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[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopRotation.cpp
index bcb4257bce76f33bea824d42fe586fef750ed620..7eeb1527ad401c9b187832224a18f944d3061890 100644 (file)
 #define DEBUG_TYPE "loop-rotate"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
 #include "llvm/Function.h"
+#include "llvm/IntrinsicInst.h"
 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
+#include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
@@ -38,10 +40,6 @@ namespace {
       initializeLoopRotatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
     }
 
-    // Rotate Loop L as many times as possible. Return true if
-    // loop is rotated at least once.
-    bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
-
     // LCSSA form makes instruction renaming easier.
     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
       AU.addPreserved<DominatorTree>();
@@ -54,24 +52,15 @@ namespace {
       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
     }
 
-    // Helper functions
-
-    /// Do actual work
+    bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
+    void simplifyLoopLatch(Loop *L);
     bool rotateLoop(Loop *L);
-    
-    /// After loop rotation, loop pre-header has multiple sucessors.
-    /// Insert one forwarding basic block to ensure that loop pre-header
-    /// has only one successor.
-    void preserveCanonicalLoopForm(Loop *L, BasicBlock *OrigHeader,
-                                   BasicBlock *OrigPreHeader,
-                                   BasicBlock *OrigLatch, BasicBlock *NewHeader,
-                                   BasicBlock *Exit);
 
   private:
     LoopInfo *LI;
   };
 }
-  
+
 char LoopRotate::ID = 0;
 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopRotate, "loop-rotate", "Rotate Loops", false, false)
 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
@@ -86,6 +75,11 @@ Pass *llvm::createLoopRotatePass() { return new LoopRotate(); }
 bool LoopRotate::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
 
+  // 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.
+  simplifyLoopLatch(L);
+
   // One loop can be rotated multiple times.
   bool MadeChange = false;
   while (rotateLoop(L))
@@ -94,25 +88,186 @@ bool LoopRotate::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
   return MadeChange;
 }
 
+/// RewriteUsesOfClonedInstructions - We just cloned the instructions from the
+/// old header into the preheader.  If there were uses of the values produced by
+/// these instruction that were outside of the loop, we have to insert PHI nodes
+/// to merge the two values.  Do this now.
+static void RewriteUsesOfClonedInstructions(BasicBlock *OrigHeader,
+                                            BasicBlock *OrigPreheader,
+                                            ValueToValueMapTy &ValueMap) {
+  // Remove PHI node entries that are no longer live.
+  BasicBlock::iterator I, E = OrigHeader->end();
+  for (I = OrigHeader->begin(); PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
+    PN->removeIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(OrigPreheader));
+
+  // Now fix up users of the instructions in OrigHeader, inserting PHI nodes
+  // as necessary.
+  SSAUpdater SSA;
+  for (I = OrigHeader->begin(); I != E; ++I) {
+    Value *OrigHeaderVal = I;
+
+    // If there are no uses of the value (e.g. because it returns void), there
+    // is nothing to rewrite.
+    if (OrigHeaderVal->use_empty())
+      continue;
+
+    Value *OrigPreHeaderVal = ValueMap[OrigHeaderVal];
+
+    // The value now exits in two versions: the initial value in the preheader
+    // and the loop "next" value in the original header.
+    SSA.Initialize(OrigHeaderVal->getType(), OrigHeaderVal->getName());
+    SSA.AddAvailableValue(OrigHeader, OrigHeaderVal);
+    SSA.AddAvailableValue(OrigPreheader, OrigPreHeaderVal);
+
+    // Visit each use of the OrigHeader instruction.
+    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();
+
+      // Increment the iterator before removing the use from the list.
+      ++UI;
+
+      // SSAUpdater can't handle a non-PHI use in the same block as an
+      // earlier def. We can easily handle those cases manually.
+      Instruction *UserInst = cast<Instruction>(U.getUser());
+      if (!isa<PHINode>(UserInst)) {
+        BasicBlock *UserBB = UserInst->getParent();
+
+        // The original users in the OrigHeader are already using the
+        // original definitions.
+        if (UserBB == OrigHeader)
+          continue;
+
+        // Users in the OrigPreHeader need to use the value to which the
+        // original definitions are mapped.
+        if (UserBB == OrigPreheader) {
+          U = OrigPreHeaderVal;
+          continue;
+        }
+      }
+
+      // Anything else can be handled by SSAUpdater.
+      SSA.RewriteUse(U);
+    }
+  }
+}
+
+/// Determine whether the instructions in this range my 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) {
+  bool seenIncrement = false;
+  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:
+      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 cast 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.
+void LoopRotate::simplifyLoopLatch(Loop *L) {
+  BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
+  if (!Latch || Latch->hasAddressTaken())
+    return;
+
+  BranchInst *Jmp = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
+  if (!Jmp || !Jmp->isUnconditional())
+    return;
+
+  BasicBlock *LastExit = Latch->getSinglePredecessor();
+  if (!LastExit || !L->isLoopExiting(LastExit))
+    return;
+
+  BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LastExit->getTerminator());
+  if (!BI)
+    return;
+
+  if (!shouldSpeculateInstrs(Latch->begin(), Jmp))
+    return;
+
+  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 (DominatorTree *DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>())
+    DT->eraseNode(Latch);
+  Latch->eraseFromParent();
+}
+
 /// Rotate loop LP. Return true if the loop is rotated.
 bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   // 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();
-  
+
   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(OrigHeader->getTerminator());
   if (BI == 0 || BI->isUnconditional())
     return false;
-  
+
   // If the loop header is not one of the loop exiting blocks then
   // either this loop is already rotated or it is not
   // suitable for loop rotation transformations.
   if (!L->isLoopExiting(OrigHeader))
     return false;
 
