Reverts wrong modification to MachineBlockPlacement & BranchFolding; uses a new strat...
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / MachineBlockPlacement.cpp
index f5be01b0ca7f7e8c913295f8e78bce9ad0727233..f5e3056450116514c2960b7c7794a248257bef1b 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;
 
+#define DEBUG_TYPE "block-placement"
+
 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
-STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of uncondittional branches");
+STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of unconditional 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.
-///
-/// 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;
-  }
-};
-}
+static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
+                                       cl::desc("Force the alignment of all "
+                                                "blocks in the function."),
+                                       cl::init(0), cl::Hidden);
+
+static cl::opt<unsigned>
+    AlignAllLoops("align-all-loops",
+                  cl::desc("Force the alignment of all loops 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);
+
+static cl::opt<unsigned> LoopToColdBlockRatio(
+    "loop-to-cold-block-ratio",
+    cl::desc("Outline loop blocks from loop chain if (frequency of loop) / "
+             "(frequency of block) is greater than this ratio"),
+    cl::init(5), cl::Hidden);
+
+static cl::opt<bool>
+    PreciseRotationCost("precise-rotation-cost",
+                        cl::desc("Model the cost of loop rotation more "
+                                 "precisely by using profile data."),
+                        cl::init(false), cl::Hidden);
+
+static cl::opt<unsigned> MisfetchCost(
+    "misfetch-cost",
+    cl::desc("Cost that models the probablistic risk of an instruction "
+             "misfetch due to a jump comparing to falling through, whose cost "
+             "is zero."),
+    cl::init(1), cl::Hidden);
+
+static cl::opt<unsigned> JumpInstCost("jump-inst-cost",
+                                      cl::desc("Cost of jump instructions."),
+                                      cl::init(1), cl::Hidden);
 
 namespace {
 class BlockChain;
@@ -82,17 +120,13 @@ 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.
+/// 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.
 ///
-/// 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.
-///
-/// 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.
   ///
@@ -115,23 +149,19 @@ 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), LoopPredecessors(0) {
+      : 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 *>::iterator iterator;
-  typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::reverse_iterator
-      reverse_iterator;
 
   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
-  reverse_iterator rbegin() { return Blocks.rbegin(); }
 
   /// \brief End of blocks within the chain.
   iterator end() { return Blocks.end(); }
-  reverse_iterator rend() { return Blocks.rend(); }
 
   /// \brief Merge a block chain into this one.
   ///
@@ -156,14 +186,21 @@ 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
@@ -190,14 +227,22 @@ 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.
@@ -208,29 +253,34 @@ class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
   /// between basic blocks.
   DenseMap<MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
 
-  void markChainSuccessors(BlockChain &Chain,
-                           MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
+  void markChainSuccessors(BlockChain &Chain, MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
                            SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
-                           const BlockFilterSet *BlockFilter = 0);
+                           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);
+  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 = 0);
-  void rotateLoop(MachineLoop &L, BlockChain &LoopChain,
-                  const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
+                  const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
+  MachineBasicBlock *findBestLoopTop(MachineLoop &L,
+                                     const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
+  MachineBasicBlock *findBestLoopExit(MachineFunction &F, MachineLoop &L,
+                                      const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
+  BlockFilterSet collectLoopBlockSet(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
   void buildLoopChains(MachineFunction &F, MachineLoop &L);
+  void rotateLoop(BlockChain &LoopChain, MachineBasicBlock *ExitingBB,
+                  const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
+  void rotateLoopWithProfile(BlockChain &LoopChain, MachineLoop &L,
+                             const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
   void buildCFGChains(MachineFunction &F);
-  void AlignLoops(MachineFunction &F);
 
 public:
   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
@@ -238,32 +288,29 @@ 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.
 ///
@@ -271,8 +318,8 @@ 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;
 }
@@ -296,26 +343,22 @@ static std::string getBlockNum(MachineBasicBlock *BB) {
 /// 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,
+    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 (BlockChain::iterator CBI = Chain.begin(), CBE = Chain.end();
-       CBI != CBE; ++CBI) {
+  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_iterator SI = (*CBI)->succ_begin(),
-                                          SE = (*CBI)->succ_end();
-         SI != SE; ++SI) {
-      if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
+    for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
+      if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
         continue;
-      BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
+      BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
       // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
-      if (&Chain == &SuccChain || *SI == LoopHeaderBB)
+      if (&Chain == &SuccChain || Succ == LoopHeaderBB)
         continue;
 
       // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
@@ -335,102 +378,134 @@ void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
 /// very hot successor edges.
 ///
 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable.
-MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
-    MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
-    const BlockFilterSet *BlockFilter) {
+MachineBasicBlock *
+MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(MachineBasicBlock *BB,
+                                           BlockChain &Chain,
+                                           const BlockFilterSet *BlockFilter) {
   const BranchProbability HotProb(4, 5); // 80%
 
-  MachineBasicBlock *BestSucc = 0;
-  // 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 effeciently 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_iterator SI = BB->succ_begin(),
-                                        SE = BB->succ_end();
-       SI != SE; ++SI) {
-    if (BlockFilter && !BlockFilter->count(*SI))
-      continue;
-    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*SI];
-    if (&SuccChain == &Chain) {
-      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Already merged!\n");
-      continue;
-    }
-    if (*SI != *SuccChain.begin()) {
-      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> Mid chain!\n");
-      continue;
+  MachineBasicBlock *BestSucc = nullptr;
+  auto BestProb = BranchProbability::getZero();
+
+  // Adjust edge probabilities by excluding edges pointing to blocks that is
+  // either not in BlockFilter or is already in the current chain. Consider the
+  // following CFG:
+  //
+  //     --->A
+  //     |  / \
+  //     | B   C
+  //     |  \ / \
+  //     ----D   E
+  //
+  // Assume A->C is very hot (>90%), and C->D has a 50% probability, then after
+  // A->C is chosen as a fall-through, D won't be selected as a successor of C
+  // due to CFG constraint (the probability of C->D is not greater than
+  // HotProb). If we exclude E that is not in BlockFilter when calculating the
+  // probability of C->D, D will be selected and we will get A C D B as the
+  // layout of this loop.
+  auto AdjustedSumProb = BranchProbability::getOne();
+  SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Successors;
+  for (MachineBasicBlock *Succ : BB->successors()) {
+    bool SkipSucc = false;
+    if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ)) {
+      SkipSucc = true;
+    } else {
+      BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
+      if (SuccChain == &Chain) {
+        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ)
+                     << " -> Already merged!\n");
+        SkipSucc = true;
+      } else if (Succ != *SuccChain->begin()) {
+        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Mid chain!\n");
+        continue;
+      }
     }
+    if (SkipSucc)
+      AdjustedSumProb -= MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
+    else
+      Successors.push_back(Succ);
+  }
 
-    uint32_t SuccWeight = MBPI->getEdgeWeight(BB, *SI);
-    BranchProbability SuccProb(SuccWeight / WeightScale, SumWeight);
+  DEBUG(dbgs() << "Attempting merge from: " << getBlockName(BB) << "\n");
+  for (MachineBasicBlock *Succ : Successors) {
+    BranchProbability SuccProb;
+    uint32_t SuccProbN = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ).getNumerator();
+    uint32_t SuccProbD = AdjustedSumProb.getNumerator();
+    if (SuccProbN >= SuccProbD)
+      SuccProb = BranchProbability::getOne();
+    else
+      SuccProb = BranchProbability(SuccProbN, SuccProbD);
+
+    // 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.
+    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
     if (SuccChain.LoopPredecessors != 0) {
       if (SuccProb < HotProb) {
-        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> CFG conflict\n");
+        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();
+      // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
+      // important predecessor.
+      auto RealSuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
+      BlockFrequency CandidateEdgeFreq =
+          MBFI->getBlockFreq(BB) * RealSuccProb * HotProb.getCompl();
       bool BadCFGConflict = false;
-      for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*SI)->pred_begin(),
-                                            PE = (*SI)->pred_end();
-           PI != PE; ++PI) {
-        if (*PI == *SI || (BlockFilter && !BlockFilter->count(*PI)) ||
-            BlockToChain[*PI] == &Chain)
+      for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
+        if (Pred == Succ || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
+            BlockToChain[Pred] == &Chain)
           continue;
-        BlockFrequency PredEdgeFreq
-          = MBFI->getBlockFreq(*PI) * MBPI->getEdgeProbability(*PI, *SI);
+        BlockFrequency PredEdgeFreq =
+            MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
         if (PredEdgeFreq >= CandidateEdgeFreq) {
           BadCFGConflict = true;
           break;
         }
       }
       if (BadCFGConflict) {
-        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI)
-                               << " -> non-cold CFG conflict\n");
+        DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
+                     << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
         continue;
       }
     }
 
