70c82cc3a594b5453e2034c3a72a6b77e451f675
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / IPO / SampleProfile.cpp
1 //===- SampleProfile.cpp - Incorporate sample profiles into the IR --------===//
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 file implements the SampleProfileLoader transformation. This pass
11 // reads a profile file generated by a sampling profiler (e.g. Linux Perf -
12 // http://perf.wiki.kernel.org/) and generates IR metadata to reflect the
13 // profile information in the given profile.
14 //
15 // This pass generates branch weight annotations on the IR:
16 //
17 // - prof: Represents branch weights. This annotation is added to branches
18 //      to indicate the weights of each edge coming out of the branch.
19 //      The weight of each edge is the weight of the target block for
20 //      that edge. The weight of a block B is computed as the maximum
21 //      number of samples found in B.
22 //
23 //===----------------------------------------------------------------------===//
24
25 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
26 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
27 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
28 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
29 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
30 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
31 #include "llvm/IR/Constants.h"
32 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
33 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
34 #include "llvm/IR/Dominators.h"
35 #include "llvm/IR/Function.h"
36 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
37 #include "llvm/IR/Instructions.h"
38 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
39 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
40 #include "llvm/IR/Metadata.h"
41 #include "llvm/IR/Module.h"
42 #include "llvm/Pass.h"
43 #include "llvm/ProfileData/SampleProfReader.h"
44 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
45 #include "llvm/Support/Debug.h"
46 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
47 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
48 #include <cctype>
49
50 using namespace llvm;
51 using namespace sampleprof;
52
53 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
54
55 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
56 // mainly used for debugging.
57 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
58     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
59     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
60 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
61     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
62     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
63              "sample block/edge weights through the CFG."));
64
65 namespace {
66 typedef DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
67 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
68 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
69 typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
70 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8>> BlockEdgeMap;
71
72 /// \brief Sample profile pass.
73 ///
74 /// This pass reads profile data from the file specified by
75 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
76 /// profile information found in that file.
77 class SampleProfileLoader : public ModulePass {
78 public:
79   // Class identification, replacement for typeinfo
80   static char ID;
81
82   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
83       : ModulePass(ID), DT(nullptr), PDT(nullptr), LI(nullptr), Reader(),
84         Samples(nullptr), Filename(Name), ProfileIsValid(false) {
85     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
86   }
87
88   bool doInitialization(Module &M) override;
89
90   void dump() { Reader->dump(); }
91
92   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
93
94   bool runOnModule(Module &M) override;
95
96   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
97     AU.setPreservesCFG();
98   }
99
100 protected:
101   bool runOnFunction(Function &F);
102   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
103   bool emitAnnotations(Function &F);
104   unsigned getInstWeight(Instruction &I);
105   unsigned getBlockWeight(BasicBlock *BB);
106   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
107   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
108   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
109   bool computeBlockWeights(Function &F);
110   void findEquivalenceClasses(Function &F);
111   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
112                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
113                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
114   void propagateWeights(Function &F);
115   unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
116   void buildEdges(Function &F);
117   bool propagateThroughEdges(Function &F);
118   void computeDominanceAndLoopInfo(Function &F);
119
120   /// \brief Line number for the function header. Used to compute absolute
121   /// line numbers from the relative line numbers found in the profile.
122   unsigned HeaderLineno;
123
124   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
125   ///
126   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
127   /// of all the instruction weights in that block.
128   BlockWeightMap BlockWeights;
129
130   /// \brief Map edges to their computed weights.
131   ///
132   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
133   /// SampleProfile::propagateWeights.
134   EdgeWeightMap EdgeWeights;
135
136   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
137   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
138
139   /// \brief Set of visited edges during propagation.
140   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
141
142   /// \brief Equivalence classes for block weights.
143   ///
144   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
145   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
146   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
147   /// the same number of times.
148   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
149
150   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
151   std::unique_ptr<DominatorTree> DT;
152   std::unique_ptr<DominatorTreeBase<BasicBlock>> PDT;
153   std::unique_ptr<LoopInfo> LI;
154
155   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
156   BlockEdgeMap Predecessors;
157
158   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
159   BlockEdgeMap Successors;
160
161   /// \brief Profile reader object.
162   std::unique_ptr<SampleProfileReader> Reader;
163
164   /// \brief Samples collected for the body of this function.
165   FunctionSamples *Samples;
166
167   /// \brief Name of the profile file to load.
