Fix a spelling error in the description of a statistic. NFC
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / MachineBlockPlacement.cpp
index 32eb70e21ff2738a0be50b118ac38dd64f317d1c..78a7b2a0a1bed20c6b65d64f7ed6da140b20b5de 100644 (file)
@@ -11,7 +11,7 @@
 // structure and branch probability estimates.
 //
 // 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
+// a topological ordering of basic blocks) in the absence 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.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
-#define DEBUG_TYPE "block-placement2"
+#include "llvm/CodeGen/Passes.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallVector.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
+#include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.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/CommandLine.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/Support/raw_ostream.h"
 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
+#include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
 #include <algorithm>
 using namespace llvm;
 
-namespace {
-/// \brief A structure for storing a weighted edge.
-///
-/// This stores an edge and its weight, computed as the product of the
-/// frequency that the starting block is entered with the probability of
-/// a particular exit block.
-struct WeightedEdge {
-  BlockFrequency EdgeFrequency;
-  MachineBasicBlock *From, *To;
-
-  bool operator<(const WeightedEdge &RHS) const {
-    return EdgeFrequency < RHS.EdgeFrequency;
-  }
-};
-}
+#define DEBUG_TYPE "block-placement"
+
+STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
+STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of unconditional branches");
+STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
+          "Potential frequency of taking conditional branches");
+STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
+          "Potential frequency of taking unconditional branches");
+
+static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
+                                       cl::desc("Force the alignment of all "
+                                                "blocks in the function."),
+                                       cl::init(0), cl::Hidden);
+
+// FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
+static cl::opt<unsigned> ExitBlockBias(
+    "block-placement-exit-block-bias",
+    cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
+             "over the original exit to be considered the new exit."),
+    cl::init(0), cl::Hidden);
+
+static cl::opt<bool> OutlineOptionalBranches(
+    "outline-optional-branches",
+    cl::desc("Put completely optional branches, i.e. branches with a common "
+             "post dominator, out of line."),
+    cl::init(false), cl::Hidden);
+
+static cl::opt<unsigned> OutlineOptionalThreshold(
+    "outline-optional-threshold",
+    cl::desc("Don't outline optional branches that are a single block with an "
+             "instruction count below this threshold"),
+    cl::init(4), cl::Hidden);
 
 namespace {
 class BlockChain;
@@ -75,17 +92,13 @@ namespace {
 ///
 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
-/// probabilities. We also can use a block chain to represent a sequence of
-/// basic blocks which have some external (correctness) requirement for
-/// sequential layout.
-///
-/// Eventually, the block chains will form a directed graph over the function.
-/// We provide an SCC-supporting-iterator in order to quicky build and walk the
-/// SCCs of block chains within a function.
+/// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
+/// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
+/// requirement for sequential layout.
 ///
-/// 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.
+/// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
+/// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
+/// automatically as chains are merged together.
 class BlockChain {
   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
   ///
@@ -108,19 +121,19 @@ public:
   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
   /// in with the BlockToChain mapping.
   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
-    : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain) {
+      : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain), LoopPredecessors(0) {
     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
     BlockToChain[BB] = this;
   }
 
   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
-  typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::const_iterator iterator;
+  typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator iterator;
 
   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
-  iterator begin() const { return Blocks.begin(); }
+  iterator begin() { return Blocks.begin(); }
 
   /// \brief End of blocks within the chain.
-  iterator end() const { return Blocks.end(); }
+  iterator end() { return Blocks.end(); }
 
   /// \brief Merge a block chain into this one.
   ///
@@ -131,7 +144,6 @@ public:
   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) {
@@ -146,13 +158,26 @@ public:
 
