed* range [FirstBB, LastBB]. We cannot use half-open ranges
-  /// because the next basic block may get relocated to a different part of the
-  /// function at any time during the run of this pass.
-  MachineFunction::iterator FirstBB, LastBB;
+  /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
+  /// out in-order within the function.
+  SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
 
   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
   ///
@@ -101,177 +108,80 @@ struct BlockChain {
   /// structure.
   BlockToChainMapType &BlockToChain;
 
-  /// \brief The weight used to rank two block chains in the same SCC.
-  ///
-  /// This is used during SCC layout of block chains to cache and rank the
-  /// chains. It is supposed to represent the expected frequency with which
-  /// control reaches a block within this chain, has the option of branching to
-  /// a block in some other chain participating in the SCC, but instead
-  /// continues within this chain. The higher this is, the more costly we
-  /// expect mis-predicted branches between this chain and other chains within
-  /// the SCC to be. Thus, since we expect branches between chains to be
-  /// predicted when backwards and not predicted when forwards, the higher this
-  /// is the more important that this chain is laid out first among those
-  /// chains in the same SCC as it.
-  BlockFrequency InChainEdgeFrequency;
-
+public:
   /// \brief Construct a new BlockChain.
   ///
   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
   /// in with the BlockToChain mapping.
   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
-    : FirstBB(BB), LastBB(BB), BlockToChain(BlockToChain) {
+    : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain) {
     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
     BlockToChain[BB] = this;
   }
 
-  /// \brief Merge another block chain into this one.
+  /// \brief Iterator over blocks within the chain.
+  typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::const_iterator iterator;
+
+  /// \brief Beginning of blocks within the chain.
+  iterator begin() const { return Blocks.begin(); }
+
+  /// \brief End of blocks within the chain.
+  iterator end() const { return Blocks.end(); }
+
+  /// \brief Merge a block chain into this one.
   ///
   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
-  void merge(BlockChain *Chain) {
-    assert(Chain && "Cannot merge a null chain");
-    MachineFunction::iterator EndBB = llvm::next(LastBB);
-    MachineFunction::iterator ChainEndBB = llvm::next(Chain->LastBB);
-
-    // Update the incoming blocks to point to this chain.
-    for (MachineFunction::iterator BI = Chain->FirstBB, BE = ChainEndBB;
-         BI != BE; ++BI) {
-      assert(BlockToChain[BI] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
-      BlockToChain[BI] = this;
+  void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
+    assert(BB);
+    assert(!Blocks.empty());
+    assert(Blocks.back()->isSuccessor(BB));
+
+    // Fast path in case we don't have a chain already.
+    if (!Chain) {
+      assert(!BlockToChain[BB]);
+      Blocks.push_back(BB);
+      BlockToChain[BB] = this;
+      return;
     }
 
