Update sample profile propagation algorithm.
[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/ErrorOr.h"
47 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
48 #include "llvm/Transforms/IPO.h"
49 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
50 #include <cctype>
51
52 using namespace llvm;
53 using namespace sampleprof;
54
55 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
56
57 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
58 // mainly used for debugging.
59 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
60     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
61     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
62 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
63     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
64     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
65              "sample block/edge weights through the CFG."));
66
67 namespace {
68 typedef DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
69 typedef DenseMap<const BasicBlock *, const BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
70 typedef std::pair<const BasicBlock *, const BasicBlock *> Edge;
71 typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
72 typedef DenseMap<const BasicBlock *, SmallVector<const BasicBlock *, 8>>
73     BlockEdgeMap;
74
75 /// \brief Sample profile pass.
76 ///
77 /// This pass reads profile data from the file specified by
78 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
79 /// profile information found in that file.
80 class SampleProfileLoader : public ModulePass {
81 public:
82   // Class identification, replacement for typeinfo
83   static char ID;
84
85   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
86       : ModulePass(ID), DT(nullptr), PDT(nullptr), LI(nullptr), Reader(),
87         Samples(nullptr), Filename(Name), ProfileIsValid(false) {
88     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
89   }
90
91   bool doInitialization(Module &M) override;
92
93   void dump() { Reader->dump(); }
94
95   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
96
97   bool runOnModule(Module &M) override;
98
99   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
100     AU.setPreservesCFG();
101   }
102
103 protected:
104   bool runOnFunction(Function &F);
105   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
106   bool emitAnnotations(Function &F);
107   ErrorOr<unsigned> getInstWeight(const Instruction &I) const;
108   ErrorOr<unsigned> getBlockWeight(const BasicBlock *BB) const;
109   const FunctionSamples *findCalleeFunctionSamples(const CallInst &I) const;
110   const FunctionSamples *findFunctionSamples(const Instruction &I) const;
111   bool inlineHotFunctions(Function &F);
112   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
113   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, const BasicBlock *BB) const;
114   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, const BasicBlock *BB);
115   bool computeBlockWeights(Function &F);
116   void findEquivalenceClasses(Function &F);
117   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
118                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
119                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
120   void propagateWeights(Function &F);
121   unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
122   void buildEdges(Function &F);
123   bool propagateThroughEdges(Function &F);
124   void computeDominanceAndLoopInfo(Function &F);
125
126   /// \brief Line number for the function header. Used to compute absolute
127   /// line numbers from the relative line numbers found in the profile.
128   unsigned HeaderLineno;
129
130   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
131   ///
132   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
133   /// of all the instruction weights in that block.
134   BlockWeightMap BlockWeights;
135
136   /// \brief Map edges to their computed weights.
137   ///
138   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
139   /// SampleProfile::propagateWeights.
140   EdgeWeightMap EdgeWeights;
141
142   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
143   SmallPtrSet<const BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
144
145   /// \brief Set of visited edges during propagation.
146   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
147
148   /// \brief Equivalence classes for block weights.
149   ///
150   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
151   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
152   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
153   /// the same number of times.
154   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
155
156   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
157   std::unique_ptr<DominatorTree> DT;
158   std::unique_ptr<DominatorTreeBase<BasicBlock>> PDT;
159   std::unique_ptr<LoopInfo> LI;
160
161   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
162   BlockEdgeMap Predecessors;
163
164   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
165   BlockEdgeMap Successors;
166
167   /// \brief Profile reader object.
168   std::unique_ptr<SampleProfileReader> Reader;
169
170   /// \brief Samples collected for the body of this function.
171   FunctionSamples *Samples;
172
173   /// \brief Name of the profile file to load.
174   StringRef Filename;
175
176   /// \brief Flag indicating whether the profile input loaded successfully.
177   bool ProfileIsValid;
178 };
179 }
180
181 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
182 ///
183 /// \param OS  Stream to emit the output to.
184 /// \param E  Edge to print.
185 void SampleProfileLoader::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
186   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
187      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
188 }
189
190 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
191 ///
192 /// \param OS  Stream to emit the output to.
193 /// \param BB  Block to print.
194 void SampleProfileLoader::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
195                                                 const BasicBlock *BB) {
196   const BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
197   OS << "equivalence[" << BB->getName()
198      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
199 }
200
201 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
202 ///
203 /// \param OS  Stream to emit the output to.
204 /// \param BB  Block to print.
205 void SampleProfileLoader::printBlockWeight(raw_ostream &OS,
206                                            const BasicBlock *BB) const {
207   const auto &I = BlockWeights.find(BB);
208   unsigned W = (I == BlockWeights.end() ? 0 : I->second);
209   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << W << "\n";
210 }
211
212 /// \brief Get the weight for an instruction.