-  // Updating PHInodes in loops with multiple exits adds complexity. 
+  // 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.
@@ -130,9 +285,13 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   }
 
   // Now, this loop is suitable for rotation.
-  BasicBlock *OrigPreHeader = L->getLoopPreheader();
+  BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
   BasicBlock *OrigLatch = L->getLoopLatch();
-  assert(OrigPreHeader && OrigLatch && "Loop not in canonical form?");
+
+  // 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)
+    return false;
 
   // Anything ScalarEvolution may know about this loop or the PHI nodes
   // in its header will soon be invalidated.
@@ -147,9 +306,9 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   if (L->contains(Exit))
     std::swap(Exit, NewHeader);
   assert(NewHeader && "Unable to determine new loop header");
-  assert(L->contains(NewHeader) && !L->contains(Exit) && 
+  assert(L->contains(NewHeader) && !L->contains(Exit) &&
          "Unable to determine loop header and exit blocks");
-  
+
   // This code assumes that the new header has exactly one predecessor.
   // Remove any single-entry PHI nodes in it.
   assert(NewHeader->getSinglePredecessor() &&
@@ -164,14 +323,14 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   // For PHI nodes, the value available in OldPreHeader is just the
   // incoming value from OldPreHeader.
   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
-    ValueMap[PN] = PN->getIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(OrigPreHeader));
+    ValueMap[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(OrigPreheader);
 
   // 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();
+  TerminatorInst *LoopEntryBranch = OrigPreheader->getTerminator();
   while (I != E) {
     Instruction *Inst = I++;
-    
+
     // If the instruction's operands are invariant and it doesn't read or write
     // memory, then it is safe to hoist.  Doing this doesn't change the order of
     // execution in the preheader, but does prevent the instruction from
@@ -180,18 +339,19 @@ 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<TerminatorInst>(Inst) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst) &&
+        !isa<AllocaInst>(Inst)) {
       Inst->moveBefore(LoopEntryBranch);
       continue;
     }
-    
+
     // Otherwise, create a duplicate of the instruction.
     Instruction *C = Inst->clone();
-    
+
     // Eagerly remap the operands of the instruction.
     RemapInstruction(C, ValueMap,
                      RF_NoModuleLevelChanges|RF_IgnoreMissingEntries);
-    
+
     // 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.
@@ -216,128 +376,83 @@ bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L) {
   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
     for (BasicBlock::iterator BI = TI->getSuccessor(i)->begin();
          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
-      PN->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(OrigHeader), OrigPreHeader);
+      PN->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(OrigHeader), OrigPreheader);
 
   // Now that OrigPreHeader has a clone of OrigHeader's terminator, remove
   // OrigPreHeader's old terminator (the original branch into the loop), and
   // remove the corresponding incoming values from the PHI nodes in OrigHeader.
   LoopEntryBranch->eraseFromParent();
-  for (I = OrigHeader->begin(); PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
-    PN->removeIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(OrigPreHeader));
-
-  // Now fix up users of the instructions in OrigHeader, inserting PHI nodes
-  // as necessary.
-  SSAUpdater SSA;
-  for (I = OrigHeader->begin(); I != E; ++I) {
-    Value *OrigHeaderVal = I;
-    Value *OrigPreHeaderVal = ValueMap[OrigHeaderVal];
 
-    // If there are no uses of the value (e.g. because it returns void), there
-    // is nothing to rewrite.
-    if (OrigHeaderVal->use_empty() && OrigPreHeaderVal->use_empty())
-      continue;
-    
-    // The value now exits in two versions: the initial value in the preheader
-    // and the loop "next" value in the original header.
-    SSA.Initialize(OrigHeaderVal->getType(), OrigHeaderVal->getName());
-    SSA.AddAvailableValue(OrigHeader, OrigHeaderVal);
-    SSA.AddAvailableValue(OrigPreHeader, OrigPreHeaderVal);
-
-    // Visit each use of the OrigHeader instruction.
-    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();
+  // If there were any uses of instructions in the duplicated block outside the
+  // loop, update them, inserting PHI nodes as required
+  RewriteUsesOfClonedInstructions(OrigHeader, OrigPreheader, ValueMap);
 