-    // We splice the blocks together within the function (unless they already
-    // are adjacent) so we can represent the new chain with a pair of pointers
-    // to basic blocks within the function. This is also useful as each chain
-    // of blocks will end up being laid out contiguously within the function.
-    if (EndBB != Chain->FirstBB)
-      FirstBB->getParent()->splice(EndBB, Chain->FirstBB, ChainEndBB);
-    LastBB = Chain->LastBB;
-  }
-};
-}
-
-namespace {
-/// \brief Successor iterator for BlockChains.
-///
-/// This is an iterator that walks over the successor block chains by looking
-/// through its blocks successors and mapping those back to block chains. This
-/// iterator is not a fully-functioning iterator, it is designed specifically
-/// to support the interface required by SCCIterator when forming and walking
-/// SCCs of BlockChains.
-///
-/// Note that this iterator cannot be used while the chains are still being
-/// formed and/or merged. Unlike the chains themselves, it does store end
-/// iterators which could be moved if the chains are re-ordered. Once we begin
-/// forming and iterating over an SCC of chains, the order of blocks within the
-/// function must not change until we finish using the SCC iterators.
-class BlockChain::SuccIterator
-    : public std::iterator<std::forward_iterator_tag,
-                           BlockChain *, ptrdiff_t> {
-  BlockChain *Chain;
-  MachineFunction::iterator BI, BE;
-  MachineBasicBlock::succ_iterator SI;
-
-public:
-  explicit SuccIterator(BlockChain *Chain)
-    : Chain(Chain), BI(Chain->FirstBB), BE(llvm::next(Chain->LastBB)),
-      SI(BI->succ_begin()) {
-    while (BI != BE && BI->succ_begin() == BI->succ_end())
-      ++BI;
-    if (BI != BE)
-      SI = BI->succ_begin();
-  }
-
-  /// \brief Helper function to create an end iterator for a particular chain.
-  ///
-  /// The "end" state is extremely arbitrary. We chose to have BI == BE, and SI
-  /// == Chain->FirstBB->succ_begin(). The value of SI doesn't really make any
-  /// sense, but rather than try to rationalize SI and our increment, when we
-  /// detect an "end" state, we just immediately call this function to build
-  /// the canonical end iterator.
-  static SuccIterator CreateEnd(BlockChain *Chain) {
-    SuccIterator It(Chain);
-    It.BI = It.BE;
-    return It;
-  }
-
-  bool operator==(const SuccIterator &RHS) const {
-    return (Chain == RHS.Chain && BI == RHS.BI && SI == RHS.SI);
-  }
-  bool operator!=(const SuccIterator &RHS) const {
-    return !operator==(RHS);
-  }
-
-  SuccIterator& operator++() {
-    assert(*this != CreateEnd(Chain) && "Cannot increment the end iterator");
-    // There may be null successor pointers, skip over them.
-    // FIXME: I don't understand *why* there are null successor pointers.
-    do {
-      ++SI;
-      if (SI != BI->succ_end() && *SI)
-        return *this;
-
-      // There may be a basic block without successors. Skip over them.
-      do {
-        ++BI;
-        if (BI == BE)
-          return *this = CreateEnd(Chain);
-      } while (BI->succ_begin() == BI->succ_end());
-      SI = BI->succ_begin();
-    } while (!*SI);
-    return *this;
-  }
-  SuccIterator operator++(int) {
-    SuccIterator tmp = *this;
-    ++*this;
-    return tmp;
-  }
+    assert(BB == *Chain->begin());
+    assert(Chain->begin() != Chain->end());
 
-  BlockChain *operator*() const {
-    assert(Chain->BlockToChain.lookup(*SI) && "Missing chain");
-    return Chain->BlockToChain.lookup(*SI);
-  }
-};
-}
-
-namespace {
-/// \brief Sorter used with containers of BlockChain pointers.
-///
-/// Sorts based on the \see BlockChain::InChainEdgeFrequency -- see its
-/// comments for details on what this ordering represents.
-struct ChainPtrPrioritySorter {
-  bool operator()(const BlockChain *LHS, const BlockChain *RHS) const {
-    assert(LHS && RHS && "Null chain entry");
-    return LHS->InChainEdgeFrequency < RHS->InChainEdgeFrequency;
+    // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
+    // chain structure.
+    for (BlockChain::iterator BI = Chain->begin(), BE = Chain->end();
+         BI != BE; ++BI) {
+      Blocks.push_back(*BI);
+      assert(BlockToChain[*BI] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
+      BlockToChain[*BI] = this;
+    }
   }
 };
 }
 
 namespace {
 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
+  /// \brief A typedef for a block filter set.
+  typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> BlockFilterSet;
+
   /// \brief A handle to the branch probability pass.
   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
 
   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
 
+  /// \brief A handle to the loop info.
+  const MachineLoopInfo *MLI;
+
   /// \brief A handle to the target's instruction info.
   const TargetInstrInfo *TII;
 
