lib/CodeGen/MachineLICM.cpp

   1 //===-- MachineLICM.cpp - Machine Loop Invariant Code Motion Pass ---------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This pass performs loop invariant code motion on machine instructions. We
  11 // attempt to remove as much code from the body of a loop as possible.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #define DEBUG_TYPE "machine-licm"
  16 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  17 #include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
  18 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  20 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  21 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  22 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  23 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  24 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  25 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  26 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28
  29 using namespace llvm;
  30
  31 STATISTIC(NumHoisted, "Number of machine instructions hoisted out of loops");
  32
  33 namespace {
  34   class VISIBILITY_HIDDEN MachineLICM : public MachineFunctionPass {
  35     const TargetMachine   *TM;
  36     const TargetInstrInfo *TII;
  37     MachineFunction       *CurMF;  // Current MachineFunction
  38
  39     // Various analyses that we use...
  40     MachineLoopInfo      *LI;      // Current MachineLoopInfo
  41     MachineDominatorTree *DT;      // Machine dominator tree for the cur loop
  42     MachineRegisterInfo  *RegInfo; // Machine register information
  43
  44     // State that is updated as we process loops
  45     bool         Changed;          // True if a loop is changed.
  46     MachineLoop *CurLoop;          // The current loop we are working on.
  47   public:
  48     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  49     MachineLICM() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
  50
  51     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
  52
  53     // FIXME: Loop preheaders?
  54     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  55       AU.setPreservesCFG();
  56       AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
  57       AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
  58       AU.addPreserved<MachineLoopInfo>();
  59       AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
  60       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
  61     }
  62   private:
  63     /// VisitAllLoops - Visit all of the loops in depth first order and try to
  64     /// hoist invariant instructions from them.
  65     ///
  66     void VisitAllLoops(MachineLoop *L) {
  67       const std::vector<MachineLoop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
  68
  69       for (MachineLoop::iterator
  70              I = SubLoops.begin(), E = SubLoops.end(); I != E; ++I) {
  71         MachineLoop *ML = *I;
  72
  73         // Traverse the body of the loop in depth first order on the dominator
  74         // tree so that we are guaranteed to see definitions before we see uses.
  75         VisitAllLoops(ML);
  76         HoistRegion(DT->getNode(ML->getHeader()));
  77       }
  78
  79       HoistRegion(DT->getNode(L->getHeader()));
  80     }
  81
  82     /// IsInSubLoop - A little predicate that returns true if the specified
  83     /// basic block is in a subloop of the current one, not the current one
  84     /// itself.
  85     ///
  86     bool IsInSubLoop(MachineBasicBlock *BB) {
  87       assert(CurLoop->contains(BB) && "Only valid if BB is IN the loop");
  88       return LI->getLoopFor(BB) != CurLoop;
  89     }
  90
  91     /// IsLoopInvariantInst - Returns true if the instruction is loop
  92     /// invariant. I.e., all virtual register operands are defined outside of
  93     /// the loop, physical registers aren't accessed (explicitly or implicitly),
  94     /// and the instruction is hoistable.
  95     ///
  96     bool IsLoopInvariantInst(MachineInstr &I);
  97
  98     /// FindPredecessors - Get all of the predecessors of the loop that are not
  99     /// back-edges.
 100     ///
 101     void FindPredecessors(std::vector<MachineBasicBlock*> &Preds) {
 102       const MachineBasicBlock *Header = CurLoop->getHeader();
 103
 104       for (MachineBasicBlock::const_pred_iterator
 105              I = Header->pred_begin(), E = Header->pred_end(); I != E; ++I)
 106         if (!CurLoop->contains(*I))
 107           Preds.push_back(*I);
 108     }
 109
 110     /// MoveInstToEndOfBlock - Moves the machine instruction to the bottom of
 111     /// the predecessor basic block (but before the terminator instructions).
