a81b674fba54f93eed06c6393f758879c0237e68
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / LoopInfo.h
1 //===- llvm/Analysis/LoopInfo.h - Natural Loop Calculator -------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file defines the LoopInfo class that is used to identify natural loops
11 // and determine the loop depth of various nodes of the CFG.  Note that natural
12 // loops may actually be several loops that share the same header node.
13 //
14 // This analysis calculates the nesting structure of loops in a function.  For
15 // each natural loop identified, this analysis identifies natural loops
16 // contained entirely within the loop and the basic blocks the make up the loop.
17 //
18 // It can calculate on the fly various bits of information, for example:
19 //
20 //  * whether there is a preheader for the loop
21 //  * the number of back edges to the header
22 //  * whether or not a particular block branches out of the loop
23 //  * the successor blocks of the loop
24 //  * the loop depth
25 //  * the trip count
26 //  * etc...
27 //
28 //===----------------------------------------------------------------------===//
29
30 #ifndef LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
31 #define LLVM_ANALYSIS_LOOP_INFO_H
32
33 #include "llvm/Pass.h"
34 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
35
36 namespace llvm {
37
38 struct ETForest;
39 class LoopInfo;
40 class PHINode;
41 class Instruction;
42
43 //===----------------------------------------------------------------------===//
44 /// Loop class - Instances of this class are used to represent loops that are
45 /// detected in the flow graph
46 ///
47 class Loop {
48   Loop *ParentLoop;
49   std::vector<Loop*> SubLoops;       // Loops contained entirely within this one
50   std::vector<BasicBlock*> Blocks;   // First entry is the header node
51
52   Loop(const Loop &);                  // DO NOT IMPLEMENT
53   const Loop &operator=(const Loop &); // DO NOT IMPLEMENT
54 public:
55   /// Loop ctor - This creates an empty loop.
56   Loop() : ParentLoop(0) {}
57   ~Loop() {
58     for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
59       delete SubLoops[i];
60   }
61
62   unsigned getLoopDepth() const {
63     unsigned D = 0;
64     for (const Loop *CurLoop = this; CurLoop; CurLoop = CurLoop->ParentLoop)
65       ++D;
66     return D;
67   }
68   BasicBlock *getHeader() const { return Blocks.front(); }
69   Loop *getParentLoop() const { return ParentLoop; }
70
71   /// contains - Return true of the specified basic block is in this loop
72   ///
73   bool contains(const BasicBlock *BB) const;
74
75   /// iterator/begin/end - Return the loops contained entirely within this loop.
76   ///
77   const std::vector<Loop*> &getSubLoops() const { return SubLoops; }
78   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator iterator;
79   iterator begin() const { return SubLoops.begin(); }
80   iterator end() const { return SubLoops.end(); }
81
82   /// getBlocks - Get a list of the basic blocks which make up this loop.
83   ///
84   const std::vector<BasicBlock*> &getBlocks() const { return Blocks; }
85   typedef std::vector<BasicBlock*>::const_iterator block_iterator;
86   block_iterator block_begin() const { return Blocks.begin(); }
87   block_iterator block_end() const { return Blocks.end(); }
88
89   /// isLoopExit - True if terminator in the block can branch to another block
90   /// that is outside of the current loop.
91   ///
92   bool isLoopExit(const BasicBlock *BB) const;
93
94   /// getNumBackEdges - Calculate the number of back edges to the loop header
95   ///
96   unsigned getNumBackEdges() const;
97
98   /// isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
99   ///
100   bool isLoopInvariant(Value *V) const;
101
102   //===--------------------------------------------------------------------===//
103   // APIs for simple analysis of the loop.
104   //
105   // Note that all of these methods can fail on general loops (ie, there may not
106   // be a preheader, etc).  For best success, the loop simplification and
107   // induction variable canonicalization pass should be used to normalize loops
108   // for easy analysis.  These methods assume canonical loops.
109
110   /// getExitBlocks - Return all of the successor blocks of this loop.  These
111   /// are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
112   ///
113   void getExitBlocks(std::vector<BasicBlock*> &Blocks) const;
114
115   /// getUniqueExitBlocks - Return all unique successor blocks of this loop. 
116   /// These are the blocks _outside of the current loop_ which are branched to.
117   /// This assumes that loop is in canonical form.