-  /// \brief A prioritized list of edges in the BB-graph.
-  ///
-  /// For each function, we insert all control flow edges between BBs, along
-  /// with their "global" frequency. The Frequency of an edge being taken is
-  /// defined as the frequency of entering the source BB (from MBFI) times the
-  /// probability of taking a particular branch out of that block (from MBPI).
-  ///
-  /// Once built, this list is sorted in ascending frequency, making the last
-  /// edge the hottest one in the function.
-  SmallVector<WeightedEdge, 64> Edges;
+  /// \brief A handle to the target's lowering info.
+  const TargetLowering *TLI;
 
   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
   ///
@@ -289,24 +199,13 @@ class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
   /// between basic blocks.
   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
 
-  /// \brief A prioritized sequence of chains.
-  ///
-  /// We build up the ideal sequence of basic block chains in reverse order
-  /// here, and then walk backwards to arrange the final function ordering.
-  SmallVector<BlockChain *, 16> PChains;
-
-#ifndef NDEBUG
-  /// \brief A set of active chains used to sanity-check the pass algorithm.
-  ///
-  /// All operations on this member should be wrapped in an assert or NDEBUG.
-  SmallPtrSet<BlockChain *, 16> ActiveChains;
-#endif
-
   BlockChain *CreateChain(MachineBasicBlock *BB);
-  void PrioritizeEdges(MachineFunction &F);
-  void BuildBlockChains();
-  void PrioritizeChains(MachineFunction &F);
-  void PlaceBlockChains(MachineFunction &F);
+  void mergeSuccessor(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain,
+                      BlockFilterSet *Filter = 0);
+  void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
+  void buildCFGChains(MachineFunction &F);
+  void placeChainsTopologically(MachineFunction &F);
+  void AlignLoops(MachineFunction &F);
 
 public:
   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
@@ -319,6 +218,7 @@ public:
   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
+    AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
   }
 
@@ -331,6 +231,7 @@ INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
 
@@ -338,21 +239,30 @@ FunctionPass *llvm::createMachineBlockPlacementPass() {
   return new MachineBlockPlacement();
 }
 
-namespace llvm {
-/// \brief GraphTraits specialization for our BlockChain graph.
-template <> struct GraphTraits<BlockChain *> {
-  typedef BlockChain NodeType;
-  typedef BlockChain::SuccIterator ChildIteratorType;
+#ifndef NDEBUG
+/// \brief Helper to print the name of a MBB.
+///
+/// Only used by debug logging.
+static std::string getBlockName(MachineBasicBlock *BB) {
+  std::string Result;
+  raw_string_ostream OS(Result);
+  OS << "BB#" << BB->getNumber()
+     << " (derived from LLVM BB '" << BB->getName() << "')";
+  OS.flush();
+  return Result;
+}
 
-  static NodeType *getEntryNode(NodeType *N) { return N; }
-  static BlockChain::SuccIterator child_begin(NodeType *N) {
-    return BlockChain::SuccIterator(N);
-  }
-  static BlockChain::SuccIterator child_end(NodeType *N) {
-    return BlockChain::SuccIterator::CreateEnd(N);
-  }
-};
+/// \brief Helper to print the number of a MBB.
+///
+/// Only used by debug logging.
+static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
+  std::string Result;
+  raw_string_ostream OS(Result);
+  OS << "BB#" << BB->getNumber();
+  OS.flush();
+  return Result;
 }
+#endif
 
 /// \brief Helper to create a new chain for a single BB.
 ///
@@ -362,225 +272,164 @@ template <> struct GraphTraits<BlockChain *> {
 BlockChain *MachineBlockPlacement::CreateChain(MachineBasicBlock *BB) {
   BlockChain *Chain =
     new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
-  assert(ActiveChains.insert(Chain));
   return Chain;
 }
 