 112     ///
 113     void MoveInstToEndOfBlock(MachineBasicBlock *ToMBB,
 114                               MachineBasicBlock *FromMBB,
 115                               MachineInstr *MI) {
 116       DEBUG({
 117           DOUT << "Hoisting " << *MI;
 118           if (ToMBB->getBasicBlock())
 119             DOUT << " to MachineBasicBlock "
 120                  << ToMBB->getBasicBlock()->getName();
 121           if (FromMBB->getBasicBlock())
 122             DOUT << " from MachineBasicBlock "
 123                  << FromMBB->getBasicBlock()->getName();
 124           DOUT << "\n";
 125         });
 126
 127       MachineBasicBlock::iterator WhereIter = ToMBB->getFirstTerminator();
 128       MachineBasicBlock::iterator To, From = FromMBB->begin();
 129
 130       while (&*From != MI)
 131         ++From;
 132
 133       assert(From != FromMBB->end() && "Didn't find instr in BB!");
 134
 135       To = From;
 136       ToMBB->splice(WhereIter, FromMBB, From, ++To);
 137       ++NumHoisted;
 138     }
 139
 140     /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all
 141     /// blocks dominated by the specified block, and that are in the current
 142     /// loop) in depth first order w.r.t the DominatorTree. This allows us to
 143     /// visit definitions before uses, allowing us to hoist a loop body in one
 144     /// pass without iteration.
 145     ///
 146     void HoistRegion(MachineDomTreeNode *N);
 147
 148     /// Hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
 149     /// that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
 150     ///
 151     void Hoist(MachineInstr &MI);
 152   };
 153
 154   char MachineLICM::ID = 0;
 155   RegisterPass<MachineLICM> X("machine-licm",
 156                               "Machine Loop Invariant Code Motion");
 157 } // end anonymous namespace
 158
 159 FunctionPass *llvm::createMachineLICMPass() { return new MachineLICM(); }
 160
 161 /// Hoist expressions out of the specified loop. Note, alias info for inner loop
 162 /// is not preserved so it is not a good idea to run LICM multiple times on one
 163 /// loop.
 164 ///
 165 bool MachineLICM::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 166   DOUT << "******** Machine LICM ********\n";
 167
 168   Changed = false;
 169   CurMF = &MF;
 170   TM = &CurMF->getTarget();
 171   TII = TM->getInstrInfo();
 172   RegInfo = &CurMF->getRegInfo();
 173
 174   // Get our Loop information...
 175   LI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
 176   DT = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
 177
 178   for (MachineLoopInfo::iterator
 179          I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I) {
 180     CurLoop = *I;
 181
 182     // Visit all of the instructions of the loop. We want to visit the subloops
 183     // first, though, so that we can hoist their invariants first into their
 184     // containing loop before we process that loop.
 185     VisitAllLoops(CurLoop);
 186   }
 187
 188   return Changed;
 189 }
 190
 191 /// HoistRegion - Walk the specified region of the CFG (defined by all blocks
 192 /// dominated by the specified block, and that are in the current loop) in depth
 193 /// first order w.r.t the DominatorTree. This allows us to visit definitions
 194 /// before uses, allowing us to hoist a loop body in one pass without iteration.
 195 ///
 196 void MachineLICM::HoistRegion(MachineDomTreeNode *N) {
 197   assert(N != 0 && "Null dominator tree node?");
 198   MachineBasicBlock *BB = N->getBlock();
 199
 200   // If this subregion is not in the top level loop at all, exit.
 201   if (!CurLoop->contains(BB)) return;
 202
 203   // Only need to process the contents of this block if it is not part of a
 204   // subloop (which would already have been processed).
 205   if (!IsInSubLoop(BB))
 206     for (MachineBasicBlock::iterator
 207            I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
 208       MachineInstr &MI = *I++;
 209
 210       // Try hoisting the instruction out of the loop. We can only do this if
 211       // all of the operands of the instruction are loop invariant and if it is
 212       // safe to hoist the instruction.
 213       Hoist(MI);
 214     }
 215
 216   const std::vector<MachineDomTreeNode*> &Children = N->getChildren();
 217
 218   for (unsigned I = 0, E = Children.size(); I != E; ++I)
 219     HoistRegion(Children[I]);
 220 }
 221
 222 /// IsLoopInvariantInst - Returns true if the instruction is loop
 223 /// invariant. I.e., all virtual register operands are defined outside of the
 224 /// loop, physical registers aren't accessed explicitly, and there are no side
 225 /// effects that aren't captured by the operands or other flags.
