lib/Transforms/Scalar/LoopUnrollPass.cpp

   1 //===-- LoopUnroll.cpp - Loop unroller pass -------------------------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This pass implements a simple loop unroller.  It works best when loops have
  11 // been canonicalized by the -indvars pass, allowing it to determine the trip
  12 // counts of loops easily.
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  16 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  17 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
  18 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  19 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  20 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
  21 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
  22 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  23 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  24 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  25 #include "llvm/Support/Debug.h"
  26 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  27 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  28 #include <climits>
  29
  30 using namespace llvm;
  31
  32 static cl::opt<unsigned>
  33 UnrollThreshold("unroll-threshold", cl::init(150), cl::Hidden,
  34   cl::desc("The cut-off point for automatic loop unrolling"));
  35
  36 static cl::opt<unsigned>
  37 UnrollCount("unroll-count", cl::init(0), cl::Hidden,
  38   cl::desc("Use this unroll count for all loops, for testing purposes"));
  39
  40 static cl::opt<bool>
  41 UnrollAllowPartial("unroll-allow-partial", cl::init(false), cl::Hidden,
  42   cl::desc("Allows loops to be partially unrolled until "
  43            "-unroll-threshold loop size is reached."));
  44
  45 static cl::opt<bool>
  46 UnrollRuntime("unroll-runtime", cl::ZeroOrMore, cl::init(false), cl::Hidden,
  47   cl::desc("Unroll loops with run-time trip counts"));
  48
  49 namespace {
  50   class LoopUnroll : public LoopPass {
  51   public:
  52     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
  53     LoopUnroll(int T = -1, int C = -1, int P = -1, int R = -1) : LoopPass(ID) {
  54       CurrentThreshold = (T == -1) ? UnrollThreshold : unsigned(T);
  55       CurrentCount = (C == -1) ? UnrollCount : unsigned(C);
  56       CurrentAllowPartial = (P == -1) ? UnrollAllowPartial : (bool)P;
  57       CurrentRuntime = (R == -1) ? UnrollRuntime : (bool)R;
  58
  59       UserThreshold = (T != -1) || (UnrollThreshold.getNumOccurrences() > 0);
  60       UserAllowPartial = (P != -1) ||
  61                          (UnrollAllowPartial.getNumOccurrences() > 0);
  62       UserRuntime = (R != -1) || (UnrollRuntime.getNumOccurrences() > 0);
  63       UserCount = (C != -1) || (UnrollCount.getNumOccurrences() > 0);
  64
  65       initializeLoopUnrollPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  66     }
  67
  68     /// A magic value for use with the Threshold parameter to indicate
  69     /// that the loop unroll should be performed regardless of how much
  70     /// code expansion would result.
  71     static const unsigned NoThreshold = UINT_MAX;
  72
  73     // Threshold to use when optsize is specified (and there is no
  74     // explicit -unroll-threshold).
  75     static const unsigned OptSizeUnrollThreshold = 50;
  76
  77     // Default unroll count for loops with run-time trip count if
  78     // -unroll-count is not set
  79     static const unsigned UnrollRuntimeCount = 8;
  80
  81     unsigned CurrentCount;
  82     unsigned CurrentThreshold;
  83     bool     CurrentAllowPartial;
  84     bool     CurrentRuntime;
  85     bool     UserCount;            // CurrentCount is user-specified.
  86     bool     UserThreshold;        // CurrentThreshold is user-specified.
  87     bool     UserAllowPartial;     // CurrentAllowPartial is user-specified.
  88     bool     UserRuntime;          // CurrentRuntime is user-specified.
  89
  90     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
  91
  92     /// This transformation requires natural loop information & requires that
  93     /// loop preheaders be inserted into the CFG...
  94     ///
  95     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
  96       AU.addRequired<LoopInfo>();
  97       AU.addPreserved<LoopInfo>();
  98       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
  99       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
 100       AU.addRequiredID(LCSSAID);
 101       AU.addPreservedID(LCSSAID);
 102       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 103       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
 104       AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
 105       // FIXME: Loop unroll requires LCSSA. And LCSSA requires dom info.
 106       // If loop unroll does not preserve dom info then LCSSA pass on next
 107       // loop will receive invalid dom info.
 108       // For now, recreate dom info, if loop is unrolled.
 109       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
 110     }
 111   };
 112 }
 113
 114 char LoopUnroll::ID = 0;
 115 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 116 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
 117 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
 118 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
 119 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
 120 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
 121 INITIALIZE_PASS_END(LoopUnroll, "loop-unroll", "Unroll loops", false, false)
 122
 123 Pass *llvm::createLoopUnrollPass(int Threshold, int Count, int AllowPartial,
 124                                  int Runtime) {
 125   return new LoopUnroll(Threshold, Count, AllowPartial, Runtime);
 126 }
 127
 128 Pass *llvm::createSimpleLoopUnrollPass() {
 129   return llvm::createLoopUnrollPass(-1, -1, 0, 0);
 130 }
 131
 132 /// ApproximateLoopSize - Approximate the size of the loop.
 133 static unsigned ApproximateLoopSize(const Loop *L, unsigned &NumCalls,
 134                                     bool &NotDuplicatable,
 135                                     const TargetTransformInfo &TTI) {
 136   CodeMetrics Metrics;
 137   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
 138        I != E; ++I)
 139     Metrics.analyzeBasicBlock(*I, TTI);
 140   NumCalls = Metrics.NumInlineCandidates;
 141   NotDuplicatable = Metrics.notDuplicatable;
 142
 143   unsigned LoopSize = Metrics.NumInsts;
 144
 145   // Don't allow an estimate of size zero.  This would allows unrolling of loops
 146   // with huge iteration counts, which is a compile time problem even if it's
 147   // not a problem for code quality.