-/// \brief Build a prioritized list of edges.
+/// \brief Merge a chain with any viable successor.
 ///
-/// The priority is determined by the product of the block frequency (how
-/// likely it is to arrive at a particular block) times the probability of
-/// taking this particular edge out of the block. This provides a function-wide
-/// ordering of the edges.
-void MachineBlockPlacement::PrioritizeEdges(MachineFunction &F) {
-  assert(Edges.empty() && "Already have an edge list");
-  SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
-  BlockChain *RequiredChain = 0;
-  for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
-    MachineBasicBlock *From = &*FI;
-    // We only consider MBBs with analyzable branches. Even if the analysis
-    // fails, if there is no fallthrough, we can still work with the MBB.
-    MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0;
-    Cond.clear();
-    if (TII->AnalyzeBranch(*From, TBB, FBB, Cond) && From->canFallThrough()) {
-      // We push all unanalyzed blocks onto a chain eagerly to prevent them
-      // from being split later. Create the chain if needed, otherwise just
-      // keep track that these blocks reside on it.
-      if (!RequiredChain)
-        RequiredChain = CreateChain(From);
-      else
-        BlockToChain[From] = RequiredChain;
-    } else {
-      // As soon as we find an analyzable branch, add that block to and
-      // finalize any required chain that has been started. The required chain
-      // is only modeling potentially inexplicable fallthrough, so the first
-      // block to have analyzable fallthrough is a known-safe stopping point.
-      if (RequiredChain) {
-        BlockToChain[From] = RequiredChain;
-        RequiredChain->LastBB = FI;
-        RequiredChain = 0;
-      }
-    }
+/// This routine walks the predecessors of the current block, looking for
+/// viable merge candidates. It has strict rules it uses to determine when
+/// a predecessor can be merged with the current block, which center around
+/// preserving the CFG structure. It performs the merge if any viable candidate
+/// is found.
+void MachineBlockPlacement::mergeSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
+                                           BlockChain *Chain,
+                                           BlockFilterSet *Filter) {
+  assert(BB);
+  assert(Chain);
+
+  // If this block is not at the end of its chain, it cannot merge with any
+  // other chain.
+  if (Chain && *llvm::prior(Chain->end()) != BB)
+    return;
+
+  // Walk through the successors looking for the highest probability edge.
+  MachineBasicBlock *Successor = 0;
+  BranchProbability BestProb = BranchProbability::getZero();
+  DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
+  for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = BB->succ_begin(),
+                                        SE = BB->succ_end();
+       SI != SE; ++SI) {
+    if (BB == *SI || (Filter && !Filter->count(*SI)))
+      continue;
 