118   ///
119   void getUniqueExitBlocks(std::vector<BasicBlock*> &ExitBlocks) const;
120
121   /// getLoopPreheader - If there is a preheader for this loop, return it.  A
122   /// loop has a preheader if there is only one edge to the header of the loop
123   /// from outside of the loop.  If this is the case, the block branching to the
124   /// header of the loop is the preheader node.
125   ///
126   /// This method returns null if there is no preheader for the loop.
127   ///
128   BasicBlock *getLoopPreheader() const;
129
130   /// getLoopLatch - If there is a latch block for this loop, return it.  A
131   /// latch block is the canonical backedge for a loop.  A loop header in normal
132   /// form has two edges into it: one from a preheader and one from a latch
133   /// block.
134   BasicBlock *getLoopLatch() const;
135   
136   /// getCanonicalInductionVariable - Check to see if the loop has a canonical
137   /// induction variable: an integer recurrence that starts at 0 and increments
138   /// by one each time through the loop.  If so, return the phi node that
139   /// corresponds to it.
140   ///
141   PHINode *getCanonicalInductionVariable() const;
142
143   /// getCanonicalInductionVariableIncrement - Return the LLVM value that holds
144   /// the canonical induction variable value for the "next" iteration of the
145   /// loop.  This always succeeds if getCanonicalInductionVariable succeeds.
146   ///
147   Instruction *getCanonicalInductionVariableIncrement() const;
148
149   /// getTripCount - Return a loop-invariant LLVM value indicating the number of
150   /// times the loop will be executed.  Note that this means that the backedge
151   /// of the loop executes N-1 times.  If the trip-count cannot be determined,
152   /// this returns null.
153   ///
154   Value *getTripCount() const;
155   
156   /// isLCSSAForm - Return true if the Loop is in LCSSA form
157   bool isLCSSAForm() const;
158
159   //===--------------------------------------------------------------------===//
160   // APIs for updating loop information after changing the CFG
161   //
162
163   /// addBasicBlockToLoop - This method is used by other analyses to update loop
164   /// information.  NewBB is set to be a new member of the current loop.
165   /// Because of this, it is added as a member of all parent loops, and is added
166   /// to the specified LoopInfo object as being in the current basic block.  It
167   /// is not valid to replace the loop header with this method.
168   ///
169   void addBasicBlockToLoop(BasicBlock *NewBB, LoopInfo &LI);
170
171   /// replaceChildLoopWith - This is used when splitting loops up.  It replaces
172   /// the OldChild entry in our children list with NewChild, and updates the
173   /// parent pointer of OldChild to be null and the NewChild to be this loop.
174   /// This updates the loop depth of the new child.
175   void replaceChildLoopWith(Loop *OldChild, Loop *NewChild);
176
177   /// addChildLoop - Add the specified loop to be a child of this loop.  This
178   /// updates the loop depth of the new child.
179   ///
180   void addChildLoop(Loop *NewChild);
181
182   /// removeChildLoop - This removes the specified child from being a subloop of
183   /// this loop.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted
184   /// into another loop.
185   Loop *removeChildLoop(iterator OldChild);
186
187   /// addBlockEntry - This adds a basic block directly to the basic block list.
188   /// This should only be used by transformations that create new loops.  Other
189   /// transformations should use addBasicBlockToLoop.
190   void addBlockEntry(BasicBlock *BB) {
191     Blocks.push_back(BB);
192   }
193
194   /// moveToHeader - This method is used to move BB (which must be part of this
195   /// loop) to be the loop header of the loop (the block that dominates all
196   /// others).
197   void moveToHeader(BasicBlock *BB) {
198     if (Blocks[0] == BB) return;
199     for (unsigned i = 0; ; ++i) {
200       assert(i != Blocks.size() && "Loop does not contain BB!");
201       if (Blocks[i] == BB) {
202         Blocks[i] = Blocks[0];
203         Blocks[0] = BB;
204         return;
205       }
206     }
207   }
208
209   /// removeBlockFromLoop - This removes the specified basic block from the
210   /// current loop, updating the Blocks as appropriate.  This does not update
211   /// the mapping in the LoopInfo class.
212   void removeBlockFromLoop(BasicBlock *BB);
213
214   void print(std::ostream &O, unsigned Depth = 0) const;
215   void dump() const;
216 private:
217   friend class LoopInfo;
218   Loop(BasicBlock *BB) : ParentLoop(0) {
219     Blocks.push_back(BB);
220   }
221 };
222
223
224
225 //===----------------------------------------------------------------------===//
226 /// LoopInfo - This class builds and contains all of the top level loop
227 /// structures in the specified function.