168   StringRef Filename;
169
170   /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded successfully.
171   bool ProfileIsValid;
172 };
173 }
174
175 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
176 ///
177 /// \param OS  Stream to emit the output to.
178 /// \param E  Edge to print.
179 void SampleProfileLoader::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
180   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
181      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
182 }
183
184 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
185 ///
186 /// \param OS  Stream to emit the output to.
187 /// \param BB  Block to print.
188 void SampleProfileLoader::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
189                                                 BasicBlock *BB) {
190   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
191   OS << "equivalence[" << BB->getName()
192      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
193 }
194
195 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
196 ///
197 /// \param OS  Stream to emit the output to.
198 /// \param BB  Block to print.
199 void SampleProfileLoader::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
200   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
201 }
202
203 /// \brief Get the weight for an instruction.
204 ///
205 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
206 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
207 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
208 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
209 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
210 ///
211 /// \param Inst Instruction to query.
212 ///
213 /// \returns The profiled weight of I.
214 unsigned SampleProfileLoader::getInstWeight(Instruction &Inst) {
215   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
216   if (!DLoc)
217     return 0;
218
219   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
220   if (Lineno < HeaderLineno)
221     return 0;
222
223   const DILocation *DIL = DLoc;
224   int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
225   unsigned Discriminator = DIL->getDiscriminator();
226   unsigned Weight = Samples->samplesAt(LOffset, Discriminator);
227   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
228                << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
229                << " - weight: " << Weight << ")\n");
230   return Weight;
231 }
232
233 /// \brief Compute the weight of a basic block.
234 ///
235 /// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
236 /// instructions in BB. The weight of \p BB is computed and cached in
237 /// the BlockWeights map.
238 ///
239 /// \param BB The basic block to query.
240 ///
241 /// \returns The computed weight of BB.
242 unsigned SampleProfileLoader::getBlockWeight(BasicBlock *BB) {
243   // If we've computed BB's weight before, return it.
244   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
245       BlockWeights.insert(std::make_pair(BB, 0));
246   if (!Entry.second)
247     return Entry.first->second;
248
249   // Otherwise, compute and cache BB's weight.
250   unsigned Weight = 0;
251   for (auto &I : BB->getInstList()) {
252     unsigned InstWeight = getInstWeight(I);
253     if (InstWeight > Weight)
254       Weight = InstWeight;
255   }
256   if (Weight > 0)
257     VisitedBlocks.insert(BB);
258   Entry.first->second = Weight;
259   return Weight;
260 }
261
262 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
263 ///
264 /// This populates the BlockWeights map by computing
265 /// the weights of every basic block in the CFG.
266 ///
267 /// \param F The function to query.
268 bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
269   bool Changed = false;
270   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
271   for (auto &BB : F) {
272     unsigned Weight = getBlockWeight(&BB);
273     Changed |= (Weight > 0);
274     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
275   }
276
277   return Changed;
278 }
279
280 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
281 ///
282 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
283 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the
284 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
285 ///
286 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
287 /// the following holds:
288 ///
289 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
290 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
291 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
292 ///
293 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
294 ///
295 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
296 /// equivalence class to \p BB1.
297 ///
298 /// \param BB1  Block to check.
299 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
300 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
301 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
302 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
303 void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
304     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
305     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
306   for (auto *BB2 : Descendants) {
307     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
308     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
309     if (BB1 != BB2 && IsDomParent && IsInSameLoop) {
310       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
311
312       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
313       // as BB1.
314       //
315       // Note that we don't worry about the opposite situation here
316       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
317       // during the propagation phase. Right now, we just want to
318       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
319       // members of its equivalence set.
320       unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
321       unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
322       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
323     }
324   }
325 }
326
327 /// \brief Find equivalence classes.
328 ///
329 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
330 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
331 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
332 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
333 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
334 ///
335 /// \param F The function to query.
336 void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
337   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
338   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
339   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
340   for (auto &BB : F) {
341     BasicBlock *BB1 = &BB;
342
343     // Compute BB1's equivalence class once.
344     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
345       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
346       continue;
347     }
348
349     // By default, blocks are in their own equivalence class.
350     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
351
352     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
353     // every basic block BB2 such that:
354     //
355     // 1- BB1 dominates BB2.
356     // 2- BB2 post-dominates BB1.
