[PM] Port ScalarEvolution to the new pass manager.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopRotation.cpp
index ac5bfbdfd192dda17c16192475e0fdfb730b360e..1c108fbc87a1509ccf53baccb9cf8f0b9b53aa69 100644 (file)
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
-#define DEBUG_TYPE "loop-rotate"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
-#include "llvm/Function.h"
-#include "llvm/IntrinsicInst.h"
+#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
+#include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
-#include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
+#include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
-#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
+#include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
+#include "llvm/IR/CFG.h"
+#include "llvm/IR/Dominators.h"
+#include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
+#include "llvm/IR/Module.h"
+#include "llvm/Support/CommandLine.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/ValueMapper.h"
-#include "llvm/Support/Debug.h"
-#include "llvm/ADT/Statistic.h"
 using namespace llvm;
 
-#define MAX_HEADER_SIZE 16
+#define DEBUG_TYPE "loop-rotate"
+
+static cl::opt<unsigned>
+DefaultRotationThreshold("rotation-max-header-size", cl::init(16), cl::Hidden,
+       cl::desc("The default maximum header size for automatic loop rotation"));
 
 STATISTIC(NumRotated, "Number of loops rotated");
 namespace {
@@ -35,48 +47,88 @@ namespace {
   class LoopRotate : public LoopPass {
   public:
     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
-    LoopRotate() : LoopPass(ID) {
+    LoopRotate(int SpecifiedMaxHeaderSize = -1) : LoopPass(ID) {
       initializeLoopRotatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+      if (SpecifiedMaxHeaderSize == -1)
+        MaxHeaderSize = DefaultRotationThreshold;
+      else
+        MaxHeaderSize = unsigned(SpecifiedMaxHeaderSize);
     }
 
     // LCSSA form makes instruction renaming easier.
-    virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-      AU.addPreserved<DominatorTree>();
-      AU.addRequired<LoopInfo>();
-      AU.addPreserved<LoopInfo>();
+    void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
+      AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
+      AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
+      AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
+      AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
+      AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
       AU.addRequiredID(LCSSAID);
       AU.addPreservedID(LCSSAID);
-      AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
+      AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
+      AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
     }
 
-    bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
-    bool rotateLoop(Loop *L);
+    bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
+    bool simplifyLoopLatch(Loop *L);
+    bool rotateLoop(Loop *L, bool SimplifiedLatch);
 
   private:
+    unsigned MaxHeaderSize;
     LoopInfo *LI;
+    const TargetTransformInfo *TTI;
+    AssumptionCache *AC;
+    DominatorTree *DT;
   };
 }
 
 char LoopRotate::ID = 0;
 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopRotate, "loop-rotate", "Rotate Loops", false, false)
-INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
 INITIALIZE_PASS_END(LoopRotate, "loop-rotate", "Rotate Loops", false, false)
 
-Pass *llvm::createLoopRotatePass() { return new LoopRotate(); }
+Pass *llvm::createLoopRotatePass(int MaxHeaderSize) {
+  return new LoopRotate(MaxHeaderSize);
+}
 
 /// Rotate Loop L as many times as possible. Return true if
 /// the loop is rotated at least once.
 bool LoopRotate::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
-  LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
+  if (skipOptnoneFunction(L))
+    return false;
+
+  // Save the loop metadata.
+  MDNode *LoopMD = L->getLoopID();
+
+  Function &F = *L->getHeader()->getParent();
+
+  LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
+  TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
+  AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
+  auto *DTWP = getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
+  DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
+
+  // Simplify the loop latch before attempting to rotate the header
+  // upward. Rotation may not be needed if the loop tail can be folded into the
+  // loop exit.
+  bool SimplifiedLatch = simplifyLoopLatch(L);
 
