Fix Twine corruption problem with diagnostics.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SampleProfile.cpp
index 9856d7fbb28f9abb0669afd81a1b56d6369046cc..89f0c27070b0e0297202f1a3567f384df3dbad5d 100644 (file)
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
-#define DEBUG_TYPE "sample-profile"
-
+#include "llvm/Transforms/Scalar.h"
 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
-#include "llvm/ADT/OwningPtr.h"
-#include "llvm/ADT/StringMap.h"
+#include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
+#include "llvm/ADT/SmallSet.h"
 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
-#include "llvm/DebugInfo/DIContext.h"
+#include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
 #include "llvm/IR/Constants.h"
+#include "llvm/IR/DebugInfo.h"
+#include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
+#include "llvm/IR/Dominators.h"
 #include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/IR/InstIterator.h"
 #include "llvm/IR/Instructions.h"
 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
-#include "llvm/IR/Metadata.h"
 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
+#include "llvm/IR/Metadata.h"
 #include "llvm/IR/Module.h"
 #include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/ProfileData/SampleProfReader.h"
 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
-#include "llvm/Support/InstIterator.h"
-#include "llvm/Support/MemoryBuffer.h"
-#include "llvm/Support/Regex.h"
 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
-#include "llvm/Transforms/Scalar.h"
+#include <cctype>
 
 using namespace llvm;
+using namespace sampleprof;
+
+#define DEBUG_TYPE "sample-profile"
 
 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
 // mainly used for debugging.
 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
+static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
+    "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
+    cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
+             "sample block/edge weights through the CFG."));
 
 namespace {
+typedef DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
+typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
+typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
+typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
+typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8>> BlockEdgeMap;
 
-typedef DenseMap<uint32_t, uint32_t> BodySampleMap;
-typedef DenseMap<BasicBlock *, uint32_t> BlockWeightMap;
-
-/// \brief Representation of the runtime profile for a function.
+/// \brief Sample profile pass.
 ///
-/// This data structure contains the runtime profile for a given
-/// function. It contains the total number of samples collected
-/// in the function and a map of samples collected in every statement.
-class SampleFunctionProfile {
+/// This pass reads profile data from the file specified by
+/// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
+/// profile information found in that file.
+class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
 public:
-  SampleFunctionProfile() : TotalSamples(0), TotalHeadSamples(0) {}
+  // Class identification, replacement for typeinfo
+  static char ID;
 
-  bool emitAnnotations(Function &F);
-  uint32_t getInstWeight(Instruction &I, unsigned FirstLineno,
-                         BodySampleMap &BodySamples);
-  uint32_t computeBlockWeight(BasicBlock *B, unsigned FirstLineno,
-                              BodySampleMap &BodySamples);
-  void addTotalSamples(unsigned Num) { TotalSamples += Num; }
-  void addHeadSamples(unsigned Num) { TotalHeadSamples += Num; }
-  void addBodySamples(unsigned LineOffset, unsigned Num) {
-    BodySamples[LineOffset] += Num;
+  SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
+      : FunctionPass(ID), DT(nullptr), PDT(nullptr), LI(nullptr), Ctx(nullptr),
+        Reader(), Samples(nullptr), Filename(Name), ProfileIsValid(false) {
+    initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
   }
-  void print(raw_ostream &OS);
 
-protected:
-  /// \brief Total number of samples collected inside this function.
-  ///
-  /// Samples are cumulative, they include all the samples collected
-  /// inside this function and all its inlined callees.
-  unsigned TotalSamples;
+  bool doInitialization(Module &M) override;
 
-  // \brief Total number of samples collected at the head of the function.
-  unsigned TotalHeadSamples;
+  void dump() { Reader->dump(); }
 
-  /// \brief Map line offsets to collected samples.
-  ///
-  /// Each entry in this map contains the number of samples
-  /// collected at the corresponding line offset. All line locations
-  /// are an offset from the start of the function.
-  BodySampleMap BodySamples;
+  const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
 