-    BlockFrequency BaseFrequency = MBFI->getBlockFreq(From);
-    for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = From->succ_begin(),
-                                          SE = From->succ_end();
-         SI != SE; ++SI) {
-      MachineBasicBlock *To = *SI;
-      WeightedEdge WE = { BaseFrequency * MBPI->getEdgeProbability(From, To),
-                          From, To };
-      Edges.push_back(WE);
+    BranchProbability SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, *SI);
+    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb << "\n");
+    if (!Successor || SuccProb > BestProb || (!(SuccProb < BestProb) &&
+                                              BB->isLayoutSuccessor(*SI))) {
+      Successor = *SI;
+      BestProb = SuccProb;
     }
   }
-  assert(!RequiredChain && "Never found a terminator for a required chain");
-  std::stable_sort(Edges.begin(), Edges.end());
+  if (!Successor)
+    return;
+
+  // Grab a chain if it exists already for this successor and make sure the
+  // successor is at the start of the chain as we can't merge mid-chain. Also,
+  // if the successor chain is the same as our chain, we're already merged.
+  BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Successor];
+  if (SuccChain && (SuccChain == Chain || Successor != *SuccChain->begin()))
+    return;
+
+  // We only merge chains across a CFG merge when the desired merge path is
+  // significantly hotter than the incoming edge. We define a hot edge more
+  // strictly than the BranchProbabilityInfo does, as the two predecessor
+  // blocks may have dramatically different incoming probabilities we need to
+  // account for. Therefor we use the "global" edge weight which is the
+  // branch's probability times the block frequency of the predecessor.
+  BlockFrequency MergeWeight = MBFI->getBlockFreq(BB);
+  MergeWeight *= MBPI->getEdgeProbability(BB, Successor);
+  // We only want to consider breaking the CFG when the merge weight is much
+  // higher (80% vs. 20%), so multiply it by 1/4. This will require the merged
+  // edge to be 4x more likely before we disrupt the CFG. This number matches
+  // the definition of "hot" in BranchProbabilityAnalysis (80% vs. 20%).
+  MergeWeight *= BranchProbability(1, 4);
+  for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = Successor->pred_begin(),
+                                        PE = Successor->pred_end();
+       PI != PE; ++PI) {
+    if (BB == *PI || Successor == *PI) continue;
+    BlockFrequency PredWeight = MBFI->getBlockFreq(*PI);
+    PredWeight *= MBPI->getEdgeProbability(*PI, Successor);
+
+    // Return on the first predecessor we find which outstrips our merge weight.
+    if (MergeWeight < PredWeight)
+      return;
+    DEBUG(dbgs() << "Breaking CFG edge!\n"
+                 << "  Edge from " << getBlockNum(BB) << " to "
+                 << getBlockNum(Successor) << ": " << MergeWeight << "\n"
+                 << "        vs. " << getBlockNum(BB) << " to "
+                 << getBlockNum(*PI) << ": " << PredWeight << "\n");
+  }
+
+  DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB) << " to "
+               << getBlockNum(Successor) << "\n");
+  Chain->merge(Successor, SuccChain);
 }
 
-/// \brief Build chains of basic blocks along hot paths.
+/// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
 ///
-/// Build chains by trying to merge each pair of blocks from the mostly costly
-/// edge first. This is essentially "Algo2" from the Profile Guided Code
-/// Placement paper. While each node is considered a chain of one block, this
-/// routine lazily build the chain objects themselves so that when possible it
-/// can just merge a block into an existing chain.
-void MachineBlockPlacement::BuildBlockChains() {
-  for (SmallVectorImpl<WeightedEdge>::reverse_iterator EI = Edges.rbegin(),
-                                                       EE = Edges.rend();
-       EI != EE; ++EI) {
-    MachineBasicBlock *SourceB = EI->From, *DestB = EI->To;
-    if (SourceB == DestB) continue;
-
-    BlockChain *SourceChain = BlockToChain.lookup(SourceB);
-    if (!SourceChain) SourceChain = CreateChain(SourceB);
-    BlockChain *DestChain = BlockToChain.lookup(DestB);
-    if (!DestChain) DestChain = CreateChain(DestB);
-    if (SourceChain == DestChain)
-      continue;
-
-    bool IsSourceTail =
-      SourceChain->LastBB == MachineFunction::iterator(SourceB);
-    bool IsDestHead =
-      DestChain->FirstBB == MachineFunction::iterator(DestB);
-
-    if (!IsSourceTail || !IsDestHead)
-      continue;
+/// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
+/// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
+/// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
+/// branches.
+void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L) {
+  // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
+  // loops.
+  for (MachineLoop::iterator LI = L.begin(), LE = L.end(); LI != LE; ++LI)
+    buildLoopChains(F, **LI);
+
+  SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> LoopBlockSet(L.block_begin(),
+                                                    L.block_end());
+
+  // Begin building up a set of chains of blocks within this loop which should
+  // remain contiguous. Some of the blocks already belong to a chain which
+  // represents an inner loop.
+  for (MachineLoop::block_iterator BI = L.block_begin(), BE = L.block_end();
+       BI != BE; ++BI) {
+    MachineBasicBlock *BB = *BI;
+    BlockChain *Chain = BlockToChain[BB];
+    if (!Chain) Chain = CreateChain(BB);
+    mergeSuccessor(BB, Chain, &LoopBlockSet);
+  }
+}
 