-    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*SI) << " -> " << SuccProb
+    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
                  << " (prob)"
                  << (SuccChain.LoopPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
                  << "\n");
-    if (BestSucc && BestWeight >= SuccWeight)
+    if (BestSucc && BestProb >= SuccProb)
       continue;
-    BestSucc = *SI;
-    BestWeight = SuccWeight;
+    BestSucc = Succ;
+    BestProb = SuccProb;
   }
   return BestSucc;
 }
 
-namespace {
-/// \brief Predicate struct to detect blocks already placed.
-class IsBlockPlaced {
-  const BlockChain &PlacedChain;
-  const BlockToChainMapType &BlockToChain;
-
-public:
-  IsBlockPlaced(const BlockChain &PlacedChain,
-                const BlockToChainMapType &BlockToChain)
-      : PlacedChain(PlacedChain), BlockToChain(BlockToChain) {}
-
-  bool operator()(MachineBasicBlock *BB) const {
-    return BlockToChain.lookup(BB) == &PlacedChain;
-  }
-};
-}
-
 /// \brief Select the best block from a worklist.
 ///
 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
@@ -449,29 +524,27 @@ MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
   // 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(),
-                                IsBlockPlaced(Chain, BlockToChain)),
+                                [&](MachineBasicBlock *BB) {
+                                  return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
+                                }),
                  WorkList.end());
 
-  MachineBasicBlock *BestBlock = 0;
+  MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
   BlockFrequency BestFreq;
-  for (SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator WBI = WorkList.begin(),
-                                                      WBE = WorkList.end();
-       WBI != WBE; ++WBI) {
-    assert(!BlockFilter || BlockFilter->count(*WBI));
-    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[*WBI];
+  for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
+    BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
     if (&SuccChain == &Chain) {
-      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI)
-                   << " -> Already merged!\n");
+      DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> Already merged!\n");
       continue;
     }
     assert(SuccChain.LoopPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
 
-    BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(*WBI);
-    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(*WBI) << " -> " << CandidateFreq
-                 << " (freq)\n");
+    BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
+    DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
+          MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
     if (BestBlock && BestFreq >= CandidateFreq)
       continue;
-    BestBlock = *WBI;
+    BestBlock = MBB;
     BestFreq = CandidateFreq;
   }
   return BestBlock;
@@ -490,22 +563,21 @@ MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F.end(); I != E;
        ++I) {
-    if (BlockFilter && !BlockFilter->count(I))
+    if (BlockFilter && !BlockFilter->count(&*I))
       continue;
-    if (BlockToChain[I] != &PlacedChain) {
+    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 *BlockToChain[&*I]->begin();
     }
   }
-  return 0;
+  return nullptr;
 }
 
 void MachineBlockPlacement::buildChain(
-    MachineBasicBlock *BB,
-    BlockChain &Chain,
+    MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
     SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &BlockWorkList,
     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
   assert(BB);
@@ -515,16 +587,15 @@ void MachineBlockPlacement::buildChain(
 
   MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = BB;
   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
-  BB = *llvm::prior(Chain.end());
+  BB = *std::prev(Chain.end());
   for (;;) {
     assert(BB);
     assert(BlockToChain[BB] == &Chain);
-    assert(*llvm::prior(Chain.end()) == BB);
-    MachineBasicBlock *BestSucc = 0;
+    assert(*std::prev(Chain.end()) == BB);
 
     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
     // after this block.
-    BestSucc = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
+    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
@@ -533,8 +604,8 @@ void MachineBlockPlacement::buildChain(
       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList, BlockFilter);
 
     if (!BestSucc) {
-      BestSucc = getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt,
-                                       BlockFilter);
+      BestSucc =
+          getFirstUnplacedBlock(F, Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
       if (!BestSucc)
         break;
 
@@ -547,97 +618,411 @@ void MachineBlockPlacement::buildChain(
     // 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");
+    DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockNum(BB) << " to "
+                 << getBlockNum(BestSucc) << "\n");
     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockWorkList, BlockFilter);
     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
-    BB = *llvm::prior(Chain.end());
-  };
+    BB = *std::prev(Chain.end());
+  }
 
   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
                << getBlockNum(*Chain.begin()) << "\n");
 }
 