     // 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;
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : *Chain) {
+      Blocks.push_back(ChainBB);
+      assert(BlockToChain[ChainBB] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
+      BlockToChain[ChainBB] = this;
     }
   }
+
+#ifndef NDEBUG
+  /// \brief Dump the blocks in this chain.
+  LLVM_DUMP_METHOD void dump() {
+    for (MachineBasicBlock *MBB : *this)
+      MBB->dump();
+  }
+#endif // NDEBUG
+
+  /// \brief Count of predecessors within the loop currently being processed.
+  ///
+  /// This count is updated at each loop we process to represent the number of
+  /// in-loop predecessors of this chain.
+  unsigned LoopPredecessors;
 };
 }
 
@@ -174,14 +199,22 @@ class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
   const TargetInstrInfo *TII;
 
   /// \brief A handle to the target's lowering info.
-  const TargetLowering *TLI;
+  const TargetLoweringBase *TLI;
+
+  /// \brief A handle to the post dominator tree.
+  MachineDominatorTree *MDT;
+
+  /// \brief A set of blocks that are unavoidably execute, i.e. they dominate
+  /// all terminators of the MachineFunction.
+  SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> UnavoidableBlocks;
 
   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
   ///
-  /// We build BlockChains lazily by merging together high probability BB
-  /// sequences acording to the "Algo2" in the paper mentioned at the top of
-  /// the file. To reduce malloc traffic, we allocate them using this slab-like
-  /// allocator, and destroy them after the pass completes.
+  /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
+  /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
+  /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
+  /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
+  /// the chains.
   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
 
   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
@@ -192,13 +225,31 @@ class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
   /// between basic blocks.
   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
 
-  BlockChain *CreateChain(MachineBasicBlock *BB);
-  void mergeSuccessor(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain,
-                      BlockFilterSet *Filter = 0);
+  void markChainSuccessors(BlockChain &Chain, MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
+                           SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
+                           const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
+  MachineBasicBlock *selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
+                                         BlockChain &Chain,
+                                         const BlockFilterSet *BlockFilter);
+  MachineBasicBlock *
+  selectBestCandidateBlock(BlockChain &Chain,
+                           SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
+                           const BlockFilterSet *BlockFilter);
+  MachineBasicBlock *
+  getFirstUnplacedBlock(MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
+                        MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
+                        const BlockFilterSet *BlockFilter);
+  void buildChain(MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
+                  SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
+                  const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
+  MachineBasicBlock *findBestLoopTop(MachineLoop &L,
+                                     const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
+  MachineBasicBlock *findBestLoopExit(MachineFunction &F, MachineLoop &L,
+                                      const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
   void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
+  void rotateLoop(BlockChain &LoopChain, MachineBasicBlock *ExitingBB,
+                  const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
   void buildCFGChains(MachineFunction &F);
-  void placeChainsTopologically(MachineFunction &F);
-  void AlignLoops(MachineFunction &F);
 
 public:
   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
@@ -206,32 +257,29 @@ public:
     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
   }
 
-  bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F);
+  bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
 
-  void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
+  void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
+    AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
   }
-
-  const char *getPassName() const { return "Block Placement"; }
 };
 }
 
 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
-INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
+char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
+INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement",
                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineDominatorTree)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
-INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement2",
+INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement",
                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
 
-FunctionPass *llvm::createMachineBlockPlacementPass() {
-  return new MachineBlockPlacement();
-}
-
 #ifndef NDEBUG
 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
 ///
@@ -239,8 +287,8 @@ FunctionPass *llvm::createMachineBlockPlacementPass() {
 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 << "BB#" << BB->getNumber();
+  OS << " (derived from LLVM BB '" << BB->getName() << "')";
   OS.flush();
   return Result;
 }
@@ -257,96 +305,490 @@ static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
 }
 #endif
 
