Split the PHINode class out from the iOther.h file into the iPHINode.h file
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / InductionVars.cpp
1 //===- InductionVars.cpp - Induction Variable Cannonicalization code --------=//
2 //
3 // This file implements induction variable cannonicalization of loops.
4 //
5 // Specifically, after this executes, the following is true:
6 //   - There is a single induction variable for each loop (at least loops that
7 //     used to contain at least one induction variable)
8 //   * This induction variable starts at 0 and steps by 1 per iteration
9 //   * This induction variable is represented by the first PHI node in the
10 //     Header block, allowing it to be found easily.
11 //   - All other preexisting induction variables are adjusted to operate in
12 //     terms of this primary induction variable
13 //   - Induction variables with a step size of 0 have been eliminated.
14 //
15 // This code assumes the following is true to perform its full job:
16 //   - The CFG has been simplified to not have multiple entrances into an
17 //     interval header.  Interval headers should only have two predecessors,
18 //     one from inside of the loop and one from outside of the loop.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21
22 #include "llvm/Optimizations/InductionVars.h"
23 #include "llvm/ConstPoolVals.h"
24 #include "llvm/Analysis/IntervalPartition.h"
25 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
26 #include "llvm/SymbolTable.h"
27 #include "llvm/iPHINode.h"
28 #include "Support/STLExtras.h"
29 #include <algorithm>
30
31 #include "llvm/Analysis/LoopDepth.h"
32
33 using namespace opt;
34
35 // isLoopInvariant - Return true if the specified value/basic block source is 
36 // an interval invariant computation.
37 //
38 static bool isLoopInvariant(cfg::Interval *Int, Value *V) {
39   assert(isa<ConstPoolVal>(V) || isa<Instruction>(V) || isa<MethodArgument>(V));
40
41   if (!isa<Instruction>(V))
42     return true;  // Constants and arguments are always loop invariant
43
44   BasicBlock *ValueBlock = cast<Instruction>(V)->getParent();
45   assert(ValueBlock && "Instruction not embedded in basic block!");
46
47   // For now, only consider values from outside of the interval, regardless of
48   // whether the expression could be lifted out of the loop by some LICM.
49   //
50   // TODO: invoke LICM library if we find out it would be useful.
51   //
52   return !Int->contains(ValueBlock);
53 }
54
55
56 // isLinearInductionVariableH - Return isLIV if the expression V is a linear
57 // expression defined in terms of loop invariant computations, and a single
58 // instance of the PHI node PN.  Return isLIC if the expression V is a loop
59 // invariant computation.  Return isNLIV if the expression is a negated linear
60 // induction variable.  Return isOther if it is neither.
61 //
62 // Currently allowed operators are: ADD, SUB, NEG
63 // TODO: This should allow casts!
64 //
65 enum LIVType { isLIV, isLIC, isNLIV, isOther };
66 //
67 // neg - Negate the sign of a LIV expression.
68 inline LIVType neg(LIVType T) { 
69   assert(T == isLIV || T == isNLIV && "Negate Only works on LIV expressions");
70   return T == isLIV ? isNLIV : isLIV; 
71 }
72 //
73 static LIVType isLinearInductionVariableH(cfg::Interval *Int, Value *V,
74                                           PHINode *PN) {
75   if (V == PN) { return isLIV; }  // PHI node references are (0+PHI)
76   if (isLoopInvariant(Int, V)) return isLIC;
77
78   // loop variant computations must be instructions!
79   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
80   switch (I->getOpcode()) {       // Handle each instruction seperately
81   case Instruction::Add:
82   case Instruction::Sub: {
83     Value *SubV1 = cast<BinaryOperator>(I)->getOperand(0);
84     Value *SubV2 = cast<BinaryOperator>(I)->getOperand(1);
85     LIVType SubLIVType1 = isLinearInductionVariableH(Int, SubV1, PN);
86     if (SubLIVType1 == isOther) return isOther;  // Early bailout
87     LIVType SubLIVType2 = isLinearInductionVariableH(Int, SubV2, PN);
88
89     switch (SubLIVType2) {
90     case isOther: return isOther;      // Unknown subexpression type
91     case isLIC:   return SubLIVType1;  // Constant offset, return type #1
92     case isLIV:
93     case isNLIV:
94       // So now we know that we have a linear induction variable on the RHS of
95       // the ADD or SUB instruction.  SubLIVType1 cannot be isOther, so it is
96       // either a Loop Invariant computation, or a LIV type.
