Instcombine PHI's of the form %PN = phi PN, X into X and
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LICM.cpp
1 //===-- LICM.cpp - Loop Invariant Code Motion Pass ------------------------===//
2 //
3 // This pass is a simple loop invariant code motion pass.
4 //
5 // Note that this pass does NOT require pre-headers to exist on loops in the
6 // CFG, but if there is not distinct preheader for a loop, the hoisted code will
7 // be *DUPLICATED* in every basic block, outside of the loop, that preceeds the
8 // loop header.  Additionally, any use of one of these hoisted expressions
9 // cannot be loop invariant itself, because the expression hoisted gets a PHI
10 // node that is loop variant.
11 //
12 // For these reasons, and many more, it makes sense to run a pass before this
13 // that ensures that there are preheaders on all loops.  That said, we don't
14 // REQUIRE it. :)
15 //
16 //===----------------------------------------------------------------------===//
17
18 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
19 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
20 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
21 #include "llvm/iOperators.h"
22 #include "llvm/iPHINode.h"
23 #include "llvm/Support/InstVisitor.h"
24 #include "llvm/Support/CFG.h"
25 #include "Support/STLExtras.h"
26 #include "Support/StatisticReporter.h"
27 #include <algorithm>
28 using std::string;
29
30 static Statistic<> NumHoistedNPH("licm\t\t- Number of insts hoisted to multiple"
31                                  " loop preds (bad, no loop pre-header)");
32 static Statistic<> NumHoistedPH("licm\t\t- Number of insts hoisted to a loop "
33                                 "pre-header");
34
35 namespace {
36   struct LICM : public FunctionPass, public InstVisitor<LICM> {
37     virtual bool runOnFunction(Function &F);
38
39     // This transformation requires natural loop information...
40     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
41       AU.preservesCFG();
42       AU.addRequired<LoopInfo>();
43     }
44
45   private:
46     // List of predecessor blocks for the current loop - These blocks are where
47     // we hoist loop invariants to for the current loop.
48     //
49     std::vector<BasicBlock*> LoopPreds, LoopBackEdges;
50
51     Loop *CurLoop;  // The current loop we are working on...
52     bool Changed;   // Set to true when we change anything.
53
54     // visitLoop - Hoist expressions out of the specified loop...    
55     void visitLoop(Loop *L);
56
57     // notInCurrentLoop - Little predicate that returns true if the specified
58     // basic block is in a subloop of the current one, not the current one
59     // itself.
60     //
61     bool notInCurrentLoop(BasicBlock *BB) {
62       for (unsigned i = 0, e = CurLoop->getSubLoops().size(); i != e; ++i)
63         if (CurLoop->getSubLoops()[i]->contains(BB))
64           return true;  // A subloop actually contains this block!
65       return false;      
66     }
67
68     // hoist - When an instruction is found to only use loop invariant operands
69     // that is safe to hoist, this instruction is called to do the dirty work.
70     //
71     void hoist(Instruction &I);
72
73     // isLoopInvariant - Return true if the specified value is loop invariant
74     inline bool isLoopInvariant(Value *V) {
75       if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
76         return !CurLoop->contains(I->getParent());
77       return true;  // All non-instructions are loop invariant
78     }
79
80     // visitBasicBlock - Run LICM on a particular block.
81     void visitBasicBlock(BasicBlock *BB);
82
83     // Instruction visitation handlers... these basically control whether or not
84     // the specified instruction types are hoisted.
85     //
86     friend class InstVisitor<LICM>;
87     void visitBinaryOperator(Instruction &I) {
88       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0)) && isLoopInvariant(I.getOperand(1)))
89         hoist(I);
90     }
91     void visitCastInst(CastInst &CI) {
92       Instruction &I = (Instruction&)CI;
93       if (isLoopInvariant(I.getOperand(0))) hoist(I);
94     }
95     void visitShiftInst(ShiftInst &I) { visitBinaryOperator((Instruction&)I); }
96
97     void visitGetElementPtrInst(GetElementPtrInst &GEPI) {
98       Instruction &I = (Instruction&)GEPI;
99       for (unsigned i = 0, e = I.getNumOperands(); i != e; ++i)
100         if (!isLoopInvariant(I.getOperand(i))) return;
101       hoist(I);
102     }
103   };
104
105   RegisterOpt<LICM> X("licm", "Loop Invariant Code Motion");
106 }
107
108 Pass *createLICMPass() { return new LICM(); }
109
110 bool LICM::runOnFunction(Function &) {
111   // get our loop information...
112   const std::vector<Loop*> &TopLevelLoops =
113     getAnalysis<LoopInfo>().getTopLevelLoops();
114
115   // Traverse loops in postorder, hoisting expressions out of the deepest loops
116   // first.
117   //
118   Changed = false;
119   std::for_each(TopLevelLoops.begin(), TopLevelLoops.end(),
120                 bind_obj(this, &LICM::visitLoop));
121   return Changed;
122 }
123
124 void LICM::visitLoop(Loop *L) {
125   // Recurse through all subloops before we process this loop...