-/// \brief Helper to create a new chain for a single BB.
+/// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
 ///
-/// Takes care of growing the Chains, setting up the BlockChain object, and any
-/// debug checking logic.
-/// \returns A pointer to the new BlockChain.
-BlockChain *MachineBlockPlacement::CreateChain(MachineBasicBlock *BB) {
-  BlockChain *Chain =
-    new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
-  return Chain;
+/// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
+/// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
+/// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
+/// chain which reach the zero-predecessor state to the worklist passed in.
+void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
+    BlockChain &Chain, MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
+    SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
+    const BlockFilterSet *BlockFilter) {
+  // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
+  // a predecessor placed.
+  for (MachineBasicBlock *MBB : Chain) {
+    // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
+    // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
+    // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
+    // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
+    for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
+      if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
+        continue;
+      BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
+      // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
+      if (&Chain == &SuccChain || Succ == LoopHeaderBB)
+        continue;
+
+      // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
+      // loop predecessor count of the destination chain.
+      if (SuccChain.LoopPredecessors > 0 && --SuccChain.LoopPredecessors == 0)
+        BlockWorkList.push_back(*SuccChain.begin());
+    }
+  }
 }
 
-/// \brief Merge a chain with any viable successor.
+/// \brief Select the best successor for a block.
+///
+/// This looks across all successors of a particular block and attempts to
+/// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
+/// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
+/// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
+/// very hot successor edges.
 ///
-/// 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) {
+/// \returns The best successor block found, or null if none are viable.
+MachineBasicBlock *
+MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
+                                           BlockChain &Chain,
+                                           const BlockFilterSet *BlockFilter) {
+  const BranchProbability HotProb(4, 5); // 80%
+
+  MachineBasicBlock *BestSucc = nullptr;
+  // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
+  // the MBPI analysis, we manually compute probabilities using the edge
+  // weights. This is suboptimal as it means that the somewhat subtle
+  // definition of edge weight semantics is encoded here as well. We should
+  // improve the MBPI interface to efficiently support query patterns such as
+  // this.
+  uint32_t BestWeight = 0;
+  uint32_t WeightScale = 0;
+  uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(BB, WeightScale);
+  DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
+  for (MachineBasicBlock *Succ : BB->successors()) {
+    if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
+      continue;
+    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
+    if (&SuccChain == &Chain) {
+      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Already merged!\n");
+      continue;
+    }
+    if (Succ != *SuccChain.begin()) {
+      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Mid chain!\n");
+      continue;
+    }
+
+    uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, Succ);
+    BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
+
+    // If we outline optional branches, look whether Succ is unavoidable, i.e.
+    // dominates all terminators of the MachineFunction. If it does, other
+    // successors must be optional. Don't do this for cold branches.
+    if (OutlineOptionalBranches && SuccProb > HotProb.getCompl() &&
+        UnavoidableBlocks.count(Succ) > 0) {
+      auto HasShortOptionalBranch = [&]() {
+        for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
+          // Check whether there is an unplaced optional branch.
+          if (Pred == Succ || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
+              BlockToChain[Pred] == &Chain)
+            continue;
+          // Check whether the optional branch has exactly one BB.
+          if (Pred->pred_size() > 1 || *Pred->pred_begin() != BB)
+            continue;
+          // Check whether the optional branch is small.
+          if (Pred->size() < OutlineOptionalThreshold)
+            return true;
+        }
+        return false;
+      };
+      if (!HasShortOptionalBranch())
+        return Succ;
+    }
+
+    // Only consider successors which are either "hot", or wouldn't violate
+    // any CFG constraints.
+    if (SuccChain.LoopPredecessors != 0) {
+      if (SuccProb < HotProb) {
+        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
+                     << " (prob) (CFG conflict)\n");
+        continue;
+      }
+
+      // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
+      // important predecessor.
+      BlockFrequency CandidateEdgeFreq =
+          MBFI->getBlockFreq(BB) * SuccProb * HotProb.getCompl();
+      bool BadCFGConflict = false;
+      for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
+        if (Pred == Succ || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
+            BlockToChain[Pred] == &Chain)
+          continue;
+        BlockFrequency PredEdgeFreq =
+            MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
+        if (PredEdgeFreq >= CandidateEdgeFreq) {
+          BadCFGConflict = true;
+          break;
+        }
+      }
+      if (BadCFGConflict) {
+        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
+                     << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
+        continue;
+      }
+    }
+
+    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
+                 << " (prob)"
+                 << (SuccChain.LoopPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
+                 << "\n");
+    if (BestSucc && BestWeight >= SuccWeight)
+      continue;
+    BestSucc = Succ;
+    BestWeight = SuccWeight;
+  }
+  return BestSucc;
+}
+
+/// \brief Select the best block from a worklist.
+///
+/// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
+/// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
+/// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
+/// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
+/// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
+/// loop body in order to improve icache behavior.
+///
+/// \returns The best block found, or null if none are viable.
+MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
+    BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList,
+    const BlockFilterSet *BlockFilter) {
+  // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
+  // worklist of already placed entries.
+  // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
+  // some code complexity) into the loop below.
+  WorkList.erase(std::remove_if(WorkList.begin(), WorkList.end(),
+                                [&](MachineBasicBlock *BB) {
+                                  return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
+                                }),
+                 WorkList.end());
+
+  MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
+  BlockFrequency BestFreq;
+  for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
+    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
+    if (&SuccChain == &Chain) {
+      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> Already merged!\n");
+      continue;
+    }
+    assert(SuccChain.LoopPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
+
+    BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
+    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
+          MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
+    if (BestBlock && BestFreq >= CandidateFreq)
+      continue;
+    BestBlock = MBB;
+    BestFreq = CandidateFreq;
+  }
+  return BestBlock;
+}
+
+/// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
+///
+/// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
+/// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
+/// We walk through the function's blocks in order, starting from the
+/// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
+/// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
+MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
+    MachineFunction &F, const BlockChain &PlacedChain,
+    MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
+    const BlockFilterSet *BlockFilter) {
+  for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F.end(); I != E;
+       ++I) {
+    if (BlockFilter && !BlockFilter->count(I))
+      continue;
+    if (BlockToChain[I] != &PlacedChain) {
+      PrevUnplacedBlockIt = I;
+      // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
+      // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
+      // and satisfies the requirements of merging chains.
+      return *BlockToChain[I]->begin();
+    }
+  }
+  return nullptr;
+}
+
+void MachineBlockPlacement::buildChain(
+    MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
+    SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
+    const BlockFilterSet *BlockFilter) {
   assert(BB);
-  assert(Chain);
+  assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
+  MachineFunction &F = *BB->getParent();
+  MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F.begin();
 