   // One loop can be rotated multiple times.
   bool MadeChange = false;
-  while (rotateLoop(L))
+  while (rotateLoop(L, SimplifiedLatch)) {
     MadeChange = true;
+    SimplifiedLatch = false;
+  }
+
+  // Restore the loop metadata.
+  // NB! We presume LoopRotation DOESN'T ADD its own metadata.
+  if ((MadeChange || SimplifiedLatch) && LoopMD)
+    L->setLoopID(LoopMD);
 
   return MadeChange;
 }
@@ -116,7 +168,7 @@ static void RewriteUsesOfClonedInstructions(BasicBlock *OrigHeader,
     for (Value::use_iterator UI = OrigHeaderVal->use_begin(),
          UE = OrigHeaderVal->use_end(); UI != UE; ) {
       // Grab the use before incrementing the iterator.
-      Use &U = UI.getUse();
+      Use &U = *UI;
 
       // Increment the iterator before removing the use from the list.
       ++UI;
@@ -146,16 +198,147 @@ static void RewriteUsesOfClonedInstructions(BasicBlock *OrigHeader,
   }
 }
 
+/// Determine whether the instructions in this range may be safely and cheaply
+/// speculated. This is not an important enough situation to develop complex
+/// heuristics. We handle a single arithmetic instruction along with any type
+/// conversions.
+static bool shouldSpeculateInstrs(BasicBlock::iterator Begin,
+                                  BasicBlock::iterator End, Loop *L) {
+  bool seenIncrement = false;
+  bool MultiExitLoop = false;
+
+  if (!L->getExitingBlock())
+    MultiExitLoop = true;
+
+  for (BasicBlock::iterator I = Begin; I != End; ++I) {
+
+    if (!isSafeToSpeculativelyExecute(I))
+      return false;
+
+    if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
+      continue;
+
+    switch (I->getOpcode()) {
+    default:
+      return false;
+    case Instruction::GetElementPtr:
+      // GEPs are cheap if all indices are constant.
+      if (!cast<GEPOperator>(I)->hasAllConstantIndices())
+        return false;
+      // fall-thru to increment case
+    case Instruction::Add:
+    case Instruction::Sub:
+    case Instruction::And:
+    case Instruction::Or:
+    case Instruction::Xor:
+    case Instruction::Shl:
+    case Instruction::LShr:
+    case Instruction::AShr: {
+      Value *IVOpnd = !isa<Constant>(I->getOperand(0))
+                          ? I->getOperand(0)
+                          : !isa<Constant>(I->getOperand(1))
+                                ? I->getOperand(1)
+                                : nullptr;
+      if (!IVOpnd)
+        return false;
+
+      // If increment operand is used outside of the loop, this speculation
+      // could cause extra live range interference.
+      if (MultiExitLoop) {
+        for (User *UseI : IVOpnd->users()) {
+          auto *UserInst = cast<Instruction>(UseI);
+          if (!L->contains(UserInst))
+            return false;
+        }
+      }
+
+      if (seenIncrement)
+        return false;
+      seenIncrement = true;
+      break;
+    }
+    case Instruction::Trunc:
+    case Instruction::ZExt:
+    case Instruction::SExt:
+      // ignore type conversions
+      break;
+    }
+  }
+  return true;
+}
+
+/// Fold the loop tail into the loop exit by speculating the loop tail
+/// instructions. Typically, this is a single post-increment. In the case of a
+/// simple 2-block loop, hoisting the increment can be much better than
+/// duplicating the entire loop header. In the case of loops with early exits,
+/// rotation will not work anyway, but simplifyLoopLatch will put the loop in
+/// canonical form so downstream passes can handle it.
+///
+/// I don't believe this invalidates SCEV.
+bool LoopRotate::simplifyLoopLatch(Loop *L) {
+  BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
+  if (!Latch || Latch->hasAddressTaken())
+    return false;
+
+  BranchInst *Jmp = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
+  if (!Jmp || !Jmp->isUnconditional())
+    return false;
+
+  BasicBlock *LastExit = Latch->getSinglePredecessor();
+  if (!LastExit || !L->isLoopExiting(LastExit))
+    return false;
+
+  BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LastExit->getTerminator());
+  if (!BI)
+    return false;
+
+  if (!shouldSpeculateInstrs(Latch->begin(), Jmp, L))
+    return false;
+
+  DEBUG(dbgs() << "Folding loop latch " << Latch->getName() << " into "
+        << LastExit->getName() << "\n");
+
+  // Hoist the instructions from Latch into LastExit.
+  LastExit->getInstList().splice(BI, Latch->getInstList(), Latch->begin(), Jmp);
+
+  unsigned FallThruPath = BI->getSuccessor(0) == Latch ? 0 : 1;
+  BasicBlock *Header = Jmp->getSuccessor(0);
+  assert(Header == L->getHeader() && "expected a backward branch");
+
+  // Remove Latch from the CFG so that LastExit becomes the new Latch.
+  BI->setSuccessor(FallThruPath, Header);
+  Latch->replaceSuccessorsPhiUsesWith(LastExit);
+  Jmp->eraseFromParent();
+
+  // Nuke the Latch block.
+  assert(Latch->empty() && "unable to evacuate Latch");
+  LI->removeBlock(Latch);
+  if (DT)
+    DT->eraseNode(Latch);
+  Latch->eraseFromParent();
+  return true;
+}
+
 /// Rotate loop LP. Return true if the loop is rotated.
-bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
+///
+/// \param SimplifiedLatch is true if the latch was just folded into the final
+/// loop exit. In this case we may want to rotate even though the new latch is
+/// now an exiting branch. This rotation would have happened had the latch not
+/// been simplified. However, if SimplifiedLatch is false, then we avoid
+/// rotating loops in which the latch exits to avoid excessive or endless
+/// rotation. LoopRotate should be repeatable and converge to a canonical
+/// form. This property is satisfied because simplifying the loop latch can only
+/// happen once across multiple invocations of the LoopRotate pass.
+bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L, bool SimplifiedLatch) {
   // If the loop has only one block then there is not much to rotate.
   if (L->getBlocks().size() == 1)
     return false;
 