-  /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
-  ///
-  /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
-  /// of all the instruction weights in that block.
-  BlockWeightMap BlockWeights;
-};
+  bool runOnFunction(Function &F) override;
 
-/// \brief Sample-based profile reader.
-///
-/// Each profile contains sample counts for all the functions
-/// executed. Inside each function, statements are annotated with the
-/// collected samples on all the instructions associated with that
-/// statement.
-///
-/// For this to produce meaningful data, the program needs to be
-/// compiled with some debug information (at minimum, line numbers:
-/// -gline-tables-only). Otherwise, it will be impossible to match IR
-/// instructions to the line numbers collected by the profiler.
-///
-/// From the profile file, we are interested in collecting the
-/// following information:
-///
-/// * A list of functions included in the profile (mangled names).
-///
-/// * For each function F:
-///   1. The total number of samples collected in F.
-///
-///   2. The samples collected at each line in F. To provide some
-///      protection against source code shuffling, line numbers should
-///      be relative to the start of the function.
-class SampleModuleProfile {
-public:
-  SampleModuleProfile(StringRef F) : Profiles(0), Filename(F) {}
-
-  void dump();
-  void loadText();
-  void loadNative() { llvm_unreachable("not implemented"); }
-  void printFunctionProfile(raw_ostream &OS, StringRef FName);
-  void dumpFunctionProfile(StringRef FName);
-  SampleFunctionProfile &getProfile(const Function &F) {
-    return Profiles[F.getName()];
+  void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
+    AU.setPreservesCFG();
+    AU.addRequired<LoopInfo>();
+    AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
+    AU.addRequired<PostDominatorTree>();
   }
 
 protected:
-  /// \brief Map every function to its associated profile.
-  ///
-  /// The profile of every function executed at runtime is collected
-  /// in the structure SampleFunctionProfile. This maps function objects
-  /// to their corresponding profiles.
-  StringMap<SampleFunctionProfile> Profiles;
+  unsigned getFunctionLoc(Function &F);
+  bool emitAnnotations(Function &F);
+  unsigned getInstWeight(Instruction &I);
+  unsigned getBlockWeight(BasicBlock *BB);
+  void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
+  void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
+  void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
+  bool computeBlockWeights(Function &F);
+  void findEquivalenceClasses(Function &F);
+  void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
+                           SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
+                           DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
+  void propagateWeights(Function &F);
+  unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
+  void buildEdges(Function &F);
+  bool propagateThroughEdges(Function &F);
+
+  /// \brief Line number for the function header. Used to compute absolute
+  /// line numbers from the relative line numbers found in the profile.
+  unsigned HeaderLineno;
 
-  /// \brief Path name to the file holding the profile data.
+  /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
   ///
-  /// The format of this file is defined by each profiler
-  /// independently. If possible, the profiler should have a text
-  /// version of the profile format to be used in constructing test
-  /// cases and debugging.
-  StringRef Filename;
-};
-
-/// \brief Loader class for text-based profiles.
-///
-/// This class defines a simple interface to read text files containing
-/// profiles. It keeps track of line number information and location of
-/// the file pointer. Users of this class are responsible for actually
-/// parsing the lines returned by the readLine function.
-///
-/// TODO - This does not really belong here. It is a generic text file
-/// reader. It should be moved to the Support library and made more general.
-class ExternalProfileTextLoader {
-public:
-  ExternalProfileTextLoader(StringRef F) : Filename(F) {
-    error_code EC;
-    EC = MemoryBuffer::getFile(Filename, Buffer);
-    if (EC)
-      report_fatal_error("Could not open profile file " + Filename + ": " +
-                         EC.message());
-    FP = Buffer->getBufferStart();
-    Lineno = 0;
-  }
-
-  /// \brief Read a line from the mapped file.
-  StringRef readLine() {
-    size_t Length = 0;
-    const char *start = FP;
-    while (FP != Buffer->getBufferEnd() && *FP != '\n') {
-      Length++;
-      FP++;
-    }
-    if (FP != Buffer->getBufferEnd())
-      FP++;
-    Lineno++;
-    return StringRef(start, Length);
-  }
-
-  /// \brief Return true, if we've reached EOF.
-  bool atEOF() const { return FP == Buffer->getBufferEnd(); }
-
-  /// \brief Report a parse error message and stop compilation.
-  void reportParseError(Twine Msg) const {
-    report_fatal_error(Filename + ":" + Twine(Lineno) + ": " + Msg + "\n");
-  }
-
-private:
-  /// \brief Memory buffer holding the text file.
-  OwningPtr<MemoryBuffer> Buffer;
-
-  /// \brief Current position into the memory buffer.
-  const char *FP;
-
-  /// \brief Current line number.
-  int64_t Lineno;
+  /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
+  /// of all the instruction weights in that block.
+  BlockWeightMap BlockWeights;
 