-  // 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;
+  MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = BB;
+  markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
+  BB = *std::prev(Chain.end());
+  for (;;) {
+    assert(BB);
+    assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
+    assert(*std::prev(Chain.end()) == BB);
 
-  // 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)))
+    // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
+    // after this block.
+    MachineBasicBlock *BestSucc = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
+
+    // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
+    // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
+    // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
+    if (!BestSucc)
+      BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList, BlockFilter);
+
+    if (!BestSucc) {
+      BestSucc =
+          getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
+      if (!BestSucc)
+        break;
+
+      DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
+                      "layout successor until the CFG reduces\n");
+    }
+
+    // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
+    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
+    // Zero out LoopPredecessors for the successor we're about to merge in case
+    // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
+    SuccChain.LoopPredecessors = 0;
+    DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB) << " to "
+                 << getBlockNum(BestSucc) << "\n");
+    markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
+    Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
+    BB = *std::prev(Chain.end());
+  }
+
+  DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
+               << getBlockNum(*Chain.begin()) << "\n");
+}
+
+/// \brief Find the best loop top block for layout.
+///
+/// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
+/// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
+/// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
+/// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
+/// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
+/// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
+/// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
+/// header is always profitable.
+MachineBasicBlock *
+MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(MachineLoop &L,
+                                       const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
+  // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
+  // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
+  // prevent pulling the preheader into the loop body.
+  BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
+  if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
+    return L.getHeader();
+
+  DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: " << getBlockName(L.getHeader())
+               << "\n");
+
+  BlockFrequency BestPredFreq;
+  MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
+  for (MachineBasicBlock *Pred : L.getHeader()->predecessors()) {
+    if (!LoopBlockSet.count(Pred))
+      continue;
+    DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", "
+                 << Pred->succ_size() << " successors, ";
+          MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
+    if (Pred->succ_size() > 1)
       continue;
 