-      // Increment the iterator before removing the use from the list.
-      ++UI;
-
-      // SSAUpdater can't handle a non-PHI use in the same block as an
-      // earlier def. We can easily handle those cases manually.
-      Instruction *UserInst = cast<Instruction>(U.getUser());
-      if (!isa<PHINode>(UserInst)) {
-        BasicBlock *UserBB = UserInst->getParent();
+  // NewHeader is now the header of the loop.
+  L->moveToHeader(NewHeader);
+  assert(L->getHeader() == NewHeader && "Latch block is our new header");
 
-        // The original users in the OrigHeader are already using the
-        // original definitions.
-        if (UserBB == OrigHeader)
-          continue;
 
-        // Users in the OrigPreHeader need to use the value to which the
-        // original definitions are mapped.
-        if (UserBB == OrigPreHeader) {
-          U = OrigPreHeaderVal;
-          continue;
-        }
-      }
+  // At this point, we've finished our major CFG changes.  As part of cloning
+  // the loop into the preheader we've simplified instructions and the
+  // duplicated conditional branch may now be branching on a constant.  If it is
+  // branching on a constant and if that constant means that we enter the loop,
+  // then we fold away the cond branch to an uncond branch.  This simplifies the
+  // loop in cases important for nested loops, and it also means we don't have
+  // to split as many edges.
+  BranchInst *PHBI = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
+  assert(PHBI->isConditional() && "Should be clone of BI condbr!");
+  if (!isa<ConstantInt>(PHBI->getCondition()) ||
+      PHBI->getSuccessor(cast<ConstantInt>(PHBI->getCondition())->isZero())
+          != NewHeader) {
+    // 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);
+
+      // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
+      DT->changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
+    }
 
-      // Anything else can be handled by SSAUpdater.
-      SSA.RewriteUse(U);
+    // 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);
+    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);
+  } 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.
+    Exit->removePredecessor(OrigPreheader, true /*preserve LCSSA*/);
+    BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(NewHeader, PHBI);
+    NewBI->setDebugLoc(PHBI->getDebugLoc());
+    PHBI->eraseFromParent();
+
+    // With our CFG finalized, update DomTree if it is available.
+    if (DominatorTree *DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>()) {
+      // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
+      DT->changeImmediateDominator(NewHeader, OrigPreheader);
+      DT->changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
     }
   }
 
-  // NewHeader is now the header of the loop.
-  L->moveToHeader(NewHeader);
+  assert(L->getLoopPreheader() && "Invalid loop preheader after loop rotation");
+  assert(L->getLoopLatch() && "Invalid loop latch after loop rotation");
 
-  // Move the original header to the bottom of the loop, where it now more
-  // naturally belongs. This isn't necessary for correctness, and CodeGen can
-  // usually reorder blocks on its own to fix things like this up, but it's
-  // still nice to keep the IR readable.
-  //
-  // The original header should have only one predecessor at this point, since
-  // we checked that the loop had a proper preheader and unique backedge before
-  // we started.
-  assert(OrigHeader->getSinglePredecessor() &&
-         "Original loop header has too many predecessors after loop rotation!");
-  OrigHeader->moveAfter(OrigHeader->getSinglePredecessor());
-
-  // Also, since this original header only has one predecessor, zap its
-  // PHI nodes, which are now trivial.
-  FoldSingleEntryPHINodes(OrigHeader);
-
-  // TODO: We could just go ahead and merge OrigHeader into its predecessor
-  // at this point, if we don't mind updating dominator info.
-
-  // Establish a new preheader, update dominators, etc.
-  preserveCanonicalLoopForm(L, OrigHeader, OrigPreHeader, OrigLatch,
-                            NewHeader, Exit);
+  // Now that the CFG and DomTree are in a consistent state again, try to merge
+  // 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);
 
   ++NumRotated;
   return true;
 }
 
-
-/// Update LoopInfo, DominatorTree, and DomFrontiers to reflect the CFG change
-/// we just made.  Then split edges as necessary to preserve LoopSimplify form.
-void LoopRotate::preserveCanonicalLoopForm(Loop *L, BasicBlock *OrigHeader,
-                                           BasicBlock *OrigPreHeader,
-                                           BasicBlock *OrigLatch,
-                                           BasicBlock *NewHeader,
-                                           BasicBlock *Exit) {
-  assert(L->getHeader() == NewHeader && "Latch block is our new header");
-
-  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);
-    
-    // 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);
-  NewPH->setName(NewHeader->getName() + ".lr.ph");
-  
-  // Preserve canonical loop form, which means Exit block should have only one
-  // predecessor.
-  SplitCriticalEdge(L->getLoopLatch(), Exit, this);
-
-  assert(NewHeader && L->getHeader() == NewHeader &&
-         "Invalid loop header after loop rotation");
-  assert(L->getLoopPreheader() == NewPH &&
-         "Invalid loop preheader after loop rotation");
-  assert(L->getLoopLatch() && "Invalid loop latch after loop rotation");
-}