97       if (SubLIVType1 == isLIC) {
98         // Loop invariant computation, we know this is a LIV then.
99         return (I->getOpcode() == Instruction::Add) ? 
100                        SubLIVType2 : neg(SubLIVType2);
101       }
102
103       // If the LHS is also a LIV Expression, we cannot add two LIVs together
104       if (I->getOpcode() == Instruction::Add) return isOther;
105
106       // We can only subtract two LIVs if they are the same type, which yields
107       // a LIC, because the LIVs cancel each other out.
108       return (SubLIVType1 == SubLIVType2) ? isLIC : isOther;
109     }
110     // NOT REACHED
111   }
112
113   default:            // Any other instruction is not a LINEAR induction var
114     return isOther;
115   }
116 }
117
118 // isLinearInductionVariable - Return true if the specified expression is a
119 // "linear induction variable", which is an expression involving a single 
120 // instance of the PHI node and a loop invariant value that is added or
121 // subtracted to the PHI node.  This is calculated by walking the SSA graph
122 //
123 static inline bool isLinearInductionVariable(cfg::Interval *Int, Value *V,
124                                              PHINode *PN) {
125   return isLinearInductionVariableH(Int, V, PN) == isLIV;
126 }
127
128
129 // isSimpleInductionVar - Return true iff the cannonical induction variable PN
130 // has an initializer of the constant value 0, and has a step size of constant 
131 // 1.
132 static inline bool isSimpleInductionVar(PHINode *PN) {
133   assert(PN->getNumIncomingValues() == 2 && "Must have cannonical PHI node!");
134   Value *Initializer = PN->getIncomingValue(0);
135   if (!isa<ConstPoolVal>(Initializer)) return false;
136
137   if (Initializer->getType()->isSigned()) {  // Signed constant value...
138     if (((ConstPoolSInt*)Initializer)->getValue() != 0) return false;
139   } else if (Initializer->getType()->isUnsigned()) {  // Unsigned constant value
140     if (((ConstPoolUInt*)Initializer)->getValue() != 0) return false;
141   } else {
142     return false;   // Not signed or unsigned?  Must be FP type or something
143   }
144
145   Value *StepExpr = PN->getIncomingValue(1);
146   if (!isa<Instruction>(StepExpr) ||
147       cast<Instruction>(StepExpr)->getOpcode() != Instruction::Add)
148     return false;
149
150   BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(StepExpr);
151   assert(isa<PHINode>(I->getOperand(0)) && 
152          "PHI node should be first operand of ADD instruction!");
153
154   // Get the right hand side of the ADD node.  See if it is a constant 1.
155   Value *StepSize = I->getOperand(1);
156   if (!isa<ConstPoolVal>(StepSize)) return false;
157
158   if (StepSize->getType()->isSigned()) {  // Signed constant value...
159     if (((ConstPoolSInt*)StepSize)->getValue() != 1) return false;
160   } else if (StepSize->getType()->isUnsigned()) {  // Unsigned constant value
161     if (((ConstPoolUInt*)StepSize)->getValue() != 1) return false;
162   } else {
163     return false;   // Not signed or unsigned?  Must be FP type or something
164   }
165
166   // At this point, we know the initializer is a constant value 0 and the step
167   // size is a constant value 1.  This is our simple induction variable!
168   return true;
169 }
170
171 // InjectSimpleInductionVariable - Insert a cannonical induction variable into
172 // the interval header Header.  This assumes that the flow graph is in 
173 // simplified form (so we know that the header block has exactly 2 predecessors)
174 //
175 // TODO: This should inherit the largest type that is being used by the already
176 // present induction variables (instead of always using uint)
177 //
178 static PHINode *InjectSimpleInductionVariable(cfg::Interval *Int) {
179   string PHIName, AddName;
180
181   BasicBlock *Header = Int->getHeaderNode();
182   Method *M = Header->getParent();
183
184   if (M->hasSymbolTable()) {
185     // Only name the induction variable if the method isn't stripped.
186     PHIName = M->getSymbolTable()->getUniqueName(Type::UIntTy, "ind_var");
187     AddName = M->getSymbolTable()->getUniqueName(Type::UIntTy, "ind_var_next");
188   }
189
190   // Create the neccesary instructions...