-/// \brief Attempt to rotate loop chains ending in an unconditional backedge.
+/// \brief Find the best loop top block for layout.
 ///
-/// This is a very conservative attempt to rotate unconditional backedge jumps
-/// into fallthrough opportunities. It only attempts to perform the rotation
-/// when it is trivial to find a block within the loop which has a conditional
-/// loop exit. This block is then made the bottom of the chain, and the in-loop
-/// fallthrough block the top. That turns a conditional branch out of the loop
-/// into a conditional branch to the top of the loop while completely
-/// eliminitating an unconditional branch within the loop.
-void MachineBlockPlacement::rotateLoop(MachineLoop &L,
-                                       BlockChain &LoopChain,
+/// 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) {
-  MachineBasicBlock *Header = *L.block_begin();
-  // Ensure that we have a chain of blocks which starts with the loop header.
-  // Otherwise, rotating the blocks might break an analyzable branch.
-  if (Header != *LoopChain.begin())
-    return;
+  // 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;
 
-  // We only support rotating the loop chain as a unit, so look directly at the
-  // back of the chain and check that it has a backedge.
-  MachineBasicBlock *Latch = *llvm::prior(LoopChain.end());
-  if (Latch == Header ||
-      !Latch->isSuccessor(Header))
-    return;
+    BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
+    if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
+        (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
+         Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
+      BestPred = Pred;
+      BestPredFreq = PredFreq;
+    }
+  }
 
-  // We need to analyze the branch and determine if rotating the loop will
-  // completely remove a branch. We bail if the analysis fails or we don't find
-  // an unconditional backedge.
-  SmallVector<MachineOperand, 4> Cond;
-  MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0;
-  if (TII->AnalyzeBranch(*Latch, TBB, FBB, Cond) || !TBB || FBB || !Cond.empty())
-    return;
-  assert(TBB == Header && "Found backedge that doesn't go to the header!");
-
-  // Next we need to find a split point. This rotate algorithm is *very*
-  // narrow, and it only tries to do the rotate when it can find a split point
-  // which is an analyzable branch that exits the loop. Splitting there allows
-  // us to form a fallthrough out of the loop and a conditional jump to the top
-  // of the loop after rotation.
-  MachineBasicBlock *NewBottom = 0, *NewTop = 0;
-  BlockChain::iterator SplitIt = LoopChain.end();
-  for (BlockChain::reverse_iterator I = llvm::next(LoopChain.rbegin()),
-                                    E = LoopChain.rend();
-       I != E; ++I) {
-    Cond.clear();
-    TBB = FBB = 0;
-    if (TII->AnalyzeBranch(**I, TBB, FBB, Cond) || !TBB || Cond.empty())
+  // 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;
-    // Swap things so that the in-loop successor is always in FBB or is an
-    // implicit fallthrough.
-    if (FBB && !LoopBlockSet.count(FBB))
-      std::swap(TBB, FBB);
-    // Check that we actually have a loop exit branch.
-    // FIXME: We should probably just use the LoopInfo for this.
-    if (!LoopBlockSet.count(TBB) && (!FBB || !LoopBlockSet.count(FBB))) {
-      // This is a very arbitrary restriction, but it ensures we don't disrupt
-      // the existing chain layout. We insist that the in-loop successor is
-      // chained as a fallthrough successor (even if the branch hasn't been
-      // updated to reflect that yet).
-      if (FBB && FBB != *llvm::prior(I))
+
+    // 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;
+    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;
+      }
+
+      auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(MBB, Succ);
+      if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
+        DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
+                     << getBlockName(Succ) << " (" << SuccProb << ")\n");
+        HasLoopingSucc = true;
         continue;
+      }
+
+      unsigned SuccLoopDepth = 0;
+      if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
+        SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
+        if (ExitLoop->contains(&L))
+          BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
+      }
+
+      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;
+      }
+    }
 