-    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;
+    BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
+    if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
+        (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
+         Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
+      BestPred = Pred;
+      BestPredFreq = PredFreq;
     }
   }
-  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()))
+  // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
+  if (!BestPred)
+    return L.getHeader();
+
+  // Walk backwards through any straight line of predecessors.
+  while (BestPred->pred_size() == 1 &&
+         (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
+         *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
+    BestPred = *BestPred->pred_begin();
+
+  DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
+  return BestPred;
+}
+
+/// \brief Find the best loop exiting block for layout.
+///
+/// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
+/// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
+/// fallthrough opportunities.
+MachineBasicBlock *
+MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(MachineFunction &F, MachineLoop &L,
+                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
+  // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
+  // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
+  // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
+  // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
+  // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
+  // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
+  // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
+  // header and only rotate if safe.
+  BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
+  if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
+    return nullptr;
+
+  BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
+  unsigned BestExitLoopDepth = 0;
+  MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
+  // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
+  // fallthrough opportunites unless it selects such an exit. Keep a set of
+  // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
+  SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
+
+  DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: " << getBlockName(L.getHeader())
+               << "\n");
+  for (MachineBasicBlock *MBB : L.getBlocks()) {
+    BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
+    // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
+    // mid-way through an inner loop or a successor of an unanalyzable branch.
+    if (MBB != *std::prev(Chain.end()))
+      continue;
+
+    // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
+    // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
+    // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
+    // successor isn't found.
+    MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
+    BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
+    bool HasLoopingSucc = false;
+    // FIXME: Due to the performance of the probability and weight routines in
+    // the MBPI analysis, we use the internal weights and manually compute the
+    // probabilities to avoid quadratic behavior.
+    uint32_t WeightScale = 0;
+    uint32_t SumWeight = MBPI->getSumForBlock(MBB, WeightScale);
+    for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
+      if (Succ->isEHPad())
+        continue;
+      if (Succ == MBB)
+        continue;
+      BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
+      // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
+      if (&Chain == &SuccChain) {
+        DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
+                     << getBlockName(Succ) << " (chain conflict)\n");
+        continue;
+      }
+
+      uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(MBB, Succ);
+      if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
+        DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
+                     << getBlockName(Succ) << " (" << SuccWeight << ")\n");
+        HasLoopingSucc = true;
+        continue;
+      }
+
+      unsigned SuccLoopDepth = 0;
+      if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
+        SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
+        if (ExitLoop->contains(&L))
+          BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
+      }
+
+      BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
+      BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB) * SuccProb;
+      DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
+                   << getBlockName(Succ) << " [L:" << SuccLoopDepth << "] (";
+            MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
+      // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
+      // incoming order in the absence of better information. The exit must have
+      // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
+      // the layout.
+      BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
+      if (!ExitingBB || SuccLoopDepth > BestExitLoopDepth ||
+          ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
+          (MBB->isLayoutSuccessor(Succ) &&
+           !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
+        BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
+        ExitingBB = MBB;
+      }
+    }
+
+    if (!HasLoopingSucc) {
+      // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
+      ExitingBB = OldExitingBB;
+      BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
+      continue;
+    }
+  }
+  // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
+  // loop, just use the loop header to layout the loop.
+  if (!ExitingBB || L.getNumBlocks() == 1)
+    return nullptr;
+
+  // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
+  // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
+  // rotation altogether.
+  if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
+      !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
+    return nullptr;
+
+  DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
+  return ExitingBB;
+}
+
+/// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
+///
+/// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
+/// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
+/// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
+/// of its bottom already, don't rotate it.
+void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
+                                       MachineBasicBlock *ExitingBB,
+                                       const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
+  if (!ExitingBB)
     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");
+  MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
+  bool ViableTopFallthrough = false;
+  for (MachineBasicBlock *Pred : Top->predecessors()) {
+    BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
+    if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
+        (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
+      ViableTopFallthrough = true;
+      break;
+    }
+  }
+
+  // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
+  // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
+  // introduce an unnecessary branch.
+  if (ViableTopFallthrough) {
+    MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
+    for (MachineBasicBlock *Succ : Bottom->successors()) {
+      BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
+      if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
+          (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin()))
+        return;
+    }
   }
 