   BasicBlock *OrigHeader = L->getHeader();
+  BasicBlock *OrigLatch = L->getLoopLatch();
 
   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(OrigHeader->getTerminator());
-  if (BI == 0 || BI->isUnconditional())
+  if (!BI || BI->isUnconditional())
     return false;
 
   // If the loop header is not one of the loop exiting blocks then
@@ -164,36 +347,47 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   if (!L->isLoopExiting(OrigHeader))
     return false;
 
-  // Updating PHInodes in loops with multiple exits adds complexity.
-  // Keep it simple, and restrict loop rotation to loops with one exit only.
-  // In future, lift this restriction and support for multiple exits if
-  // required.
-  SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
-  L->getExitBlocks(ExitBlocks);
-  if (ExitBlocks.size() > 1)
+  // If the loop latch already contains a branch that leaves the loop then the
+  // loop is already rotated.
+  if (!OrigLatch)
     return false;
 
-  // Check size of original header and reject loop if it is very big.
+  // Rotate if either the loop latch does *not* exit the loop, or if the loop
+  // latch was just simplified.
+  if (L->isLoopExiting(OrigLatch) && !SimplifiedLatch)
+    return false;
+
+  // Check size of original header and reject loop if it is very big or we can't
+  // duplicate blocks inside it.
   {
+    SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
+    CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
+
     CodeMetrics Metrics;
-    Metrics.analyzeBasicBlock(OrigHeader);
-    if (Metrics.NumInsts > MAX_HEADER_SIZE)
+    Metrics.analyzeBasicBlock(OrigHeader, *TTI, EphValues);
+    if (Metrics.notDuplicatable) {
+      DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: NOT rotating - contains non-duplicatable"
+            << " instructions: "; L->dump());
+      return false;
+    }
+    if (Metrics.NumInsts > MaxHeaderSize)
       return false;
   }
 
   // Now, this loop is suitable for rotation.
   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
-  BasicBlock *OrigLatch = L->getLoopLatch();
 
   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
   // indirectbr in it, just give up.
-  if (OrigPreheader == 0 || OrigLatch == 0)
+  if (!OrigPreheader)
     return false;
 