-      NewBottom = *I;
-      NewTop = *llvm::prior(I);
-      SplitIt = I.base();
+    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;
+
+  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 (!NewBottom || !NewTop ||
-      SplitIt == LoopChain.end() || SplitIt == LoopChain.begin())
+
+  // 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;
+    }
+  }
+
+  BlockChain::iterator ExitIt =
+      std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(), ExitingBB);
+  if (ExitIt == LoopChain.end())
     return;
-  assert(BlockToChain[NewBottom] == &LoopChain);
-  assert(BlockToChain[NewTop] == &LoopChain);
-  assert(*SplitIt == NewTop);
-
-  // Rotate the chain and we're done.
-  DEBUG(dbgs() << "Rotating loop headed by: " << getBlockName(Header) << "\n"
-               << "  new top:    " << getBlockName(NewTop) << "\n"
-               << "  new bottom: " << getBlockName(NewBottom) << "\n");
-  std::rotate(LoopChain.begin(), SplitIt, LoopChain.end());
+
+  std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
+}
+
+/// \brief Attempt to rotate a loop based on profile data to reduce branch cost.
+///
+/// With profile data, we can determine the cost in terms of missed fall through
+/// opportunities when rotating a loop chain and select the best rotation.
+/// Basically, there are three kinds of cost to consider for each rotation:
+///    1. The possibly missed fall through edge (if it exists) from BB out of
+///    the loop to the loop header.
+///    2. The possibly missed fall through edges (if they exist) from the loop
+///    exits to BB out of the loop.
+///    3. The missed fall through edge (if it exists) from the last BB to the
+///    first BB in the loop chain.
+///  Therefore, the cost for a given rotation is the sum of costs listed above.
+///  We select the best rotation with the smallest cost.
+void MachineBlockPlacement::rotateLoopWithProfile(
+    BlockChain &LoopChain, MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
+  auto HeaderBB = L.getHeader();
+  auto HeaderIter = std::find(LoopChain.begin(), LoopChain.end(), HeaderBB);
+  auto RotationPos = LoopChain.end();
+
+  BlockFrequency SmallestRotationCost = BlockFrequency::getMaxFrequency();
+
+  // A utility lambda that scales up a block frequency by dividing it by a
+  // branch probability which is the reciprocal of the scale.
+  auto ScaleBlockFrequency = [](BlockFrequency Freq,
+                                unsigned Scale) -> BlockFrequency {
+    if (Scale == 0)
+      return 0;
+    // Use operator / between BlockFrequency and BranchProbability to implement
+    // saturating multiplication.
+    return Freq / BranchProbability(1, Scale);
+  };
+
+  // Compute the cost of the missed fall-through edge to the loop header if the
+  // chain head is not the loop header. As we only consider natural loops with
+  // single header, this computation can be done only once.
+  BlockFrequency HeaderFallThroughCost(0);
+  for (auto *Pred : HeaderBB->predecessors()) {
+    BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
+    if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
+        (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
+      auto EdgeFreq =
+          MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, HeaderBB);
+      auto FallThruCost = ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, MisfetchCost);
+      // If the predecessor has only an unconditional jump to the header, we
+      // need to consider the cost of this jump.
+      if (Pred->succ_size() == 1)
+        FallThruCost += ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, JumpInstCost);
+      HeaderFallThroughCost = std::max(HeaderFallThroughCost, FallThruCost);
+    }
+  }
+
+  // Here we collect all exit blocks in the loop, and for each exit we find out
+  // its hottest exit edge. For each loop rotation, we define the loop exit cost
+  // as the sum of frequencies of exit edges we collect here, excluding the exit
+  // edge from the tail of the loop chain.
+  SmallVector<std::pair<MachineBasicBlock *, BlockFrequency>, 4> ExitsWithFreq;
+  for (auto BB : LoopChain) {
+    auto LargestExitEdgeProb = BranchProbability::getZero();
+    for (auto *Succ : BB->successors()) {
+      BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
+      if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
+          (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin())) {
+        auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
+        LargestExitEdgeProb = std::max(LargestExitEdgeProb, SuccProb);
+      }
+    }
+    if (LargestExitEdgeProb > BranchProbability::getZero()) {
+      auto ExitFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * LargestExitEdgeProb;
+      ExitsWithFreq.emplace_back(BB, ExitFreq);
+    }
+  }
+
+  // In this loop we iterate every block in the loop chain and calculate the
+  // cost assuming the block is the head of the loop chain. When the loop ends,