-  DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB) << " to "
-               << getBlockNum(Successor) << "\n");
-  Chain->merge(Successor, SuccChain);
+  BlockChain::iterator ExitIt =
+      std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(), ExitingBB);
+  if (ExitIt == LoopChain.end())
+    return;
+
+  std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
 }
 
 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
@@ -355,130 +797,431 @@ void MachineBlockPlacement::mergeSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
 /// 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) {
+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);
+  for (MachineLoop *InnerLoop : L)
+    buildLoopChains(F, *InnerLoop);
+
+  SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
+  BlockFilterSet LoopBlockSet(L.block_begin(), L.block_end());
+
+  // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
+  // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
+  // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
+  // fewer branches in the loop body.
+  MachineBasicBlock *LoopTop = findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
+
+  // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
+  // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
+  // branches by placing an exit edge at the bottom.
+  MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
+  if (LoopTop == L.getHeader())
+    ExitingBB = findBestLoopExit(F, L, LoopBlockSet);
+
+  BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
+
+  // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
+  // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
+  // twice.
+  SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
+  assert(LoopChain.LoopPredecessors == 0);
+  UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
+  for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
+    BlockChain &Chain = *BlockToChain[LoopBB];
+    if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
+      continue;
+
+    assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
+      assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
+      for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
+        if (BlockToChain[Pred] == &Chain || !LoopBlockSet.count(Pred))
+          continue;
+        ++Chain.LoopPredecessors;
+      }
+    }
+
+    if (Chain.LoopPredecessors == 0)
+      BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
   }
+
+  buildChain(LoopTop, LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
+  rotateLoop(LoopChain, ExitingBB, LoopBlockSet);
+
+  DEBUG({
+    // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
+    bool BadLoop = false;
+    if (LoopChain.LoopPredecessors) {
+      BadLoop = true;
+      dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
+             << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
+             << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
+    }
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : LoopChain) {
+      dbgs() << "          ... " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
+      if (!LoopBlockSet.erase(ChainBB)) {
+        // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
+        // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
+        // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
+        dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
+               << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
+               << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
+      }
+    }
+
+    if (!LoopBlockSet.empty()) {
+      BadLoop = true;
+      for (MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
+        dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
+               << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
+               << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
+    }
+    assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
+  });
 }
 
 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);
+  // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
+  // the assumptions of the remaining algorithm.
+  SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
+  for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
+    MachineBasicBlock *BB = FI;
+    BlockChain *Chain =
+        new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
+    // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
+    // the exact fallthrough behavior for.
+    for (;;) {
+      Cond.clear();
+      MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
+      if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
+        break;
+
+      MachineFunction::iterator NextFI(std::next(FI));
+      MachineBasicBlock *NextBB = NextFI;
+      // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
+      // fallthrough is a possibility.
+      assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
+      DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
+                   << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
+                   << "\n");
+      Chain->merge(NextBB, nullptr);
+      FI = NextFI;
+      BB = NextBB;
+    }
   }
-}
 
-void MachineBlockPlacement::placeChainsTopologically(MachineFunction &F) {
-  MachineBasicBlock *EntryB = &F.front();
-  BlockChain *EntryChain = BlockToChain[EntryB];
-  assert(EntryChain && "Missing chain for entry block");
-  assert(*EntryChain->begin() == EntryB &&
-         "Entry block is not the head of the entry block chain");
+  if (OutlineOptionalBranches) {
+    // Find the nearest common dominator of all of F's terminators.
+    MachineBasicBlock *Terminator = nullptr;
+    for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
+      if (MBB.succ_size() == 0) {
+        if (Terminator == nullptr)
+          Terminator = &MBB;
+        else
+          Terminator = MDT->findNearestCommonDominator(Terminator, &MBB);
+      }
+    }
 