191   PHINode        *PN      = new PHINode(Type::UIntTy, PHIName);
192   ConstPoolVal   *One     = ConstPoolUInt::get(Type::UIntTy, 1);
193   ConstPoolVal   *Zero    = ConstPoolUInt::get(Type::UIntTy, 0);
194   BinaryOperator *AddNode = BinaryOperator::create(Instruction::Add, 
195                                                    PN, One, AddName);
196
197   // Figure out which predecessors I have to play with... there should be
198   // exactly two... one of which is a loop predecessor, and one of which is not.
199   //
200   BasicBlock::pred_iterator PI = Header->pred_begin();
201   assert(PI != Header->pred_end() && "Header node should have 2 preds!");
202   BasicBlock *Pred1 = *PI; ++PI;
203   assert(PI != Header->pred_end() && "Header node should have 2 preds!");
204   BasicBlock *Pred2 = *PI;
205   assert(++PI == Header->pred_end() && "Header node should have 2 preds!");
206
207   // Make Pred1 be the loop entrance predecessor, Pred2 be the Loop predecessor
208   if (Int->contains(Pred1)) swap(Pred1, Pred2);
209
210   assert(!Int->contains(Pred1) && "Pred1 should be loop entrance!");
211   assert( Int->contains(Pred2) && "Pred2 should be looping edge!");
212
213   // Link the instructions into the PHI node...
214   PN->addIncoming(Zero, Pred1);     // The initializer is first argument
215   PN->addIncoming(AddNode, Pred2);  // The step size is second PHI argument
216   
217   // Insert the PHI node into the Header of the loop.  It shall be the first
218   // instruction, because the "Simple" Induction Variable must be first in the
219   // block.
220   //
221   BasicBlock::InstListType &IL = Header->getInstList();
222   IL.push_front(PN);
223
224   // Insert the Add instruction as the first (non-phi) instruction in the 
225   // header node's basic block.
226   BasicBlock::iterator I = IL.begin();
227   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
228   IL.insert(I, AddNode);
229   return PN;
230 }
231
232 // ProcessInterval - This function is invoked once for each interval in the 
233 // IntervalPartition of the program.  It looks for auxilliary induction
234 // variables in loops.  If it finds one, it:
235 // * Cannonicalizes the induction variable.  This consists of:
236 //   A. Making the first element of the PHI node be the loop invariant 
237 //      computation, and the second element be the linear induction portion.
238 //   B. Changing the first element of the linear induction portion of the PHI 
239 //      node to be of the form ADD(PHI, <loop invariant expr>).
240 // * Add the induction variable PHI to a list of induction variables found.
241 //
242 // After this, a list of cannonical induction variables is known.  This list
243 // is searched to see if there is an induction variable that counts from 
244 // constant 0 with a step size of constant 1.  If there is not one, one is
245 // injected into the loop.  Thus a "simple" induction variable is always known
246 //
247 // One a simple induction variable is known, all other induction variables are
248 // modified to refer to the "simple" induction variable.
249 //
250 static bool ProcessInterval(cfg::Interval *Int) {
251   if (!Int->isLoop()) return false;  // Not a loop?  Ignore it!
252
253   vector<PHINode *> InductionVars;
254
255   BasicBlock *Header = Int->getHeaderNode();
256   // Loop over all of the PHI nodes in the interval header...
257   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); 
258        I != E && isa<PHINode>(*I); ++I) {
259     PHINode *PN = cast<PHINode>(*I);
260     if (PN->getNumIncomingValues() != 2) { // These should be eliminated by now.
261       cerr << "Found interval header with more than 2 predecessors! Ignoring\n";
262       return false;    // Todo, make an assertion.
263     }
264
265     // For this to be an induction variable, one of the arguments must be a
266     // loop invariant expression, and the other must be an expression involving
267     // the PHI node, along with possible additions and subtractions of loop
268     // invariant values.
269     //
270     BasicBlock *BB1 = PN->getIncomingBlock(0);
271     Value      *V1  = PN->getIncomingValue(0);
272     BasicBlock *BB2 = PN->getIncomingBlock(1);
273     Value      *V2  = PN->getIncomingValue(1);
274
275     // Figure out which computation is loop invariant...
276     if (!isLoopInvariant(Int, V1)) {
277       // V1 is *not* loop invariant.  Check to see if V2 is:
278       if (isLoopInvariant(Int, V2)) {
279         // They *are* loop invariant.  Exchange BB1/BB2 and V1/V2 so that
280         // V1 is always the loop invariant computation.
281         swap(V1, V2); swap(BB1, BB2);
282       } else {
283         // Neither value is loop invariant.  Must not be an induction variable.
284         // This case can happen if there is an unreachable loop in the CFG that
285         // has two tail loops in it that was not split by the cleanup phase
286         // before.