+  // we should have found the best candidate as the loop chain's head.
+  for (auto Iter = LoopChain.begin(), TailIter = std::prev(LoopChain.end()),
+            EndIter = LoopChain.end();
+       Iter != EndIter; Iter++, TailIter++) {
+    // TailIter is used to track the tail of the loop chain if the block we are
+    // checking (pointed by Iter) is the head of the chain.
+    if (TailIter == LoopChain.end())
+      TailIter = LoopChain.begin();
+
+    auto TailBB = *TailIter;
+
+    // Calculate the cost by putting this BB to the top.
+    BlockFrequency Cost = 0;
+
+    // If the current BB is the loop header, we need to take into account the
+    // cost of the missed fall through edge from outside of the loop to the
+    // header.
+    if (Iter != HeaderIter)
+      Cost += HeaderFallThroughCost;
+
+    // Collect the loop exit cost by summing up frequencies of all exit edges
+    // except the one from the chain tail.
+    for (auto &ExitWithFreq : ExitsWithFreq)
+      if (TailBB != ExitWithFreq.first)
+        Cost += ExitWithFreq.second;
+
+    // The cost of breaking the once fall-through edge from the tail to the top
+    // of the loop chain. Here we need to consider three cases:
+    // 1. If the tail node has only one successor, then we will get an
+    //    additional jmp instruction. So the cost here is (MisfetchCost +
+    //    JumpInstCost) * tail node frequency.
+    // 2. If the tail node has two successors, then we may still get an
+    //    additional jmp instruction if the layout successor after the loop
+    //    chain is not its CFG successor. Note that the more frequently executed
+    //    jmp instruction will be put ahead of the other one. Assume the
+    //    frequency of those two branches are x and y, where x is the frequency
+    //    of the edge to the chain head, then the cost will be
+    //    (x * MisfetechCost + min(x, y) * JumpInstCost) * tail node frequency.
+    // 3. If the tail node has more than two successors (this rarely happens),
+    //    we won't consider any additional cost.
+    if (TailBB->isSuccessor(*Iter)) {
+      auto TailBBFreq = MBFI->getBlockFreq(TailBB);
+      if (TailBB->succ_size() == 1)
+        Cost += ScaleBlockFrequency(TailBBFreq.getFrequency(),
+                                    MisfetchCost + JumpInstCost);
+      else if (TailBB->succ_size() == 2) {
+        auto TailToHeadProb = MBPI->getEdgeProbability(TailBB, *Iter);
+        auto TailToHeadFreq = TailBBFreq * TailToHeadProb;
+        auto ColderEdgeFreq = TailToHeadProb > BranchProbability(1, 2)
+                                  ? TailBBFreq * TailToHeadProb.getCompl()
+                                  : TailToHeadFreq;
+        Cost += ScaleBlockFrequency(TailToHeadFreq, MisfetchCost) +
+                ScaleBlockFrequency(ColderEdgeFreq, JumpInstCost);
+      }
+    }
+
+    DEBUG(dbgs() << "The cost of loop rotation by making " << getBlockNum(*Iter)
+                 << " to the top: " << Cost.getFrequency() << "\n");
+
+    if (Cost < SmallestRotationCost) {
+      SmallestRotationCost = Cost;
+      RotationPos = Iter;
+    }
+  }
+
+  if (RotationPos != LoopChain.end()) {
+    DEBUG(dbgs() << "Rotate loop by making " << getBlockNum(*RotationPos)
+                 << " to the top\n");
+    std::rotate(LoopChain.begin(), RotationPos, LoopChain.end());
+  }
+}
+
+/// \brief Collect blocks in the given loop that are to be placed.
+///
+/// When profile data is available, exclude cold blocks from the returned set;
+/// otherwise, collect all blocks in the loop.
+MachineBlockPlacement::BlockFilterSet
+MachineBlockPlacement::collectLoopBlockSet(MachineFunction &F, MachineLoop &L) {
+  BlockFilterSet LoopBlockSet;
+
+  // Filter cold blocks off from LoopBlockSet when profile data is available.
+  // Collect the sum of frequencies of incoming edges to the loop header from
+  // outside. If we treat the loop as a super block, this is the frequency of
+  // the loop. Then for each block in the loop, we calculate the ratio between
+  // its frequency and the frequency of the loop block. When it is too small,
+  // don't add it to the loop chain. If there are outer loops, then this block
+  // will be merged into the first outer loop chain for which this block is not
+  // cold anymore. This needs precise profile data and we only do this when
+  // profile data is available.
+  if (F.getFunction()->getEntryCount()) {
+    BlockFrequency LoopFreq(0);
+    for (auto LoopPred : L.getHeader()->predecessors())
+      if (!L.contains(LoopPred))
+        LoopFreq += MBFI->getBlockFreq(LoopPred) *
+                    MBPI->getEdgeProbability(LoopPred, L.getHeader());
+
+    for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
+      auto Freq = MBFI->getBlockFreq(LoopBB).getFrequency();
+      if (Freq == 0 || LoopFreq.getFrequency() / Freq > LoopToColdBlockRatio)
+        continue;
+      LoopBlockSet.insert(LoopBB);
+    }
+  } else
+    LoopBlockSet.insert(L.block_begin(), L.block_end());
+
+  return LoopBlockSet;
 }
 