-    SourceChain->merge(DestChain);
-    assert(ActiveChains.erase(DestChain));
+void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
+  // First build any loop-based chains.
+  for (MachineLoopInfo::iterator LI = MLI->begin(), LE = MLI->end(); LI != LE;
+       ++LI)
+    buildLoopChains(F, **LI);
+
+  // Now walk the blocks of the function forming chains where they don't
+  // violate any CFG structure.
+  for (MachineFunction::iterator BI = F.begin(), BE = F.end();
+       BI != BE; ++BI) {
+    MachineBasicBlock *BB = BI;
+    BlockChain *Chain = BlockToChain[BB];
+    if (!Chain) Chain = CreateChain(BB);
+    mergeSuccessor(BB, Chain);
   }
 }
 
-/// \brief Prioritize the chains to minimize back-edges between chains.
-///
-/// This is the trickiest part of the placement algorithm. Each chain is
-/// a hot-path through a sequence of basic blocks, but there are conditional
-/// branches away from this hot path, and to some other chain. Hardware branch
-/// predictors favor back edges over forward edges, and so it is desirable to
-/// arrange the targets of branches away from a hot path and to some other
-/// chain to come later in the function, making them forward branches, and
-/// helping the branch predictor to predict fallthrough.
-///
-/// In some cases, this is easy. simply topologically walking from the entry
-/// chain through its successors in order would work if there were no cycles
-/// between the chains of blocks, but often there are. In such a case, we first
-/// need to identify the participants in the cycle, and then rank them so that
-/// the linearizing of the chains has the lowest *probability* of causing
-/// a mispredicted branch. To compute the correct rank for a chain, we take the
-/// complement of the branch probability for each branch leading away from the
-/// chain and multiply it by the frequency of the source block for that branch.
-/// This gives us the probability of that particular branch *not* being taken
-/// in this function. The sum of these probabilities for each chain is used as
-/// a rank, so that we order the chain with the highest such sum first.
-/// FIXME: This seems like a good approximation, but there is probably a known
-/// technique for ordering of an SCC given edge weights. It would be good to
-/// use that, or even use its code if possible.
-///
-/// Also notable is that we prioritize the chains from the bottom up, and so
-/// all of the "first" and "before" relationships end up inverted in the code.
-void MachineBlockPlacement::PrioritizeChains(MachineFunction &F) {
+void MachineBlockPlacement::placeChainsTopologically(MachineFunction &F) {
   MachineBasicBlock *EntryB = &F.front();
-  BlockChain *EntryChain = BlockToChain[EntryB];
-  assert(EntryChain && "Missing chain for entry block");
-  assert(EntryChain->FirstBB == F.begin() &&
+  assert(BlockToChain[EntryB] && "Missing chain for entry block");
+  assert(*BlockToChain[EntryB]->begin() == EntryB &&
          "Entry block is not the head of the entry block chain");
 