213 ///
214 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
215 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
216 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
217 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
218 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
219 ///
220 /// \param Inst Instruction to query.
221 ///
222 /// \returns the weight of \p Inst.
223 ErrorOr<unsigned>
224 SampleProfileLoader::getInstWeight(const Instruction &Inst) const {
225   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
226   if (!DLoc)
227     return std::error_code();
228
229   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
230   if (Lineno < HeaderLineno)
231     return std::error_code();
232
233   const DILocation *DIL = DLoc;
234   const FunctionSamples *FS = findFunctionSamples(Inst);
235   if (!FS)
236     return std::error_code();
237   ErrorOr<unsigned> R =
238       FS->findSamplesAt(Lineno - HeaderLineno, DIL->getDiscriminator());
239   if (R)
240     DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << DIL->getDiscriminator() << ":"
241                  << Inst << " (line offset: " << Lineno - HeaderLineno << "."
242                  << DIL->getDiscriminator() << " - weight: " << R.get()
243                  << ")\n");
244   return R;
245 }
246
247 /// \brief Compute the weight of a basic block.
248 ///
249 /// The weight of basic block \p BB is the maximum weight of all the
250 /// instructions in BB.
251 ///
252 /// \param BB The basic block to query.
253 ///
254 /// \returns the weight for \p BB.
255 ErrorOr<unsigned>
256 SampleProfileLoader::getBlockWeight(const BasicBlock *BB) const {
257   bool Found = false;
258   unsigned Weight = 0;
259   for (auto &I : BB->getInstList()) {
260     const ErrorOr<unsigned> &R = getInstWeight(I);
261     if (R && R.get() >= Weight) {
262       Weight = R.get();
263       Found = true;
264     }
265   }
266   if (Found)
267     return Weight;
268   else
269     return std::error_code();
270 }
271
272 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
273 ///
274 /// This populates the BlockWeights map by computing
275 /// the weights of every basic block in the CFG.
276 ///
277 /// \param F The function to query.
278 bool SampleProfileLoader::computeBlockWeights(Function &F) {
279   bool Changed = false;
280   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
281   for (const auto &BB : F) {
282     ErrorOr<unsigned> Weight = getBlockWeight(&BB);
283     if (Weight) {
284       BlockWeights[&BB] = Weight.get();
285       VisitedBlocks.insert(&BB);
286       Changed = true;
287     }
288     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), &BB));
289   }
290
291   return Changed;
292 }
293
294 /// \brief Get the FunctionSamples for a call instruction.
295 ///
296 /// The FunctionSamples of a call instruction \p Inst is the inlined
297 /// instance in which that call instruction is calling to. It contains
298 /// all samples that resides in the inlined instance. We first find the
299 /// inlined instance in which the call instruction is from, then we
300 /// traverse its children to find the callsite with the matching
301 /// location and callee function name.
302 ///
303 /// \param Inst Call instruction to query.
304 ///
305 /// \returns The FunctionSamples pointer to the inlined instance.
306 const FunctionSamples *
307 SampleProfileLoader::findCalleeFunctionSamples(const CallInst &Inst) const {
308   const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc();
309   if (!DIL) {
310     return nullptr;
311   }
312   DISubprogram *SP = DIL->getScope()->getSubprogram();
313   if (!SP || DIL->getLine() < SP->getLine())
314     return nullptr;
315
316   Function *CalleeFunc = Inst.getCalledFunction();
317   if (!CalleeFunc) {
318     return nullptr;
319   }
320
321   StringRef CalleeName = CalleeFunc->getName();
322   const FunctionSamples *FS = findFunctionSamples(Inst);
323   if (FS == nullptr)
324     return nullptr;
325
326   return FS->findFunctionSamplesAt(CallsiteLocation(
327       DIL->getLine() - SP->getLine(), DIL->getDiscriminator(), CalleeName));
328 }
329
330 /// \brief Get the FunctionSamples for an instruction.
331 ///
332 /// The FunctionSamples of an instruction \p Inst is the inlined instance
333 /// in which that instruction is coming from. We traverse the inline stack
334 /// of that instruction, and match it with the tree nodes in the profile.
335 ///
336 /// \param Inst Instruction to query.
337 ///
338 /// \returns the FunctionSamples pointer to the inlined instance.