-  /// \brief Path name where to the profile file.
-  StringRef Filename;
-};
+  /// \brief Map edges to their computed weights.
+  ///
+  /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
+  /// SampleProfile::propagateWeights.
+  EdgeWeightMap EdgeWeights;
 
-/// \brief Sample profile pass.
-///
-/// This pass reads profile data from the file specified by
-/// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
-/// profile information found in that file.
-class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
-public:
-  // Class identification, replacement for typeinfo
-  static char ID;
+  /// \brief Set of visited blocks during propagation.
+  SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
 
-  SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
-      : FunctionPass(ID), Profiler(0), Filename(Name) {
-    initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
-  }
+  /// \brief Set of visited edges during propagation.
+  SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
 
-  virtual bool doInitialization(Module &M);
+  /// \brief Equivalence classes for block weights.
+  ///
+  /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
+  /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
+  /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
+  /// the same number of times.
+  EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
 
-  void dump() { Profiler->dump(); }
+  /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
+  DominatorTree *DT;
+  PostDominatorTree *PDT;
+  LoopInfo *LI;
 
-  virtual const char *getPassName() const { return "Sample profile pass"; }
+  /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
+  BlockEdgeMap Predecessors;
 
-  virtual bool runOnFunction(Function &F);
+  /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
+  BlockEdgeMap Successors;
 
-  virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-    AU.setPreservesCFG();
-  }
+  /// \brief LLVM context holding the debug data we need.
+  LLVMContext *Ctx;
 
-protected:
   /// \brief Profile reader object.
-  OwningPtr<SampleModuleProfile> Profiler;
+  std::unique_ptr<SampleProfileReader> Reader;
+
+  /// \brief Samples collected for the body of this function.
+  FunctionSamples *Samples;
 
   /// \brief Name of the profile file to load.
   StringRef Filename;
-};
-}
 
-/// \brief Print this function profile on stream \p OS.
-///
-/// \param OS Stream to emit the output to.
-void SampleFunctionProfile::print(raw_ostream &OS) {
-  OS << TotalSamples << ", " << TotalHeadSamples << ", " << BodySamples.size()
-     << " sampled lines\n";
-  for (BodySampleMap::const_iterator SI = BodySamples.begin(),
-                                     SE = BodySamples.end();
-       SI != SE; ++SI)
-    OS << "\tline offset: " << SI->first
-       << ", number of samples: " << SI->second << "\n";
-  OS << "\n";
+  /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded successfully.
+  bool ProfileIsValid;
+};
 }
 
-/// \brief Print the function profile for \p FName on stream \p OS.
+/// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
 ///
-/// \param OS Stream to emit the output to.
-/// \param FName Name of the function to print.
-void SampleModuleProfile::printFunctionProfile(raw_ostream &OS,
-                                               StringRef FName) {
-  OS << "Function: " << FName << ":\n";
-  Profiles[FName].print(OS);
+/// \param OS  Stream to emit the output to.
+/// \param E  Edge to print.
+void SampleProfileLoader::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
+  OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
+     << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
 }
 