126   std::for_each(L->getSubLoops().begin(), L->getSubLoops().end(),
127                 bind_obj(this, &LICM::visitLoop));
128   CurLoop = L;
129
130   // Calculate the set of predecessors for this loop.  The predecessors for this
131   // loop are equal to the predecessors for the header node of the loop that are
132   // not themselves in the loop.
133   //
134   BasicBlock *Header = L->getHeader();
135
136   // Calculate the sets of predecessors and backedges of the loop...
137   LoopBackEdges.insert(LoopBackEdges.end(),pred_begin(Header),pred_end(Header));
138
139   std::vector<BasicBlock*>::iterator LPI =
140     std::partition(LoopBackEdges.begin(), LoopBackEdges.end(),
141                    bind_obj(CurLoop, &Loop::contains));
142
143   // Move all predecessors to the LoopPreds vector...
144   LoopPreds.insert(LoopPreds.end(), LPI, LoopBackEdges.end());
145
146   // Remove predecessors from backedges list...
147   LoopBackEdges.erase(LPI, LoopBackEdges.end());
148  
149
150   // The only way that there could be no predecessors to a loop is if the loop
151   // is not reachable.  Since we don't care about optimizing dead loops,
152   // summarily ignore them.
153   //
154   if (LoopPreds.empty()) return;
155   
156   // We want to visit all of the instructions in this loop... that are not parts
157   // of our subloops (they have already had their invariants hoisted out of
158   // their loop, into this loop, so there is no need to process the BODIES of
159   // the subloops).
160   //
161   std::vector<BasicBlock*> BBs(L->getBlocks().begin(), L->getBlocks().end());
162
163   // Remove blocks that are actually in subloops...
164   BBs.erase(std::remove_if(BBs.begin(), BBs.end(), 
165                            bind_obj(this, &LICM::notInCurrentLoop)), BBs.end());
166
167   // Visit all of the basic blocks we have chosen, hoisting out the instructions
168   // as neccesary.  This leaves dead copies of the instruction in the loop
169   // unfortunately...
170   //
171   for_each(BBs.begin(), BBs.end(), bind_obj(this, &LICM::visitBasicBlock));
172
173   // Clear out loops state information for the next iteration
174   CurLoop = 0;
175   LoopPreds.clear();
176   LoopBackEdges.clear();
177 }
178
179 void LICM::visitBasicBlock(BasicBlock *BB) {
180   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ) {
181     visit(*I);
182     
183     if (dceInstruction(I))
184       Changed = true;
185     else
186       ++I;
187   }
188 }
189
190
191 void LICM::hoist(Instruction &Inst) {
192   if (Inst.use_empty()) return;  // Don't (re) hoist dead instructions!
193   //cerr << "Hoisting " << Inst;
194
195   BasicBlock *Header = CurLoop->getHeader();
196
197   // Old instruction will be removed, so take it's name...
198   string InstName = Inst.getName();
199   Inst.setName("");
200
201   // The common case is that we have a pre-header.  Generate special case code
202   // that is faster if that is the case.
203   //
204   if (LoopPreds.size() == 1) {
205     BasicBlock *Pred = LoopPreds[0];
206
207     // Create a new copy of the instruction, for insertion into Pred.
208     Instruction *New = Inst.clone();
209     New->setName(InstName);
210
211     // Insert the new node in Pred, before the terminator.
212     Pred->getInstList().insert(--Pred->end(), New);
213
214     // Kill the old instruction...
215     Inst.replaceAllUsesWith(New);
216     ++NumHoistedPH;
217
218   } else {
219     // No loop pre-header, insert a PHI node into header to capture all of the
220     // incoming versions of the value.
221     //
222     PHINode *LoopVal = new PHINode(Inst.getType(), InstName+".phi");
223
224     // Insert the new PHI node into the loop header...
225     Header->getInstList().push_front(LoopVal);
226
227     // Insert cloned versions of the instruction into all of the loop preds.
228     for (unsigned i = 0, e = LoopPreds.size(); i != e; ++i) {
229       BasicBlock *Pred = LoopPreds[i];
230       
231       // Create a new copy of the instruction, for insertion into Pred.
232       Instruction *New = Inst.clone();
233       New->setName(InstName);
234
235       // Insert the new node in Pred, before the terminator.
236       Pred->getInstList().insert(--Pred->end(), New);
237
238       // Add the incoming value to the PHI node.
239       LoopVal->addIncoming(New, Pred);
240     }
241
242     // Add incoming values to the PHI node for all backedges in the loop...
243     for (unsigned i = 0, e = LoopBackEdges.size(); i != e; ++i)
244       LoopVal->addIncoming(LoopVal, LoopBackEdges[i]);
245
246     // Replace all uses of the old version of the instruction in the loop with
247     // the new version that is out of the loop.  We know that this is ok,
248     // because the new definition is in the loop header, which dominates the
249     // entire loop body.  The old definition was defined _inside_ of the loop,
250     // so the scope cannot extend outside of the loop, so we're ok.
251     //
252     Inst.replaceAllUsesWith(LoopVal);
253     ++NumHoistedNPH;
254   }
255
256   Changed = true;
257 }
258