-  // 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))
+    // MBBs dominating this common dominator are unavoidable.
+    UnavoidableBlocks.clear();
+    for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
+      if (MDT->dominates(&MBB, Terminator)) {
+        UnavoidableBlocks.insert(&MBB);
+      }
+    }
+  }
+
+  // Build any loop-based chains.
+  for (MachineLoop *L : *MLI)
+    buildLoopChains(F, *L);
+
+  SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
+
+  SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
+  for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
+    BlockChain &Chain = *BlockToChain[&MBB];
+    if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
       continue;
-    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;
+
+    assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
+      assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
+      for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
+        if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
+          continue;
+        ++Chain.LoopPredecessors;
+      }
     }
+
+    if (Chain.LoopPredecessors == 0)
+      BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
   }
 
-  // Now that every block is in its final position, update all of the
-  // terminators.
-  SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
-  for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
+  BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F.front()];
+  buildChain(&F.front(), FunctionChain, BlockWorkList);
+
+#ifndef NDEBUG
+  typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> FunctionBlockSetType;
+#endif
+  DEBUG({
+    // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
+    bool BadFunc = false;
+    FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
+    for (MachineBasicBlock &MBB : F)
+      FunctionBlockSet.insert(&MBB);
+
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
+      if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
+        BadFunc = true;
+        dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
+      }
+
+    if (!FunctionBlockSet.empty()) {
+      BadFunc = true;
+      for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
+        dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(RemainingBB) << "\n";
+    }
+    assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
+  });
+
+  // Splice the blocks into place.
+  MachineFunction::iterator InsertPos = F.begin();
+  for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
+    DEBUG(dbgs() << (ChainBB == *FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
+                                                       : "          ... ")
+                 << getBlockName(ChainBB) << "\n");
+    if (InsertPos != MachineFunction::iterator(ChainBB))
+      F.splice(InsertPos, ChainBB);
+    else
+      ++InsertPos;
+
+    // Update the terminator of the previous block.
+    if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
+      continue;
+    MachineBasicBlock *PrevBB = std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
+
     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
     // boiler plate.
     Cond.clear();
-    MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
-    if (!TII->AnalyzeBranch(*FI, TBB, FBB, Cond))
-      FI->updateTerminator();
-  }
-}
+    MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
+    if (!TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
+      // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
+      //   o. it may fall-through to a block without explict "goto" instruction
+      //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or
+      //   o. just opposite.
+      //
+      // AnalyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
+      // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set
+      // NULL; for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL,
+      // is mistakenly pointing to "*BI".
+      //
+      bool needUpdateBr = true;
+      if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == ChainBB)) {
+        PrevBB->updateTerminator();
+        needUpdateBr = false;
+        Cond.clear();
+        TBB = FBB = nullptr;
+        if (TII->AnalyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
+          // FIXME: This should never take place.
+          TBB = FBB = nullptr;
+        }
+      }
 
-/// \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);
+      // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
+      // such that we branch to the successor with higher weight first.
+      if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
+          MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB) > MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) &&
+          !TII->ReverseBranchCondition(Cond)) {
+        DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
+                     << getBlockName(PrevBB) << "\n");
+        DEBUG(dbgs() << "    Edge weight: " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, FBB)
+                     << " vs " << MBPI->getEdgeWeight(PrevBB, TBB) << "\n");
+        DebugLoc dl; // FIXME: this is nowhere
+        TII->RemoveBranch(*PrevBB);
+        TII->InsertBranch(*PrevBB, FBB, TBB, Cond, dl);
+        needUpdateBr = true;
+      }
+      if (needUpdateBr)
+        PrevBB->updateTerminator();
+    }
+  }
 