-/// \brief Dump the function profile for \p FName.
+/// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
 ///
-/// \param FName Name of the function to print.
-void SampleModuleProfile::dumpFunctionProfile(StringRef FName) {
-  printFunctionProfile(dbgs(), FName);
+/// \param OS  Stream to emit the output to.
+/// \param BB  Block to print.
+void SampleProfileLoader::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
+                                                BasicBlock *BB) {
+  BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
+  OS << "equivalence[" << BB->getName()
+     << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
 }
 
-/// \brief Dump all the function profiles found.
-void SampleModuleProfile::dump() {
-  for (StringMap<SampleFunctionProfile>::const_iterator I = Profiles.begin(),
-                                                        E = Profiles.end();
-       I != E; ++I)
-    dumpFunctionProfile(I->getKey());
-}
-
-/// \brief Load samples from a text file.
-///
-/// The file is divided in two segments:
-///
-/// Symbol table (represented with the string "symbol table")
-///    Number of symbols in the table
-///    symbol 1
-///    symbol 2
-///    ...
-///    symbol N
-///
-/// Function body profiles
-///    function1:total_samples:total_head_samples:number_of_locations
-///    location_offset_1: number_of_samples
-///    location_offset_2: number_of_samples
-///    ...
-///    location_offset_N: number_of_samples
-///
-/// Function names must be mangled in order for the profile loader to
-/// match them in the current translation unit.
-///
-/// Since this is a flat profile, a function that shows up more than
-/// once gets all its samples aggregated across all its instances.
-/// TODO - flat profiles are too imprecise to provide good optimization
-/// opportunities. Convert them to context-sensitive profile.
-///
-/// This textual representation is useful to generate unit tests and
-/// for debugging purposes, but it should not be used to generate
-/// profiles for large programs, as the representation is extremely
-/// inefficient.
-void SampleModuleProfile::loadText() {
-  ExternalProfileTextLoader Loader(Filename);
-
-  // Read the symbol table.
-  StringRef Line = Loader.readLine();
-  if (Line != "symbol table")
-    Loader.reportParseError("Expected 'symbol table', found " + Line);
-  int NumSymbols;
-  Line = Loader.readLine();
-  if (Line.getAsInteger(10, NumSymbols))
-    Loader.reportParseError("Expected a number, found " + Line);
-  for (int I = 0; I < NumSymbols; I++)
-    Profiles[Loader.readLine()] = SampleFunctionProfile();
-
-  // Read the profile of each function. Since each function may be
-  // mentioned more than once, and we are collecting flat profiles,
-  // accumulate samples as we parse them.
-  Regex HeadRE("^([^:]+):([0-9]+):([0-9]+):([0-9]+)$");
-  Regex LineSample("^([0-9]+): ([0-9]+)$");
-  while (!Loader.atEOF()) {
-    SmallVector<StringRef, 4> Matches;
-    Line = Loader.readLine();
-    if (!HeadRE.match(Line, &Matches))
-      Loader.reportParseError("Expected 'mangled_name:NUM:NUM:NUM', found " +
-                              Line);
-    assert(Matches.size() == 5);
-    StringRef FName = Matches[1];
-    unsigned NumSamples, NumHeadSamples, NumSampledLines;
-    Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
-    Matches[3].getAsInteger(10, NumHeadSamples);
-    Matches[4].getAsInteger(10, NumSampledLines);
-    SampleFunctionProfile &FProfile = Profiles[FName];
-    FProfile.addTotalSamples(NumSamples);
-    FProfile.addHeadSamples(NumHeadSamples);
-    unsigned I;
-    for (I = 0; I < NumSampledLines && !Loader.atEOF(); I++) {
-      Line = Loader.readLine();
-      if (!LineSample.match(Line, &Matches))
-        Loader.reportParseError("Expected 'NUM: NUM', found " + Line);
-      assert(Matches.size() == 3);
-      unsigned LineOffset, NumSamples;
-      Matches[1].getAsInteger(10, LineOffset);
-      Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
-      FProfile.addBodySamples(LineOffset, NumSamples);
-    }
-
-    if (I < NumSampledLines)
-      Loader.reportParseError("Unexpected end of file");
-  }
-}
-
-char SampleProfileLoader::ID = 0;
-INITIALIZE_PASS(SampleProfileLoader, "sample-profile", "Sample Profile loader",
-                false, false)
-
-bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
-  Profiler.reset(new SampleModuleProfile(Filename));
-  Profiler->loadText();
-  return true;
-}
-
-FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
-  return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
-}
-
-FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
-  return new SampleProfileLoader(Name);
+/// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
+///
+/// \param OS  Stream to emit the output to.
+/// \param BB  Block to print.
+void SampleProfileLoader::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
+  OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
 }
 