339 const FunctionSamples *
340 SampleProfileLoader::findFunctionSamples(const Instruction &Inst) const {
341   SmallVector<CallsiteLocation, 10> S;
342   const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc();
343   if (!DIL) {
344     return Samples;
345   }
346   StringRef CalleeName;
347   for (const DILocation *DIL = Inst.getDebugLoc(); DIL;
348        DIL = DIL->getInlinedAt()) {
349     DISubprogram *SP = DIL->getScope()->getSubprogram();
350     if (!SP || DIL->getLine() < SP->getLine())
351       return nullptr;
352     if (!CalleeName.empty()) {
353       S.push_back(CallsiteLocation(DIL->getLine() - SP->getLine(),
354                                    DIL->getDiscriminator(), CalleeName));
355     }
356     CalleeName = SP->getLinkageName();
357   }
358   if (S.size() == 0)
359     return Samples;
360   const FunctionSamples *FS = Samples;
361   for (int i = S.size() - 1; i >= 0 && FS != nullptr; i--) {
362     FS = FS->findFunctionSamplesAt(S[i]);
363   }
364   return FS;
365 }
366
367 /// \brief Iteratively inline hot callsites of a function.
368 ///
369 /// Iteratively traverse all callsites of the function \p F, and find if
370 /// the corresponding inlined instance exists and is hot in profile. If
371 /// it is hot enough, inline the callsites and adds new callsites of the
372 /// callee into the caller.
373 ///
374 /// TODO: investigate the possibility of not invoking InlineFunction directly.
375 ///
376 /// \param F function to perform iterative inlining.
377 ///
378 /// \returns True if there is any inline happened.
379 bool SampleProfileLoader::inlineHotFunctions(Function &F) {
380   bool Changed = false;
381   while (true) {
382     bool LocalChanged = false;
383     SmallVector<CallInst *, 10> CIS;
384     for (auto &BB : F) {
385       for (auto &I : BB.getInstList()) {
386         CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(&I);
387         if (CI) {
388           const FunctionSamples *FS = findCalleeFunctionSamples(*CI);
389           if (FS && FS->getTotalSamples() > 0) {
390             CIS.push_back(CI);
391           }
392         }
393       }
394     }
395     for (auto CI : CIS) {
396       InlineFunctionInfo IFI;
397       if (InlineFunction(CI, IFI))
398         LocalChanged = true;
399     }
400     if (LocalChanged) {
401       Changed = true;
402     } else {
403       break;
404     }
405   }
406   return Changed;
407 }
408
409 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
410 ///
411 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
412 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the
413 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
414 ///
415 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
416 /// the following holds:
417 ///
418 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
419 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
420 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
421 ///
422 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
423 ///
424 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
425 /// equivalence class to \p BB1.
426 ///
427 /// \param BB1  Block to check.
428 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
429 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
430 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
431 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
432 void SampleProfileLoader::findEquivalencesFor(
433     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
434     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
435   const BasicBlock *EC = EquivalenceClass[BB1];
436   unsigned Weight = BlockWeights[EC];
437   for (const auto *BB2 : Descendants) {
438     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
439     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
440     if (BB1 != BB2 && IsDomParent && IsInSameLoop) {
441       EquivalenceClass[BB2] = EC;
442
443       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
444       // as BB1.
445       //
446       // Note that we don't worry about the opposite situation here
447       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
448       // during the propagation phase. Right now, we just want to
449       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
450       // members of its equivalence set.
451       Weight = std::max(Weight, BlockWeights[BB2]);
452     }
453   }
454   BlockWeights[EC] = Weight;
455 }
456
457 /// \brief Find equivalence classes.
458 ///
459 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
460 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
461 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
462 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
463 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
464 ///
465 /// \param F The function to query.
466 void SampleProfileLoader::findEquivalenceClasses(Function &F) {
467   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
468   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
469   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
470   for (auto &BB : F) {
471     BasicBlock *BB1 = &BB;
472
473     // Compute BB1's equivalence class once.
474     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
475       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
476       continue;
477     }
478
479     // By default, blocks are in their own equivalence class.
480     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
481
482     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
483     // every basic block BB2 such that:
484     //
485     // 1- BB1 dominates BB2.
486     // 2- BB2 post-dominates BB1.
487     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
488     //
489     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
490     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
491     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
492     DominatedBBs.clear();
493     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
494     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT.get());
495
496     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
497   }
498
499   // Assign weights to equivalence classes.
500   //
501   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
502   // the same number of times. Since we know that the head block in
503   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
504   // to all the blocks in that equivalence class.
505   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
506   for (auto &BI : F) {
507     const BasicBlock *BB = &BI;
508     const BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
509     if (BB != EquivBB)
510       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
511     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
512   }
513 }
514
515 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
516 ///
517 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
518 /// and increment the count of unknown edges.