357     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
358     //
359     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
360     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
361     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
362     DominatedBBs.clear();
363     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
364     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT.get());
365
366     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
367     // We are looking for every basic block BB2 such that:
368     //
369     // 1- BB1 post-dominates BB2.
370     // 2- BB2 dominates BB1.
371     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
372     //
373     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
374     DominatedBBs.clear();
375     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
376     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT.get());
377
378     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
379   }
380
381   // Assign weights to equivalence classes.
382   //
383   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
384   // the same number of times. Since we know that the head block in
385   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
386   // to all the blocks in that equivalence class.
387   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
388   for (auto &BI : F) {
389     BasicBlock *BB = &BI;
390     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
391     if (BB != EquivBB)
392       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
393     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
394   }
395 }
396
397 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
398 ///
399 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
400 /// and increment the count of unknown edges.
401 ///
402 /// \param E  Edge to visit.
403 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
404 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
405 ///
406 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
407 unsigned SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
408                                         Edge *UnknownEdge) {
409   if (!VisitedEdges.count(E)) {
410     (*NumUnknownEdges)++;
411     *UnknownEdge = E;
412     return 0;
413   }
414
415   return EdgeWeights[E];
416 }
417
418 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
419 ///
420 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
421 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
422 ///
423 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
424 /// count of the basic block, if needed.
425 ///
426 /// \param F  Function to process.
427 ///
428 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
429 bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
430   bool Changed = false;
431   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
432   for (auto &BI : F) {
433     BasicBlock *BB = &BI;
434
435     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
436     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
437     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
438     // only case we are interested in handling is when only a single
439     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
440     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
441       unsigned TotalWeight = 0;
442       unsigned NumUnknownEdges = 0;
443       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
444
445       if (i == 0) {
446         // First, visit all predecessor edges.
447         for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
448           Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
449           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
450           if (E.first == E.second)
451             SelfReferentialEdge = E;
452         }
453       } else {
454         // On the second round, visit all successor edges.
455         for (auto *Succ : Successors[BB]) {
456           Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
457           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
458         }
459       }
460
461       // After visiting all the edges, there are three cases that we
462       // can handle immediately:
463       //
464       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
465       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
466       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
467       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
468       //   we mark it visited.
469       //
470       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
471       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
472       //   subtracting the total block weight from all the known
473       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
474       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
475       //
476       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
477       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
478       //   We add up all the other known edges and set the weight on
479       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
480       //
481       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
482       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
483       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
484       if (NumUnknownEdges <= 1) {
485         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
486         if (NumUnknownEdges == 0) {
487           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
488           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
489           // of all edge weights.
490           if (TotalWeight > BBWeight) {
491             BBWeight = TotalWeight;
492             Changed = true;
493             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
494                          << " known. Set weight for block: ";
495                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
496           }
497           if (VisitedBlocks.insert(BB).second)
498             Changed = true;
499         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
500           // If there is a single unknown edge and the block has been
501           // visited, then we can compute E's weight.
502           if (BBWeight >= TotalWeight)
503             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
504           else
505             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
506           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
507           Changed = true;
508           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
509                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
510         }
511       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
512         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
513         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
514         if (BBWeight >= TotalWeight)
515           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
516         else
517           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
518         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
519         Changed = true;
520         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
521               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
522       }
523     }
524   }
525
526   return Changed;
527 }
528
529 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
530 ///
531 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
532 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
533 void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
534   for (auto &BI : F) {
535     BasicBlock *B1 = &BI;
536
537     // Add predecessors for B1.
538     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
539     if (!Predecessors[B1].empty())
540       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
541     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
542       BasicBlock *B2 = *PI;
543       if (Visited.insert(B2).second)
544         Predecessors[B1].push_back(B2);
545     }
546
547     // Add successors for B1.
548     Visited.clear();
549     if (!Successors[B1].empty())
550       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
551     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
552       BasicBlock *B2 = *SI;
553       if (Visited.insert(B2).second)
554         Successors[B1].push_back(B2);
555     }
556   }
557 }
558
559 /// \brief Propagate weights into edges
560 ///
561 /// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
562 ///
563 /// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
564 ///   of that edge is the weight of the block.
565 ///
566 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
567 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
568 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
569 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
570 ///   we set the unknown edge weight to zero.
571 ///
572 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
573 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
574 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
575 ///   known).
576 void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
577   bool Changed = true;
578   unsigned i = 0;
579
580   // Add an entry count to the function using the samples gathered
581   // at the function entry.