 /// \brief Get the weight for an instruction.
@@ -392,46 +209,48 @@ FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
-/// function. We use \p FirstLineno to compute the offset. We then
-/// look up the samples collected for \p Inst using \p BodySamples.
+/// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
+/// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
 ///
 /// \param Inst Instruction to query.
-/// \param FirstLineno Line number of the first instruction in the function.
-/// \param BodySamples Map of relative source line locations to samples.
 ///
 /// \returns The profiled weight of I.
-uint32_t SampleFunctionProfile::getInstWeight(Instruction &Inst,
-                                              unsigned FirstLineno,
-                                              BodySampleMap &BodySamples) {
-  unsigned LOffset = Inst.getDebugLoc().getLine() - FirstLineno + 1;
-  return BodySamples.lookup(LOffset);
+unsigned SampleProfileLoader::getInstWeight(Instruction &Inst) {
+  DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
+  unsigned Lineno = DLoc.getLine();
+  if (Lineno < HeaderLineno)
+    return 0;
+
+  DILocation DIL(DLoc.getAsMDNode(*Ctx));
+  int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
+  unsigned Discriminator = DIL.getDiscriminator();
+  unsigned Weight = Samples->samplesAt(LOffset, Discriminator);
+  DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
+               << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
+               << " - weight: " << Weight << ")\n");
+  return Weight;
 }
 
 /// \brief Compute the weight of a basic block.
 ///
-/// The weight of basic block \p B is the maximum weight of all the
-/// instructions in B.
+/// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
+/// instructions in BB. The weight of \p BB is computed and cached in
+/// the BlockWeights map.
 ///
-/// \param B The basic block to query.
-/// \param FirstLineno The line number for the first line in the
-///     function holding B.
-/// \param BodySamples The map containing all the samples collected in that
-///     function.
+/// \param BB The basic block to query.
 ///
-/// \returns The computed weight of B.
-uint32_t SampleFunctionProfile::computeBlockWeight(BasicBlock *B,
-                                                   unsigned FirstLineno,
-                                                   BodySampleMap &BodySamples) {
-  // If we've computed B's weight before, return it.
+/// \returns The computed weight of BB.
+unsigned SampleProfileLoader::getBlockWeight(BasicBlock *BB) {
+  // If we've computed BB's weight before, return it.
   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
-      BlockWeights.insert(std::make_pair(B, 0));
+      BlockWeights.insert(std::make_pair(BB, 0));
   if (!Entry.second)
     return Entry.first->second;
 
-  // Otherwise, compute and cache B's weight.
-  uint32_t Weight = 0;
-  for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), E = B->end(); I != E; ++I) {
-    uint32_t InstWeight = getInstWeight(*I, FirstLineno, BodySamples);
+  // Otherwise, compute and cache BB's weight.
+  unsigned Weight = 0;
+  for (auto &I : BB->getInstList()) {
+    unsigned InstWeight = getInstWeight(I);
     if (InstWeight > Weight)
       Weight = InstWeight;
   }
@@ -439,54 +258,513 @@ uint32_t SampleFunctionProfile::computeBlockWeight(BasicBlock *B,
   return Weight;
 }
 