519 ///
520 /// \param E  Edge to visit.
521 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
522 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
523 ///
524 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
525 unsigned SampleProfileLoader::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
526                                         Edge *UnknownEdge) {
527   if (!VisitedEdges.count(E)) {
528     (*NumUnknownEdges)++;
529     *UnknownEdge = E;
530     return 0;
531   }
532
533   return EdgeWeights[E];
534 }
535
536 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
537 ///
538 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
539 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
540 ///
541 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
542 /// count of the basic block, if needed.
543 ///
544 /// \param F  Function to process.
545 ///
546 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
547 bool SampleProfileLoader::propagateThroughEdges(Function &F) {
548   bool Changed = false;
549   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
550   for (const auto &BI : F) {
551     const BasicBlock *BB = &BI;
552     const BasicBlock *EC = EquivalenceClass[BB];
553
554     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
555     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
556     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
557     // only case we are interested in handling is when only a single
558     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
559     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
560       unsigned TotalWeight = 0;
561       unsigned NumUnknownEdges = 0;
562       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
563
564       if (i == 0) {
565         // First, visit all predecessor edges.
566         for (auto *Pred : Predecessors[BB]) {
567           Edge E = std::make_pair(Pred, BB);
568           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
569           if (E.first == E.second)
570             SelfReferentialEdge = E;
571         }
572       } else {
573         // On the second round, visit all successor edges.
574         for (auto *Succ : Successors[BB]) {
575           Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
576           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
577         }
578       }
579
580       // After visiting all the edges, there are three cases that we
581       // can handle immediately:
582       //
583       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
584       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
585       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
586       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
587       //   we mark it visited.
588       //
589       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
590       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
591       //   subtracting the total block weight from all the known
592       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
593       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
594       //
595       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
596       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
597       //   We add up all the other known edges and set the weight on
598       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
599       //
600       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
601       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
602       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
603       if (NumUnknownEdges <= 1) {
604         unsigned &BBWeight = BlockWeights[EC];
605         if (NumUnknownEdges == 0) {
606           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
607           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
608           // of all edge weights.
609           if (TotalWeight > BBWeight) {
610             BBWeight = TotalWeight;
611             Changed = true;
612             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
613                          << " known. Set weight for block: ";
614                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
615           }
616           if (VisitedBlocks.insert(EC).second)
617             Changed = true;
618         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(EC)) {
619           // If there is a single unknown edge and the block has been
620           // visited, then we can compute E's weight.
621           if (BBWeight >= TotalWeight)
622             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
623           else
624             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
625           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
626           Changed = true;
627           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
628                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
629         }
630       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(EC)) {
631         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
632         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
633         if (BBWeight >= TotalWeight)
634           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
635         else
636           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
637         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
638         Changed = true;
639         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
640               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
641       }
642     }
643   }
644
645   return Changed;
646 }
647
648 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
649 ///
650 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
651 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
652 void SampleProfileLoader::buildEdges(Function &F) {
653   for (auto &BI : F) {
654     BasicBlock *B1 = &BI;
655
656     // Add predecessors for B1.
657     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
658     if (!Predecessors[B1].empty())
659       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
660     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
661       BasicBlock *B2 = *PI;
662       if (Visited.insert(B2).second)
663         Predecessors[B1].push_back(B2);
664     }
665
666     // Add successors for B1.
667     Visited.clear();
668     if (!Successors[B1].empty())
669       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
670     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
671       BasicBlock *B2 = *SI;
672       if (Visited.insert(B2).second)
673         Successors[B1].push_back(B2);
674     }
675   }
676 }
677
678 /// \brief Propagate weights into edges
679 ///
680 /// The following rules are applied to every block BB in the CFG:
681 ///
682 /// - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
683 ///   of that edge is the weight of the block.
684 ///
685 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
686 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
687 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
688 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
689 ///   we set the unknown edge weight to zero.
690 ///
691 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
692 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
693 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
694 ///   known).
695 void SampleProfileLoader::propagateWeights(Function &F) {
696   bool Changed = true;
697   unsigned i = 0;
698
699   // Add an entry count to the function using the samples gathered
700   // at the function entry.
701   F.setEntryCount(Samples->getHeadSamples());
702
703   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
704   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
705   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
706   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
707   // of the pass.
708   buildEdges(F);
709
710   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
711   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
712     Changed = propagateThroughEdges(F);
713   }
714
715   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
716   // edge weights computed during propagation.