 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
@@ -650,32 +1035,52 @@ 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);
+  for (MachineLoop *InnerLoop : L)
+    buildLoopChains(F, *InnerLoop);
 
   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
-  BlockFilterSet LoopBlockSet(L.block_begin(), L.block_end());
-  BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
+  BlockFilterSet LoopBlockSet = collectLoopBlockSet(F, L);
+
+  // Check if we have profile data for this function. If yes, we will rotate
+  // this loop by modeling costs more precisely which requires the profile data
+  // for better layout.
+  bool RotateLoopWithProfile =
+      PreciseRotationCost && F.getFunction()->getEntryCount();
+
+  // 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.
+  // When we use profile data to rotate the loop, this is unnecessary.
+  MachineBasicBlock *LoopTop =
+      RotateLoopWithProfile ? L.getHeader() : 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 (!RotateLoopWithProfile && 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;
-  for (MachineLoop::block_iterator BI = L.block_begin(),
-                                   BE = L.block_end();
-       BI != BE; ++BI) {
-    BlockChain &Chain = *BlockToChain[*BI];
-    if (!UpdatedPreds.insert(&Chain) || BI == L.block_begin())
+  assert(LoopChain.LoopPredecessors == 0);
+  UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
+
+  for (MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet) {
+    BlockChain &Chain = *BlockToChain[LoopBB];
+    if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
       continue;
 
     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
-    for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
-         BCI != BCE; ++BCI) {
-      assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
-      for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
-                                            PE = (*BCI)->pred_end();
-           PI != PE; ++PI) {
-        if (BlockToChain[*PI] == &Chain || !LoopBlockSet.count(*PI))
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
+      assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
+      for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
+        if (BlockToChain[Pred] == &Chain || !LoopBlockSet.count(Pred))
           continue;
         ++Chain.LoopPredecessors;
       }
@@ -685,8 +1090,12 @@ void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F,
       BlockWorkList.push_back(*Chain.begin());
   }
 
-  buildChain(*L.block_begin(), LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
-  rotateLoop(L, LoopChain, LoopBlockSet);
+  buildChain(LoopTop, LoopChain, BlockWorkList, &LoopBlockSet);
+
+  if (RotateLoopWithProfile)
+    rotateLoopWithProfile(LoopChain, L, LoopBlockSet);
+  else
+    rotateLoop(LoopChain, ExitingBB, LoopBlockSet);
 
   DEBUG({
     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
@@ -697,27 +1106,26 @@ void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(MachineFunction &F,
              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
     }
-    for (BlockChain::iterator BCI = LoopChain.begin(), BCE = LoopChain.end();
-         BCI != BCE; ++BCI)
-      if (!LoopBlockSet.erase(*BCI)) {
+    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(*BCI) << "\n";
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
       }
+    }
 
     if (!LoopBlockSet.empty()) {
       BadLoop = true;
-      for (BlockFilterSet::iterator LBI = LoopBlockSet.begin(),
-                                    LBE = LoopBlockSet.end();
-           LBI != LBE; ++LBI)
+      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(*LBI) << "\n";
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
     }
     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
   });
@@ -728,53 +1136,69 @@ void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
   // 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);
+    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 = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
+      MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
       if (!TII->AnalyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
         break;
 
-      MachineFunction::iterator NextFI(llvm::next(FI));
-      MachineBasicBlock *NextBB = NextFI;
+      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, 0);
+      Chain->merge(NextBB, nullptr);
       FI = NextFI;
       BB = NextBB;
     }
   }
 
+  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);
+      }
+    }
+
+    // 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 (MachineLoopInfo::iterator LI = MLI->begin(), LE = MLI->end(); LI != LE;
-       ++LI)
-    buildLoopChains(F, **LI);
+  for (MachineLoop *L : *MLI)
+    buildLoopChains(F, *L);
 