-  L->getTopBlock()->setAlignment(Align);
-}
+  // Fixup the last block.
+  Cond.clear();
+  MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
+  if (!TII->AnalyzeBranch(F.back(), TBB, FBB, Cond))
+    F.back().updateTerminator();
 
-/// \brief Align loop headers to target preferred alignments.
-void MachineBlockPlacement::AlignLoops(MachineFunction &F) {
-  if (F.getFunction()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
+  // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
+  // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
+  // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
+  // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
+  // loop rotations done during this layout pass.
+  // FIXME: Use Function::optForSize().
+  if (F.getFunction()->hasFnAttribute(Attribute::OptimizeForSize))
     return;
+  if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
+    return; // Empty chain.
+
+  const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
+  BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(F.begin());
+  BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
+  for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
+    if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
+      continue;
+
+    // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
+    // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
+    // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
+    // rotated loops.
+    MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(ChainBB);
+    if (!L)
+      continue;
+
+    unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
+    if (!Align)
+      continue; // Don't care about loop alignment.
 
-  unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment();
-  if (!Align)
-    return;  // Don't care about loop alignment.
+    // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
+    // aligning it.
+    BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(ChainBB);
+    if (Freq < WeightedEntryFreq)
+      continue;
+
+    // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
+    // regardless of what edges into the block exist.
+    MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
+    BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
+    if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
+      continue;
+
+    // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
+    // from aligning this block.
+    MachineBasicBlock *LayoutPred =
+        &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
+
+    // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
+    // that the block isn't cold above.
+    if (!LayoutPred->isSuccessor(ChainBB)) {
+      ChainBB->setAlignment(Align);
+      continue;
+    }
 
-  for (MachineLoopInfo::iterator I = MLI->begin(), E = MLI->end(); I != E; ++I)
-    AlignLoop(F, *I, Align);
+    // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
+    // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
+    // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
+    // important.
+    BranchProbability LayoutProb =
+        MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, ChainBB);
+    BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
+    if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
+      ChainBB->setAlignment(Align);
+  }
 }
 
 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
   // Check for single-block functions and skip them.
-  if (llvm::next(F.begin()) == F.end())
+  if (std::next(F.begin()) == F.end())
+    return false;
+
+  if (skipOptnoneFunction(*F.getFunction()))
     return false;
 
   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
-  TII = F.getTarget().getInstrInfo();
-  TLI = F.getTarget().getTargetLowering();
+  TII = F.getSubtarget().getInstrInfo();
+  TLI = F.getSubtarget().getTargetLowering();
+  MDT = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
   assert(BlockToChain.empty());
 
   buildCFGChains(F);
-  placeChainsTopologically(F);
-  AlignLoops(F);
 
   BlockToChain.clear();
+  ChainAllocator.DestroyAll();
+
+  if (AlignAllBlock)
+    // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
+    for (MachineBasicBlock &MBB : F)
+      MBB.setAlignment(AlignAllBlock);
 
   // 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 absence 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) override;
+
+  void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
+    AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
+    AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
+    AU.setPreservesAll();
+    MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
+  }
+};
+}
+
+char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
+char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
+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)
+
+bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
+  // Check for single-block functions and skip them.
+  if (std::next(F.begin()) == F.end())
+    return false;
+
+  MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
+  MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
+
+  for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
+    BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(&MBB);
+    Statistic &NumBranches =
+        (MBB.succ_size() > 1) ? NumCondBranches : NumUncondBranches;
+    Statistic &BranchTakenFreq =
+        (MBB.succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq : UncondBranchTakenFreq;
+    for (MachineBasicBlock *Succ : MBB.successors()) {
+      // Skip if this successor is a fallthrough.
+      if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
+        continue;
+
+      BlockFrequency EdgeFreq =
+          BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
+      ++NumBranches;
+      BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
+    }
+  }
+
+  return false;
+}