 148   if (LoopSize == 0) LoopSize = 1;
 149
 150   return LoopSize;
 151 }
 152
 153 bool LoopUnroll::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
 154   if (skipOptnoneFunction(L))
 155     return false;
 156
 157   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
 158   ScalarEvolution *SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 159   const TargetTransformInfo &TTI = getAnalysis<TargetTransformInfo>();
 160
 161   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 162   DEBUG(dbgs() << "Loop Unroll: F[" << Header->getParent()->getName()
 163         << "] Loop %" << Header->getName() << "\n");
 164   (void)Header;
 165
 166   TargetTransformInfo::UnrollingPreferences UP;
 167   UP.Threshold = CurrentThreshold;
 168   UP.OptSizeThreshold = OptSizeUnrollThreshold;
 169   UP.Count = CurrentCount;
 170   UP.Partial = CurrentAllowPartial;
 171   UP.Runtime = CurrentRuntime;
 172   TTI.getUnrollingPreferences(L, UP);
 173
 174   // Determine the current unrolling threshold.  While this is normally set
 175   // from UnrollThreshold, it is overridden to a smaller value if the current
 176   // function is marked as optimize-for-size, and the unroll threshold was
 177   // not user specified.
 178   unsigned Threshold = UserThreshold ? CurrentThreshold : UP.Threshold;
 179   if (!UserThreshold &&
 180       Header->getParent()->getAttributes().
 181         hasAttribute(AttributeSet::FunctionIndex,
 182                      Attribute::OptimizeForSize))
 183     Threshold = UP.OptSizeThreshold;
 184
 185   // Find trip count and trip multiple if count is not available
 186   unsigned TripCount = 0;
 187   unsigned TripMultiple = 1;
 188   // Find "latch trip count". UnrollLoop assumes that control cannot exit
 189   // via the loop latch on any iteration prior to TripCount. The loop may exit
 190   // early via an earlier branch.
 191   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
 192   if (LatchBlock) {
 193     TripCount = SE->getSmallConstantTripCount(L, LatchBlock);
 194     TripMultiple = SE->getSmallConstantTripMultiple(L, LatchBlock);
 195   }
 196
 197   bool Runtime = UserRuntime ? CurrentRuntime : UP.Runtime;
 198
 199   // Use a default unroll-count if the user doesn't specify a value
 200   // and the trip count is a run-time value.  The default is different
 201   // for run-time or compile-time trip count loops.
 202   unsigned Count = UserCount ? CurrentCount : UP.Count;
 203   if (Runtime && Count == 0 && TripCount == 0)
 204     Count = UnrollRuntimeCount;
 205
 206   if (Count == 0) {
 207     // Conservative heuristic: if we know the trip count, see if we can
 208     // completely unroll (subject to the threshold, checked below); otherwise
 209     // try to find greatest modulo of the trip count which is still under
 210     // threshold value.
 211     if (TripCount == 0)
 212       return false;
 213     Count = TripCount;
 214   }
 215
 216   // Enforce the threshold.
 217   if (Threshold != NoThreshold) {
 218     unsigned NumInlineCandidates;
 219     bool notDuplicatable;
 220     unsigned LoopSize = ApproximateLoopSize(L, NumInlineCandidates,
 221                                             notDuplicatable, TTI);
 222     DEBUG(dbgs() << "  Loop Size = " << LoopSize << "\n");
 223     if (notDuplicatable) {
 224       DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop which contains non-duplicatable"
 225             << " instructions.\n");
 226       return false;
 227     }
 228     if (NumInlineCandidates != 0) {
 229       DEBUG(dbgs() << "  Not unrolling loop with inlinable calls.\n");
 230       return false;
 231     }
 232     uint64_t Size = (uint64_t)LoopSize*Count;
 233     if (TripCount != 1 && Size > Threshold) {
 234       DEBUG(dbgs() << "  Too large to fully unroll with count: " << Count
 235             << " because size: " << Size << ">" << Threshold << "\n");
 236       bool AllowPartial = UserAllowPartial ? CurrentAllowPartial : UP.Partial;
 237       if (!AllowPartial && !(Runtime && TripCount == 0)) {
 238         DEBUG(dbgs() << "  will not try to unroll partially because "
 239               << "-unroll-allow-partial not given\n");
 240         return false;
 241       }
 242       if (TripCount) {
 243         // Reduce unroll count to be modulo of TripCount for partial unrolling
 244         Count = Threshold / LoopSize;
 245         while (Count != 0 && TripCount%Count != 0)
 246           Count--;
 247       }
 248       else if (Runtime) {
 249         // Reduce unroll count to be a lower power-of-two value
 250         while (Count != 0 && Size > Threshold) {
 251           Count >>= 1;
 252           Size = LoopSize*Count;
 253         }
 254       }
 255       if (Count < 2) {
 256         DEBUG(dbgs() << "  could not unroll partially\n");
 257         return false;
 258       }
 259       DEBUG(dbgs() << "  partially unrolling with count: " << Count << "\n");
 260     }
 261   }
 262
 263   // Unroll the loop.
 264   if (!UnrollLoop(L, Count, TripCount, Runtime, TripMultiple, LI, this, &LPM))
 265     return false;
 266
 267   return true;
 268 }