   // Anything ScalarEvolution may know about this loop or the PHI nodes
   // in its header will soon be invalidated.
-  if (ScalarEvolution *SE = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>())
-    SE->forgetLoop(L);
+  if (auto *SEWP = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolutionWrapperPass>())
+    SEWP->getSE().forgetLoop(L);
+
+  DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: rotating "; L->dump());
 
   // Find new Loop header. NewHeader is a Header's one and only successor
   // that is inside loop.  Header's other successor is outside the
@@ -222,6 +416,8 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
     ValueMap[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(OrigPreheader);
 
+  const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
+
   // For the rest of the instructions, either hoist to the OrigPreheader if
   // possible or create a clone in the OldPreHeader if not.
   TerminatorInst *LoopEntryBranch = OrigPreheader->getTerminator();
@@ -236,7 +432,8 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
     // memory (without proving that the loop doesn't write).
     if (L->hasLoopInvariantOperands(Inst) &&
         !Inst->mayReadFromMemory() && !Inst->mayWriteToMemory() &&
-        !isa<TerminatorInst>(Inst) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst)) {
+        !isa<TerminatorInst>(Inst) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst) &&
+        !isa<AllocaInst>(Inst)) {
       Inst->moveBefore(LoopEntryBranch);
       continue;
     }
@@ -251,7 +448,8 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
     // With the operands remapped, see if the instruction constant folds or is
     // otherwise simplifyable.  This commonly occurs because the entry from PHI
     // nodes allows icmps and other instructions to fold.
-    Value *V = SimplifyInstruction(C);
+    // FIXME: Provide TLI, DT, AC to SimplifyInstruction.
+    Value *V = SimplifyInstruction(C, DL);
     if (V && LI->replacementPreservesLCSSAForm(C, V)) {
       // If so, then delete the temporary instruction and stick the folded value
       // in the map.
@@ -269,8 +467,8 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   // terminator into OrigPreHeader. Fix up the PHI nodes in each of OrigHeader's
   // successors by duplicating their incoming values for OrigHeader.
   TerminatorInst *TI = OrigHeader->getTerminator();
-  for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
-    for (BasicBlock::iterator BI = TI->getSuccessor(i)->begin();
+  for (BasicBlock *SuccBB : TI->successors())
+    for (BasicBlock::iterator BI = SuccBB->begin();
          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
       PN->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(OrigHeader), OrigPreheader);
 
@@ -303,25 +501,55 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
     // The conditional branch can't be folded, handle the general case.
     // Update DominatorTree to reflect the CFG change we just made.  Then split
     // edges as necessary to preserve LoopSimplify form.
-    if (DominatorTree *DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>()) {
-      // Since OrigPreheader now has the conditional branch to Exit block, it is
-      // the dominator of Exit.
-      DT->changeImmediateDominator(Exit, OrigPreheader);
-      DT->changeImmediateDominator(NewHeader, OrigPreheader);
+    if (DT) {
+      // Everything that was dominated by the old loop header is now dominated
+      // by the original loop preheader. Conceptually the header was merged
+      // into the preheader, even though we reuse the actual block as a new
+      // loop latch.
+      DomTreeNode *OrigHeaderNode = DT->getNode(OrigHeader);
+      SmallVector<DomTreeNode *, 8> HeaderChildren(OrigHeaderNode->begin(),
+                                                   OrigHeaderNode->end());
+      DomTreeNode *OrigPreheaderNode = DT->getNode(OrigPreheader);
+      for (unsigned I = 0, E = HeaderChildren.size(); I != E; ++I)
+        DT->changeImmediateDominator(HeaderChildren[I], OrigPreheaderNode);
+
+      assert(DT->getNode(Exit)->getIDom() == OrigPreheaderNode);
+      assert(DT->getNode(NewHeader)->getIDom() == OrigPreheaderNode);
 
       // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
       DT->changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
     }
 