 226 ///
 227 bool MachineLICM::IsLoopInvariantInst(MachineInstr &I) {
 228   const TargetInstrDesc &TID = I.getDesc();
 229
 230   // Ignore stuff that we obviously can't hoist.
 231   if (TID.mayStore() || TID.isCall() || TID.isReturn() || TID.isBranch() ||
 232       TID.hasUnmodeledSideEffects())
 233     return false;
 234
 235   if (TID.mayLoad()) {
 236     // Okay, this instruction does a load. As a refinement, we allow the target
 237     // to decide whether the loaded value is actually a constant. If so, we can
 238     // actually use it as a load.
 239     if (!TII->isInvariantLoad(&I))
 240       // FIXME: we should be able to sink loads with no other side effects if
 241       // there is nothing that can change memory from here until the end of
 242       // block. This is a trivial form of alias analysis.
 243       return false;
 244   }
 245
 246   DEBUG({
 247       DOUT << "--- Checking if we can hoist " << I;
 248       if (I.getDesc().getImplicitUses()) {
 249         DOUT << "  * Instruction has implicit uses:\n";
 250
 251         const TargetRegisterInfo *TRI = TM->getRegisterInfo();
 252         for (const unsigned *ImpUses = I.getDesc().getImplicitUses();
 253              *ImpUses; ++ImpUses)
 254           DOUT << "      -> " << TRI->getName(*ImpUses) << "\n";
 255       }
 256
 257       if (I.getDesc().getImplicitDefs()) {
 258         DOUT << "  * Instruction has implicit defines:\n";
 259
 260         const TargetRegisterInfo *TRI = TM->getRegisterInfo();
 261         for (const unsigned *ImpDefs = I.getDesc().getImplicitDefs();
 262              *ImpDefs; ++ImpDefs)
 263           DOUT << "      -> " << TRI->getName(*ImpDefs) << "\n";
 264       }
 265     });
 266
 267   // The instruction is loop invariant if all of its operands are.
 268   for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i) {
 269     const MachineOperand &MO = I.getOperand(i);
 270
 271     if (!MO.isRegister() || !MO.isUse())
 272       continue;
 273
 274     unsigned Reg = MO.getReg();
 275     if (Reg == 0) continue;
 276
 277     // Don't hoist instructions that access physical registers.
 278     if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Reg))
 279       return false;
 280
 281     assert(RegInfo->getVRegDef(Reg) &&
 282            "Machine instr not mapped for this vreg?!");
 283
 284     // If the loop contains the definition of an operand, then the instruction
 285     // isn't loop invariant.
 286     if (CurLoop->contains(RegInfo->getVRegDef(Reg)->getParent()))
 287       return false;
 288   }
 289
 290   // If we got this far, the instruction is loop invariant!
 291   return true;
 292 }
 293
 294 /// Hoist - When an instruction is found to use only loop invariant operands
 295 /// that are safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
 296 ///
 297 void MachineLICM::Hoist(MachineInstr &MI) {
 298   if (!IsLoopInvariantInst(MI)) return;
 299
 300   std::vector<MachineBasicBlock*> Preds;
 301
 302   // Non-back-edge predecessors.
 303   FindPredecessors(Preds);
 304
 305   // Either we don't have any predecessors(?!) or we have more than one, which
 306   // is forbidden.
 307   if (Preds.empty() || Preds.size() != 1) return;
 308
 309   // Check that the predecessor is qualified to take the hoisted
 310   // instruction. I.e., there is only one edge from the predecessor, and it's to
 311   // the loop header.
 312   MachineBasicBlock *MBB = Preds.front();
 313
 314   // FIXME: We are assuming at first that the basic block coming into this loop
 315   // has only one successor. This isn't the case in general because we haven't
 316   // broken critical edges or added preheaders.
 317   if (MBB->succ_size() != 1) return;
 318   assert(*MBB->succ_begin() == CurLoop->getHeader() &&
 319          "The predecessor doesn't feed directly into the loop header!");
 320
 321   // Now move the instructions to the predecessor.
 322   MoveInstToEndOfBlock(MBB, MI.getParent(), &MI);
 323   Changed = true;
 324 }