-/// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
+/// \brief Compute and store the weights of every basic block.
 ///
-/// For every branch instruction B in \p F, we compute the weight of the
-/// target block for each of the edges out of B. This is the weight
-/// that we associate with that branch.
+/// This populates the BlockWeights map by computing
+/// the weights of every basic block in the CFG.
 ///
-/// TODO - This weight assignment will most likely be wrong if the
-/// target branch has more than two predecessors. This needs to be done
-/// using some form of flow propagation.
+/// \param F The function to query.
+bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
+  bool Changed = false;
+  DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
+  for (auto &BB : F) {
+    unsigned Weight = getBlockWeight(&BB);
+    Changed |= (Weight > 0);
+    DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
+  }
+
+  return Changed;
+}
+
+/// \brief Find equivalence classes for the given block.
 ///
-/// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
-/// metadata on B using the computed values.
+/// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
+/// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
+/// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
+///
+/// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
+/// the following holds:
+///
+/// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
+///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
+///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
+///
+/// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
+///
+/// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
+/// equivalence class to \p BB1.
+///
+/// \param BB1  Block to check.
+/// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
+/// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
+///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
+///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
+void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
+    BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
+    DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
+  for (auto *BB2 : Descendants) {
+    bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
+    bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
+    if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
+        IsInSameLoop) {
+      EquivalenceClass[BB2] = BB1;
+
+      // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
+      // as BB1.
+      //
+      // Note that we don't worry about the opposite situation here
+      // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
+      // during the propagation phase. Right now, we just want to
+      // make sure that BB1 has the largest weight of all the
+      // members of its equivalence set.
+      unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
+      unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
+      BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
+    }
+  }
+}
+
+/// \brief Find equivalence classes.
+///
+/// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
+/// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
+/// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
+/// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
+/// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
 ///
 /// \param F The function to query.
-bool SampleFunctionProfile::emitAnnotations(Function &F) {
+void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
+  SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
+  DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
+  // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
+  for (auto &BB : F) {
+    BasicBlock *BB1 = &BB;
+
+    // Compute BB1's equivalence class once.
+    if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
+      DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
+      continue;
+    }
+
+    // By default, blocks are in their own equivalence class.
+    EquivalenceClass[BB1] = BB1;
+
+    // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
+    // every basic block BB2 such that:
+    //
+    // 1- BB1 dominates BB2.
+    // 2- BB2 post-dominates BB1.
+    // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
+    //
+    // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
+    // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
+    // class by making BB2's equivalence class be BB1.
+    DominatedBBs.clear();
+    DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
+    findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
+
+    // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
+    // We are looking for every basic block BB2 such that:
+    //
+    // 1- BB1 post-dominates BB2.
+    // 2- BB2 dominates BB1.
+    // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
+    //
+    // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
+    DominatedBBs.clear();
+    PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
+    findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
+
+    DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
+  }
+
+  // Assign weights to equivalence classes.
+  //
+  // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
+  // the same number of times. Since we know that the head block in
+  // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
+  // to all the blocks in that equivalence class.
+  DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
+  for (auto &BI : F) {
+    BasicBlock *BB = &BI;
+    BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
+    if (BB != EquivBB)
+      BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
+    DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
+  }
+}
+
+/// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
+///
+/// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
+/// and increment the count of unknown edges.
+///
+/// \param E  Edge to visit.
+/// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
+/// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
+///
+/// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