287         continue;
288       }      
289     }
290
291     // At this point, we know that BB1/V1 are loop invariant.  We don't know
292     // anything about BB2/V2.  Check now to see if V2 is a linear induction
293     // variable.
294     //
295     cerr << "Found loop invariant computation: " << V1 << endl;
296     
297     if (!isLinearInductionVariable(Int, V2, PN))
298       continue;         // No, it is not a linear ind var, ignore the PHI node.
299     cerr << "Found linear induction variable: " << V2;
300
301     // TODO: Cannonicalize V2
302
303     // Add this PHI node to the list of induction variables found...
304     InductionVars.push_back(PN);    
305   }
306
307   // No induction variables found?
308   if (InductionVars.empty()) return false;
309
310   // Search to see if there is already a "simple" induction variable.
311   vector<PHINode*>::iterator It = 
312     find_if(InductionVars.begin(), InductionVars.end(), isSimpleInductionVar);
313   
314   PHINode *PrimaryIndVar;
315
316   // A simple induction variable was not found, inject one now...
317   if (It == InductionVars.end()) {
318     PrimaryIndVar = InjectSimpleInductionVariable(Int);
319   } else {
320     // Move the PHI node for this induction variable to the start of the PHI
321     // list in HeaderNode... we do not need to do this for the inserted case
322     // because the inserted node will always be placed at the beginning of
323     // HeaderNode.
324     //
325     PrimaryIndVar = *It;
326     BasicBlock::iterator i =
327       find(Header->begin(), Header->end(), PrimaryIndVar);
328     assert(i != Header->end() && 
329            "How could Primary IndVar not be in the header!?!!?");
330
331     if (i != Header->begin())
332       iter_swap(i, Header->begin());
333   }
334
335   // Now we know that there is a simple induction variable PrimaryIndVar.
336   // Simplify all of the other induction variables to use this induction 
337   // variable as their counter, and destroy the PHI nodes that correspond to
338   // the old indvars.
339   //
340   // TODO
341
342
343   cerr << "Found Interval Header with indvars (primary indvar should be first "
344        << "phi): \n" << Header << "\nPrimaryIndVar: " << PrimaryIndVar;
345
346   return false;  // TODO: true;
347 }
348
349
350 // ProcessIntervalPartition - This function loops over the interval partition
351 // processing each interval with ProcessInterval
352 //
353 static bool ProcessIntervalPartition(cfg::IntervalPartition &IP) {
354   // This currently just prints out information about the interval structure
355   // of the method...
356 #if 0
357   static unsigned N = 0;
358   cerr << "\n***********Interval Partition #" << (++N) << "************\n\n";
359   copy(IP.begin(), IP.end(), ostream_iterator<cfg::Interval*>(cerr, "\n"));
360
361   cerr << "\n*********** PERFORMING WORK ************\n\n";
362 #endif
363   // Loop over all of the intervals in the partition and look for induction
364   // variables in intervals that represent loops.
365   //
366   return reduce_apply(IP.begin(), IP.end(), bitwise_or<bool>(), false,
367                       ptr_fun(ProcessInterval));
368 }
369
370 // DoInductionVariableCannonicalize - Simplify induction variables in loops.
371 // This function loops over an interval partition of a program, reducing it
372 // until the graph is gone.
373 //
374 bool opt::InductionVariableCannonicalize::doIt(Method *M) {
375   // TODO: REMOVE
376   if (0) {   // Print basic blocks with their depth
377     LoopDepthCalculator LDC(M);
378     for (Method::iterator I = M->begin(); I != M->end(); ++I) {
379       cerr << "Basic Block Depth: " << LDC.getLoopDepth(*I) << *I;
380     }
381   }
382
383
384   cfg::IntervalPartition *IP = new cfg::IntervalPartition(M);
385   bool Changed = false;
386
387   while (!IP->isDegeneratePartition()) {
388     Changed |= ProcessIntervalPartition(*IP);
389
390     // Calculate the reduced version of this graph until we get to an 
391     // irreducible graph or a degenerate graph...
392     //
393     cfg::IntervalPartition *NewIP = new cfg::IntervalPartition(*IP, false);
394     if (NewIP->size() == IP->size()) {
395       cerr << "IRREDUCIBLE GRAPH FOUND!!!\n";
396       return Changed;
397     }
398     delete IP;
399     IP = NewIP;
400   }
401
402   delete IP;
403   return Changed;
404 }