717   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
718   MDBuilder MDB(F.getContext());
719   for (auto &BI : F) {
720     BasicBlock *BB = &BI;
721     TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
722     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
723       continue;
724     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
725       continue;
726
727     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
728                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
729     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
730     bool AllWeightsZero = true;
731     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
732       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
733       Edge E = std::make_pair(BB, Succ);
734       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
735       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
736       Weights.push_back(Weight);
737       if (Weight != 0)
738         AllWeightsZero = false;
739     }
740
741     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
742     // In any other case, let the analyzer set weights.
743     if (!AllWeightsZero) {
744       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
745       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
746                       MDB.createBranchWeights(Weights));
747     } else {
748       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
749     }
750   }
751 }
752
753 /// \brief Get the line number for the function header.
754 ///
755 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
756 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
757 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
758 /// number is relative to this line.
759 ///
760 /// \param F  Function object to query.
761 ///
762 /// \returns the line number where \p F is defined. If it returns 0,
763 ///          it means that there is no debug information available for \p F.
764 unsigned SampleProfileLoader::getFunctionLoc(Function &F) {
765   if (DISubprogram *S = getDISubprogram(&F))
766     return S->getLine();
767
768   // If could not find the start of \p F, emit a diagnostic to inform the user
769   // about the missed opportunity.
770   F.getContext().diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(
771       "No debug information found in function " + F.getName() +
772           ": Function profile not used",
773       DS_Warning));
774   return 0;
775 }
776
777 void SampleProfileLoader::computeDominanceAndLoopInfo(Function &F) {
778   DT.reset(new DominatorTree);
779   DT->recalculate(F);
780
781   PDT.reset(new DominatorTreeBase<BasicBlock>(true));
782   PDT->recalculate(F);
783
784   LI.reset(new LoopInfo);
785   LI->analyze(*DT);
786 }
787
788 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
789 ///
790 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
791 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
792 ///
793 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
794 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
795 ///    executed instruction.
796 ///
797 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
798 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
799 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
800 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
801 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
802 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
803 ///
804 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
805 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
806 ///    block BB in the CFG:
807 ///
808 ///    - If BB has a single predecessor/successor, then the weight
809 ///      of that edge is the weight of the block.
810 ///
811 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
812 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
813 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
814 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than BB's weight,
815 ///      we set the unknown edge weight to zero.
816 ///
817 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
818 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
819 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
820 ///      known).
821 ///
822 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
823 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
824 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
825 ///
826 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
827 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
828 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
829 /// work here.
830 ///
831 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
832 /// metadata on BB using the computed values for each of its branches.
833 ///
834 /// \param F The function to query.
835 ///
836 /// \returns true if \p F was modified. Returns false, otherwise.
837 bool SampleProfileLoader::emitAnnotations(Function &F) {
838   bool Changed = false;
839
840   // Initialize invariants used during computation and propagation.
841   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
842   if (HeaderLineno == 0)
843     return false;
844
845   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
846                << ": " << HeaderLineno << "\n");
847
848   Changed |= inlineHotFunctions(F);
849
850   // Compute basic block weights.
851   Changed |= computeBlockWeights(F);
852
853   if (Changed) {
854     // Compute dominance and loop info needed for propagation.
855     computeDominanceAndLoopInfo(F);
856
857     // Find equivalence classes.
858     findEquivalenceClasses(F);
859
860     // Propagate weights to all edges.
861     propagateWeights(F);
862   }
863
864   return Changed;
865 }
866
867 char SampleProfileLoader::ID = 0;
868 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
869                       "Sample Profile loader", false, false)
870 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
871 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
872                     "Sample Profile loader", false, false)
873
874 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
875   auto &Ctx = M.getContext();
876   auto ReaderOrErr = SampleProfileReader::create(Filename, Ctx);
877   if (std::error_code EC = ReaderOrErr.getError()) {
878     std::string Msg = "Could not open profile: " + EC.message();
879     Ctx.diagnose(DiagnosticInfoSampleProfile(Filename.data(), Msg));
880     return false;
881   }
882   Reader = std::move(ReaderOrErr.get());
883   ProfileIsValid = (Reader->read() == sampleprof_error::success);
884   return true;
885 }
886
887 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
888   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
889 }
890
891 ModulePass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
892   return new SampleProfileLoader(Name);
893 }
894
895 bool SampleProfileLoader::runOnModule(Module &M) {
896   bool retval = false;
897   for (auto &F : M)
898     if (!F.isDeclaration())
899       retval |= runOnFunction(F);
900   return retval;
901 }
902
903 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
904   if (!ProfileIsValid)
905     return false;
906
907   Samples = Reader->getSamplesFor(F);
908   if (!Samples->empty())
909     return emitAnnotations(F);
910   return false;
911 }