582   F.setEntryCount(Samples->getHeadSamples());
583
584   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
585   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
586   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
587   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
588   // of the pass.
589   buildEdges(F);
590
591   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
592   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
593     Changed = propagateThroughEdges(F);
594   }
595
596   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
597   // edge weights computed during propagation.
598   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
599   MDBuilder MDB(F.getContext());
600   for (auto &BI : F) {
601     BasicBlock *BB = &BI;
602     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
603     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
604       continue;
605     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
606       continue;
607
608     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
609                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
610     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
611     bool AllWeightsZero = true;
612     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
613       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
614       Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
615       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
616       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
617       Weights.push_back(Weight);
618       if (Weight != 0)
619         AllWeightsZero = false;
620     }
621
622     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
623     // In any other case, let the analyzer set weights.
624     if (!AllWeightsZero) {
625       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
626       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
627                       MDB.createBranchWeights(Weights));
628     } else {
629       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
630     }
631   }
632 }
633
634 /// \brief Get the line number for the function header.
635 ///
636 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
637 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
638 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
639 /// number is relative to this line.
640 ///
641 /// \param F  Function object to query.
642 ///
643 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
644 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
645 unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
646   if (DISubprogram *S = getDISubprogram(&F))
647     return S->getLine();
648
649   // If could not find the start of \p F, emit a diagnostic to inform the user
650   // about the missed opportunity.
651   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
652       "No debug information found in function " + F.getName() +
653           ": Function profile not used",
654       DS_Warning));
655   return 0;
656 }
657
658 void SampleProfileLoader::computeDominanceAndLoopInfo(Function &F) {
659   DT.reset(new DominatorTree);
660   DT->recalculate(F);
661
662   PDT.reset(new DominatorTreeBase<BasicBlock>(true));
663   PDT->recalculate(F);
664
665   LI.reset(new LoopInfo);
666   LI->analyze(*DT);
667 }
668
669 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
670 ///
671 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
672 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
673 ///
674 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
675 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
676 ///    executed instruction.
677 ///
678 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
679 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
680 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
681 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
682 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
683 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
684 ///
685 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
686 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
687 ///    block BB in the CFG:
688 ///
689 ///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
690 ///      of that edge is the weight of the block.
691 ///
692 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
693 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
694 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
695 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
696 ///      we set the unknown edge weight to zero.
697 ///
698 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
699 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
700 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
701 ///      known).
702 ///
703 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
704 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
705 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
706 ///
707 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
708 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
709 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
710 /// work here.
711 ///
712 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
713 /// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
714 ///
715 /// \param F The function to query.
716 ///
717 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
718 bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
719   bool Changed = false;
720
721   // Initialize invariants used during computation and propagation.
722   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
723   if (HeaderLineno == 0)
724     return false;
725
726   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
727                << ": " << HeaderLineno << "\n");
728
729   // Compute basic block weights.
730   Changed |= computeBlockWeights(F);
731
732   if (Changed) {
733     // Compute dominance and loop info needed for propagation.
734     computeDominanceAndLoopInfo(F);
735
736     // Find equivalence classes.
737     findEquivalenceClasses(F);
738
739     // Propagate weights to all edges.
740     propagateWeights(F);
741   }
742
743   return Changed;
744 }
745
746 char SampleProfileLoader::ID = 0;
747 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
748                       "Sample Profile loader", false, false)
749 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
750 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
751                     "Sample Profile loader", false, false)
752
753 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
754   auto &Ctx = M.getContext();
755   auto ReaderOrErr = SampleProfileReader::create(Filename, Ctx);
756   if (std::error_code EC = ReaderOrErr.getError()) {
757     std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
758     Ctx.diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
759     return false;
760   }
761   Reader = std::move(ReaderOrErr.get());
762   ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
763   return true;
764 }
765
766 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
767   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
768 }
769
770 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
771   return new SampleProfileLoader(Name);
772 }
773
774 bool SampleProfileLoader::runOnModule(Module &M) {
775   bool retval = false;
776   for (auto &F : M)
777     if (!F.isDeclaration())
778       retval |= runOnFunction(F);
779   return retval;
780 }
781
782 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
783   if (!ProfileIsValid)
784     return false;
785
786   Samples = Reader->getSamplesFor(F);
787   if (!Samples->empty())
788     return emitAnnotations(F);
789   return false;
790 }