     // Right now OrigPreHeader has two successors, NewHeader and ExitBlock, and
-    // thus is not a preheader anymore.  Split the edge to form a real preheader.
-    BasicBlock *NewPH = SplitCriticalEdge(OrigPreheader, NewHeader, this);
+    // thus is not a preheader anymore.
+    // Split the edge to form a real preheader.
+    BasicBlock *NewPH = SplitCriticalEdge(
+        OrigPreheader, NewHeader,
+        CriticalEdgeSplittingOptions(DT, LI).setPreserveLCSSA());
     NewPH->setName(NewHeader->getName() + ".lr.ph");
 
-    // Preserve canonical loop form, which means that 'Exit' should have only one
-    // predecessor.
-    BasicBlock *ExitSplit = SplitCriticalEdge(L->getLoopLatch(), Exit, this);
-    ExitSplit->moveBefore(Exit);
+    // Preserve canonical loop form, which means that 'Exit' should have only
+    // one predecessor. Note that Exit could be an exit block for multiple
+    // nested loops, causing both of the edges to now be critical and need to
+    // be split.
+    SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitPreds(pred_begin(Exit), pred_end(Exit));
+    bool SplitLatchEdge = false;
+    for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator PI = ExitPreds.begin(),
+                                                 PE = ExitPreds.end();
+         PI != PE; ++PI) {
+      // We only need to split loop exit edges.
+      Loop *PredLoop = LI->getLoopFor(*PI);
+      if (!PredLoop || PredLoop->contains(Exit))
+        continue;
+      if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator()))
+        continue;
+      SplitLatchEdge |= L->getLoopLatch() == *PI;
+      BasicBlock *ExitSplit = SplitCriticalEdge(
+          *PI, Exit, CriticalEdgeSplittingOptions(DT, LI).setPreserveLCSSA());
+      ExitSplit->moveBefore(Exit);
+    }
+    assert(SplitLatchEdge &&
+           "Despite splitting all preds, failed to split latch exit?");
   } else {
     // We can fold the conditional branch in the preheader, this makes things
     // simpler. The first step is to remove the extra edge to the Exit block.
@@ -331,10 +559,39 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
     PHBI->eraseFromParent();
 
     // With our CFG finalized, update DomTree if it is available.
-    if (DominatorTree *DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>()) {
+    if (DT) {
       // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
       DT->changeImmediateDominator(NewHeader, OrigPreheader);
       DT->changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
+
+      // Brute force incremental dominator tree update. Call
+      // findNearestCommonDominator on all CFG predecessors of each child of the
+      // original header.
+      DomTreeNode *OrigHeaderNode = DT->getNode(OrigHeader);
+      SmallVector<DomTreeNode *, 8> HeaderChildren(OrigHeaderNode->begin(),
+                                                   OrigHeaderNode->end());
+      bool Changed;
+      do {
+        Changed = false;
+        for (unsigned I = 0, E = HeaderChildren.size(); I != E; ++I) {
+          DomTreeNode *Node = HeaderChildren[I];
+          BasicBlock *BB = Node->getBlock();
+
+          pred_iterator PI = pred_begin(BB);
+          BasicBlock *NearestDom = *PI;
+          for (pred_iterator PE = pred_end(BB); PI != PE; ++PI)
+            NearestDom = DT->findNearestCommonDominator(NearestDom, *PI);
+
+          // Remember if this changes the DomTree.
+          if (Node->getIDom()->getBlock() != NearestDom) {
+            DT->changeImmediateDominator(BB, NearestDom);
+            Changed = true;
+          }
+        }
+
+      // If the dominator changed, this may have an effect on other
+      // predecessors, continue until we reach a fixpoint.
+      } while (Changed);
     }
   }
 
@@ -345,9 +602,10 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   // the OrigHeader block into OrigLatch.  This will succeed if they are
   // connected by an unconditional branch.  This is just a cleanup so the
   // emitted code isn't too gross in this common case.
-  MergeBlockIntoPredecessor(OrigHeader, this);
+  MergeBlockIntoPredecessor(OrigHeader, DT, LI);
+
+  DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: into "; L->dump());
 
   ++NumRotated;
   return true;
 }
-