228 ///
229 class LoopInfo : public FunctionPass {
230   // BBMap - Mapping of basic blocks to the inner most loop they occur in
231   std::map<BasicBlock*, Loop*> BBMap;
232   std::vector<Loop*> TopLevelLoops;
233   friend class Loop;
234 public:
235   ~LoopInfo() { releaseMemory(); }
236
237   /// iterator/begin/end - The interface to the top-level loops in the current
238   /// function.
239   ///
240   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator iterator;
241   iterator begin() const { return TopLevelLoops.begin(); }
242   iterator end() const { return TopLevelLoops.end(); }
243
244   /// getLoopFor - Return the inner most loop that BB lives in.  If a basic
245   /// block is in no loop (for example the entry node), null is returned.
246   ///
247   Loop *getLoopFor(const BasicBlock *BB) const {
248     std::map<BasicBlock *, Loop*>::const_iterator I=
249       BBMap.find(const_cast<BasicBlock*>(BB));
250     return I != BBMap.end() ? I->second : 0;
251   }
252
253   /// operator[] - same as getLoopFor...
254   ///
255   const Loop *operator[](const BasicBlock *BB) const {
256     return getLoopFor(BB);
257   }
258
259   /// getLoopDepth - Return the loop nesting level of the specified block...
260   ///
261   unsigned getLoopDepth(const BasicBlock *BB) const {
262     const Loop *L = getLoopFor(BB);
263     return L ? L->getLoopDepth() : 0;
264   }
265
266   // isLoopHeader - True if the block is a loop header node
267   bool isLoopHeader(BasicBlock *BB) const {
268     const Loop *L = getLoopFor(BB);
269     return L && L->getHeader() == BB;
270   }
271
272   /// runOnFunction - Calculate the natural loop information.
273   ///
274   virtual bool runOnFunction(Function &F);
275
276   virtual void releaseMemory();
277   void print(std::ostream &O, const Module* = 0) const;
278
279   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
280
281   /// removeLoop - This removes the specified top-level loop from this loop info
282   /// object.  The loop is not deleted, as it will presumably be inserted into
283   /// another loop.
284   Loop *removeLoop(iterator I);
285
286   /// changeLoopFor - Change the top-level loop that contains BB to the
287   /// specified loop.  This should be used by transformations that restructure
288   /// the loop hierarchy tree.
289   void changeLoopFor(BasicBlock *BB, Loop *L);
290
291   /// changeTopLevelLoop - Replace the specified loop in the top-level loops
292   /// list with the indicated loop.
293   void changeTopLevelLoop(Loop *OldLoop, Loop *NewLoop);
294
295   /// addTopLevelLoop - This adds the specified loop to the collection of
296   /// top-level loops.
297   void addTopLevelLoop(Loop *New) {
298     assert(New->getParentLoop() == 0 && "Loop already in subloop!");
299     TopLevelLoops.push_back(New);
300   }
301
302   /// removeBlock - This method completely removes BB from all data structures,
303   /// including all of the Loop objects it is nested in and our mapping from
304   /// BasicBlocks to loops.
305   void removeBlock(BasicBlock *BB);
306
307 private:
308   void Calculate(ETForest &EF);
309   Loop *ConsiderForLoop(BasicBlock *BB, ETForest &EF);
310   void MoveSiblingLoopInto(Loop *NewChild, Loop *NewParent);
311   void InsertLoopInto(Loop *L, Loop *Parent);
312 };
313
314
315 // Allow clients to walk the list of nested loops...
316 template <> struct GraphTraits<const Loop*> {
317   typedef const Loop NodeType;
318   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator ChildIteratorType;
319
320   static NodeType *getEntryNode(const Loop *L) { return L; }
321   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
322     return N->begin();
323   }
324   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
325     return N->end();
326   }
327 };
328
329 template <> struct GraphTraits<Loop*> {
330   typedef Loop NodeType;
331   typedef std::vector<Loop*>::const_iterator ChildIteratorType;
332
333   static NodeType *getEntryNode(Loop *L) { return L; }
334   static inline ChildIteratorType child_begin(NodeType *N) {
335     return N->begin();
336   }
337   static inline ChildIteratorType child_end(NodeType *N) {
338     return N->end();
339   }
340 };
341
342 } // End llvm namespace
343
344 // Make sure that any clients of this file link in LoopInfo.cpp
345 FORCE_DEFINING_FILE_TO_BE_LINKED(LoopInfo)
346
347 #endif