-  // Form an SCC and walk it from the bottom up.
-  SmallPtrSet<BlockChain *, 4> IsInSCC;
-  for (scc_iterator<BlockChain *> I = scc_begin(EntryChain);
-       !I.isAtEnd(); ++I) {
-    const std::vector<BlockChain *> &SCC = *I;
-    PChains.insert(PChains.end(), SCC.begin(), SCC.end());
-
-    // If there is only one chain in the SCC, it's trivially sorted so just
-    // bail out early. Sorting the SCC is expensive.
-    if (SCC.size() == 1)
+  // Walk the blocks in RPO, and insert each block for a chain in order the
+  // first time we see that chain.
+  MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
+  SmallPtrSet<BlockChain *, 16> VisitedChains;
+  ReversePostOrderTraversal<MachineBasicBlock *> RPOT(EntryB);
+  typedef ReversePostOrderTraversal<MachineBasicBlock *>::rpo_iterator
+    rpo_iterator;
+  for (rpo_iterator I = RPOT.begin(), E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
+    BlockChain *Chain = BlockToChain[*I];
+    assert(Chain);
+    if(!VisitedChains.insert(Chain))
       continue;
-
-    // We work strictly on the PChains range from here on out to maximize
-    // locality.
-    SmallVectorImpl<BlockChain *>::iterator SCCEnd = PChains.end(),
-                                            SCCBegin = SCCEnd - SCC.size();
-    IsInSCC.clear();
-    IsInSCC.insert(SCCBegin, SCCEnd);
-
-    // Compute the edge frequency of staying in a chain, despite the existency
-    // of an edge to some other chain within this SCC.
-    for (SmallVectorImpl<BlockChain *>::iterator SCCI = SCCBegin;
-         SCCI != SCCEnd; ++SCCI) {
-      BlockChain *Chain = *SCCI;
-
-      // Special case the entry chain. Regardless of the weights of other
-      // chains, the entry chain *must* come first, so move it to the end, and
-      // avoid processing that chain at all.
-      if (Chain == EntryChain) {
-        --SCCEnd;
-        if (SCCI == SCCEnd) break;
-        Chain = *SCCI = *SCCEnd;
-        *SCCEnd = EntryChain;
-      }
-
-      // Walk over every block in this chain looking for out-bound edges to
-      // other chains in this SCC.
-      for (MachineFunction::iterator BI = Chain->FirstBB,
-                                     BE = llvm::next(Chain->LastBB);
-           BI != BE; ++BI) {
-        MachineBasicBlock *From = &*BI;
-        for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = BI->succ_begin(),
-                                              SE = BI->succ_end();
-             SI != SE; ++SI) {
-          MachineBasicBlock *To = *SI;
-          if (!To || !IsInSCC.count(BlockToChain[To]))
-            continue;
-          BranchProbability ComplEdgeProb =
-            MBPI->getEdgeProbability(From, To).getCompl();
-          Chain->InChainEdgeFrequency +=
-            MBFI->getBlockFreq(From) * ComplEdgeProb;
-        }
-      }
+    for (BlockChain::iterator BI = Chain->begin(), BE = Chain->end(); BI != BE;
+         ++BI) {
+      DEBUG(dbgs() << (BI == Chain->begin() ? "Placing chain "
+                                            : "          ... ")
+                   << getBlockName(*BI) << "\n");
+      if (InsertPos != MachineFunction::iterator(*BI))
+        F.splice(InsertPos, *BI);
+      else
+        ++InsertPos;
     }
-
-    // Sort the chains within the SCC according to their edge frequencies,
-    // which should make the least costly chain of blocks to mis-place be
-    // ordered first in the prioritized sequence.
-    std::stable_sort(SCCBegin, SCCEnd, ChainPtrPrioritySorter());
-  }
-}
-
-/// \brief Splice the function blocks together based on the chain priorities.
-///
-/// Each chain is already represented as a contiguous range of blocks in the
-/// function. Simply walk backwards down the prioritized chains and splice in
-/// any chains out of order. Note that the first chain we visit is necessarily
-/// the entry chain. It has no predecessors and so must be the top of the SCC.
-/// Also, we cannot splice any chain prior to the entry chain as we can't
-/// splice any blocks prior to the entry block.
-void MachineBlockPlacement::PlaceBlockChains(MachineFunction &F) {
-  assert(!PChains.empty() && "No chains were prioritized");
-  assert(PChains.back() == BlockToChain[&F.front()] &&
-         "The entry chain must always be the final chain");
-
-  MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
-  for (SmallVectorImpl<BlockChain *>::reverse_iterator CI = PChains.rbegin(),
-                                                       CE = PChains.rend();
-       CI != CE; ++CI) {
-    BlockChain *Chain = *CI;
-    // Check that we process this chain only once for debugging.
-    assert(ActiveChains.erase(Chain) && "Processed a chain twice");
-
-    // If this chain is already in the right position, just skip past it.
-    // Otherwise, splice it into position.
-    if (InsertPos == Chain->FirstBB)
-      InsertPos = llvm::next(Chain->LastBB);
-    else
-      F.splice(InsertPos, Chain->FirstBB, llvm::next(Chain->LastBB));
   }
 