+unsigned SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
+                                        Edge *UnknownEdge) {
+  if (!VisitedEdges.count(E)) {
+    (*NumUnknownEdges)++;
+    *UnknownEdge = E;
+    return 0;
+  }
+
+  return EdgeWeights[E];
+}
+
+/// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
+///
+/// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
+/// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
+///
+/// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
+/// count of the basic block, if needed.
+///
+/// \param F  Function to process.
+///
+/// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
+bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
   bool Changed = false;
-  unsigned FirstLineno = inst_begin(F)->getDebugLoc().getLine();
-  MDBuilder MDB(F.getContext());
+  DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
+  for (auto &BI : F) {
+    BasicBlock *BB = &BI;
+
+    // Visit all the predecessor and successor edges to determine
+    // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
+    // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
+    // only case we are interested in handling is when only a single
+    // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
+    for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
+      unsigned TotalWeight = 0;
+      unsigned NumUnknownEdges = 0;
+      Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
+
+      if (i == 0) {
+        // First, visit all predecessor edges.
+        for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
+          Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
+          TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
+          if (E.first == E.second)
+            SelfReferentialEdge = E;
+        }
+      } else {
+        // On the second round, visit all successor edges.
+        for (auto *Succ : Successors[BB]) {
+          Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
+          TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
+        }
+      }
+
+      // After visiting all the edges, there are three cases that we
+      // can handle immediately:
+      //
+      // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
+      //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
+      //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
+      //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
+      //   we mark it visited.
+      //
+      // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
+      //   In this case, we can compute the weight of the edge by
+      //   subtracting the total block weight from all the known
+      //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
+      //   edge of the last remaining edge is set to zero.
+      //
+      // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
+      //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
+      //   We add up all the other known edges and set the weight on
+      //   the self-referential edge as we did in the previous case.
+      //
+      // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
+      // all edges will get a weight, or iteration will stop when
+      // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
+      if (NumUnknownEdges <= 1) {
+        unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
+        if (NumUnknownEdges == 0) {
+          // If we already know the weight of all edges, the weight of the
+          // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
+          // of all edge weights.
+          if (TotalWeight > BBWeight) {
+            BBWeight = TotalWeight;
+            Changed = true;
+            DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
+                         << " known. Set weight for block: ";
+                  printBlockWeight(dbgs(), BB););
+          }
+          if (VisitedBlocks.insert(BB))
+            Changed = true;
+        } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
+          // If there is a single unknown edge and the block has been
+          // visited, then we can compute E's weight.
+          if (BBWeight >= TotalWeight)
+            EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
+          else
+            EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
+          VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
+          Changed = true;
+          DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
+                printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
+        }
+      } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
+        unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
+        // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
+        if (BBWeight >= TotalWeight)
+          EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
+        else
+          EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
+        VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
+        Changed = true;
+        DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
+              printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
+      }
+    }
+  }
+
+  return Changed;
+}
+
+/// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
+///
+/// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
+/// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
+void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
+  for (auto &BI : F) {
+    BasicBlock *B1 = &BI;
+
+    // Add predecessors for B1.
+    SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
+    if (!Predecessors[B1].empty())
+      llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
+    for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
+      BasicBlock *B2 = *PI;
+      if (Visited.insert(B2))
+        Predecessors[B1].push_back(B2);
+    }
+
+    // Add successors for B1.
+    Visited.clear();
+    if (!Successors[B1].empty())
+      llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
+    for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
+      BasicBlock *B2 = *SI;
+      if (Visited.insert(B2))
+        Successors[B1].push_back(B2);
+    }
+  }
+}
 