   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
 
   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
-  for (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI) {
-    MachineBasicBlock *BB = &*FI;
-    BlockChain &Chain = *BlockToChain[BB];
-    if (!UpdatedPreds.insert(&Chain))
+  for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
+    BlockChain &Chain = *BlockToChain[&MBB];
+    if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
       continue;
 
     assert(Chain.LoopPredecessors == 0);
-    for (BlockChain::iterator BCI = Chain.begin(), BCE = Chain.end();
-         BCI != BCE; ++BCI) {
-      assert(BlockToChain[*BCI] == &Chain);
-      for (MachineBasicBlock::pred_iterator PI = (*BCI)->pred_begin(),
-                                            PE = (*BCI)->pred_end();
-           PI != PE; ++PI) {
-        if (BlockToChain[*PI] == &Chain)
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
+      assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
+      for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
+        if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
           continue;
         ++Chain.LoopPredecessors;
       }
@@ -787,108 +1211,201 @@ void MachineBlockPlacement::buildCFGChains(MachineFunction &F) {
   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 (MachineFunction::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
-      FunctionBlockSet.insert(FI);
+    for (MachineBasicBlock &MBB : F)
+      FunctionBlockSet.insert(&MBB);
 
-    for (BlockChain::iterator BCI = FunctionChain.begin(),
-                              BCE = FunctionChain.end();
-         BCI != BCE; ++BCI)
-      if (!FunctionBlockSet.erase(*BCI)) {
+    for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
+      if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
         BadFunc = true;
         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
-               << "  Bad block:    " << getBlockName(*BCI) << "\n";
+               << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
       }
 
     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
       BadFunc = true;
-      for (FunctionBlockSetType::iterator FBI = FunctionBlockSet.begin(),
-                                          FBE = FunctionBlockSet.end();
-           FBI != FBE; ++FBI)
+      for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
-               << "  Bad block:    " << getBlockName(*FBI) << "\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 (BlockChain::iterator BI = FunctionChain.begin(),
-                            BE = FunctionChain.end();
-       BI != BE; ++BI) {
-    DEBUG(dbgs() << (BI == FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
-                                                  : "          ... ")
-          << getBlockName(*BI) << "\n");
-    if (InsertPos != MachineFunction::iterator(*BI))
-      F.splice(InsertPos, *BI);
+  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 (BI == FunctionChain.begin())
+    if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
       continue;
-    MachineBasicBlock *PrevBB = llvm::prior(MachineFunction::iterator(*BI));
+    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(*PrevBB, TBB, FBB, Cond))
-      PrevBB->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;
+        }
+      }
+
+      // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
+      // such that we branch to the successor with higher probability first.
+      if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
+          MBPI->getEdgeProbability(PrevBB, FBB) >
+              MBPI->getEdgeProbability(PrevBB, TBB) &&
+          !TII->ReverseBranchCondition(Cond)) {
+        DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
+                     << getBlockName(PrevBB) << "\n");
+        DEBUG(dbgs() << "    Edge probability: "
+                     << MBPI->getEdgeProbability(PrevBB, FBB) << " vs "
+                     << MBPI->getEdgeProbability(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();
+    }
   }
 
   // Fixup the last block.
   Cond.clear();
-  MachineBasicBlock *TBB = 0, *FBB = 0; // For AnalyzeBranch.
+  MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
   if (!TII->AnalyzeBranch(F.back(), TBB, FBB, Cond))
     F.back().updateTerminator();
-}
 
-/// \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);
+  // 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.front());
+  BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
+  for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
+    if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
+      continue;
 
-  L->getTopBlock()->setAlignment(Align);
-}
+    // 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;
 
-/// \brief Align loop headers to target preferred alignments.
-void MachineBlockPlacement::AlignLoops(MachineFunction &F) {
-  if (F.getFunction()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
-    return;
+    if (AlignAllLoops) {
+      ChainBB->setAlignment(AlignAllLoops);
+      continue;
+    }
+
+    unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
+    if (!Align)
+      continue; // 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));
 
-  unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment();
-  if (!Align)
-    return;  // Don't care about loop alignment.
+    // 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);
-  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;
@@ -899,7 +1416,7 @@ namespace {
 ///
 /// 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
+/// 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.
@@ -914,20 +1431,19 @@ public:
     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*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.setPreservesAll();
     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
   }
-
-  const char *getPassName() const { return "Block Placement Stats"; }
 };
 }
 
 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)
@@ -935,32 +1451,27 @@ 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())
+  if (std::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) {
+  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 (I->isLayoutSuccessor(*SI))
+      if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
         continue;
 
-      BlockFrequency EdgeFreq = BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(I, *SI);
+      BlockFrequency EdgeFreq =
+          BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
       ++NumBranches;
       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
     }
@@ -968,4 +1479,3 @@ bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
 
   return false;
 }
-