-  // Note that we can't assert this is empty as there may be unreachable blocks
-  // in the function.
-#ifndef NDEBUG
-  ActiveChains.clear();
-#endif
-
   // Now that every block is in its final position, update all of the
   // terminators.
   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
@@ -595,6 +444,28 @@ void MachineBlockPlacement::PlaceBlockChains(MachineFunction &F) {
   }
 }
 
+/// \brief Recursive helper to align a loop and any nested loops.
+static void AlignLoop(MachineFunction &F, MachineLoop *L, unsigned Align) {
+  // Recurse through nested loops.
+  for (MachineLoop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
+    AlignLoop(F, *I, Align);
+
+  L->getTopBlock()->setAlignment(Align);
+}
+
+/// \brief Align loop headers to target preferred alignments.
+void MachineBlockPlacement::AlignLoops(MachineFunction &F) {
+  if (F.getFunction()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
+    return;
+
+  unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment();
+  if (!Align)
+    return;  // Don't care about loop alignment.
+
+  for (MachineLoopInfo::iterator I = MLI->begin(), E = MLI->end(); I != E; ++I)
+    AlignLoop(F, *I, Align);
+}
+
 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
   // Check for single-block functions and skip them.
   if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
@@ -602,23 +473,94 @@ bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
 
   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
+  MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
   TII = F.getTarget().getInstrInfo();
-  assert(Edges.empty());
+  TLI = F.getTarget().getTargetLowering();
   assert(BlockToChain.empty());
-  assert(PChains.empty());
-  assert(ActiveChains.empty());
 
-  PrioritizeEdges(F);
-  BuildBlockChains();
-  PrioritizeChains(F);
-  PlaceBlockChains(F);
+  buildCFGChains(F);
+  placeChainsTopologically(F);
+  AlignLoops(F);
 
-  Edges.clear();
   BlockToChain.clear();
-  PChains.clear();
-  ChainAllocator.DestroyAll();
 
   // We always return true as we have no way to track whether the final order
   // differs from the original order.
   return true;
 }
+
+namespace {
+/// \brief A pass to compute block placement statistics.
+///
+/// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
+/// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
+/// be computed in the absense of any placement transformations or when using
+/// alternative placement strategies.
+class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
+  /// \brief A handle to the branch probability pass.
+  const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
+
+  /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
+  const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
+
+public:
+  static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
+  MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
+    initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+  }
+
+  bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F);
+
+  void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
+    AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
+    AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
+    AU.setPreservesAll();
+    MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
+  }
+
+  const char *getPassName() const { return "Block Placement Stats"; }
+};
+}
+
+char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
+INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
+                      "Basic Block Placement Stats", false, false)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
+INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
+                    "Basic Block Placement Stats", false, false)
+
+FunctionPass *llvm::createMachineBlockPlacementStatsPass() {
+  return new MachineBlockPlacementStats();
+}
+
+bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
+  // Check for single-block functions and skip them.
+  if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
+    return false;
+
+  MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
+  MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
+
+  for (MachineFunction::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
+    BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(I);
+    Statistic &NumBranches = (I->succ_size() > 1) ? NumCondBranches
+                                                  : NumUncondBranches;
+    Statistic &BranchTakenFreq = (I->succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq
+                                                      : UncondBranchTakenFreq;
+    for (MachineBasicBlock::succ_iterator SI = I->succ_begin(),
+                                          SE = I->succ_end();
+         SI != SE; ++SI) {
+      // Skip if this successor is a fallthrough.
+      if (I->isLayoutSuccessor(*SI))
+        continue;
+
+      BlockFrequency EdgeFreq = BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(I, *SI);
+      ++NumBranches;
+      BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
+    }
+  }
+
+  return false;
+}
+