-  // Clear the block weights cache.
-  BlockWeights.clear();
+/// \brief Propagate weights into edges
+///
+/// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
+///
+/// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
+///   of that edge is the weight of the block.
+///
+/// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
+///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
+///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
+///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
+///   we set the unknown edge weight to zero.
+///
+/// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
+///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
+///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
+///   known).
+void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
+  bool Changed = true;
+  unsigned i = 0;
+
+  // Before propagation starts, build, for each block, a list of
+  // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
+  // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
+  // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
+  // of the pass.
+  buildEdges(F);
+
+  // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
+  while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
+    Changed = propagateThroughEdges(F);
+  }
 
-  // When we find a branch instruction: For each edge E out of the branch,
-  // the weight of E is the weight of the target block.
-  for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
-    BasicBlock *B = I;
-    TerminatorInst *TI = B->getTerminator();
+  // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
+  // edge weights computed during propagation.
+  DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
+  MDBuilder MDB(F.getContext());
+  for (auto &BI : F) {
+    BasicBlock *BB = &BI;
+    TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
       continue;
     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
       continue;
 
-    SmallVector<uint32_t, 4> Weights;
-    unsigned NSuccs = TI->getNumSuccessors();
-    for (unsigned I = 0; I < NSuccs; ++I) {
+    DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
+                 << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
+    SmallVector<unsigned, 4> Weights;
+    bool AllWeightsZero = true;
+    for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
-      uint32_t Weight = computeBlockWeight(Succ, FirstLineno, BodySamples);
+      Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
+      unsigned Weight = EdgeWeights[E];
+      DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
       Weights.push_back(Weight);
+      if (Weight != 0)
+        AllWeightsZero = false;
     }
 
-    TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
-                    MDB.createBranchWeights(Weights));
-    Changed = true;
+    // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
+    // In any other case, let the analyzer set weights.
+    if (!AllWeightsZero) {
+      DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
+      TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
+                      MDB.createBranchWeights(Weights));
+    } else {
+      DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
+    }
+  }
+}
+
+/// \brief Get the line number for the function header.
+///
+/// This looks up function \p F in the current compilation unit and
+/// retrieves the line number where the function is defined. This is
+/// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
+/// number is relative to this line.
+///
+/// \param F  Function object to query.
+///
+/// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
+///          it means that there is no debug information available for \p F.
+unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
+  DISubprogram S = getDISubprogram(&F);
+  if (S.isSubprogram())
+    return S.getLineNumber();
+
+  // If could not find the start of \p F, emit a diagnostic to inform the user
+  // about the missed opportunity.
+  F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
+      "No debug information found in function " + F.getName() +
+          ": Function profile not used",
+      DS_Warning));
+  return 0;
+}
+
+/// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
+///
+/// Branch weights are computed out of instruction samples using a
+/// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
+///
+/// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
+///    are initial assigned the same weight as their most frequently
+///    executed instruction.
+///
+/// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
+///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
+///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
+///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
+///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
+///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
+///
+/// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
+///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
+///    block BB in the CFG:
+///
+///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
+///      of that edge is the weight of the block.
+///
+///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
+///      block is already known, the weight of the unknown edge will
+///      be the weight of the block minus the sum of all the known
+///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
+///      we set the unknown edge weight to zero.
+///
+///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
+///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
+///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
+///      known).
+///
+/// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
+/// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
+/// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
+///
+/// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
+/// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
+/// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
+/// work here.
+///
+/// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
+/// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
+///
+/// \param F The function to query.
+///
+/// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
+bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
+  bool Changed = false;
+
+  // Initialize invariants used during computation and propagation.
+  HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
+  if (HeaderLineno == 0)
+    return false;
+
+  DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
+               << ": " << HeaderLineno << "\n");
+
+  // Compute basic block weights.
+  Changed |= computeBlockWeights(F);
+
+  if (Changed) {
+    // Find equivalence classes.
+    findEquivalenceClasses(F);
+
+    // Propagate weights to all edges.
+    propagateWeights(F);
   }
 
   return Changed;
 }
 
+char SampleProfileLoader::ID = 0;
+INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
+                      "Sample Profile loader", false, false)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
+INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
+                    "Sample Profile loader", false, false)
+
+bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
+  if (std::error_code EC =
+          SampleProfileReader::create(Filename, Reader, M.getContext())) {
+    std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
+    M.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
+    return false;
+  }
+  ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
+  return true;
+}
+
+FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
+  return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
+}
+
+FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
+  return new SampleProfileLoader(Name);
+}
+
 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
-  return Profiler->getProfile(F).emitAnnotations(F);
+  if (!ProfileIsValid)
+    return false;
+
+  DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
+  PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
+  LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
+  Ctx = &F.getParent()->getContext();
+  Samples = Reader->getSamplesFor(F);
+  if (!Samples->empty())
+    return emitAnnotations(F);
+  return false;
 }