Disable codegen prepare critical edge splitting. Machine instruction passes now
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopUnswitch.cpp
1 //===-- LoopUnswitch.cpp - Hoist loop-invariant conditionals in loop ------===//
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 transforms loops that contain branches on loop-invariant conditions
11 // to have multiple loops.  For example, it turns the left into the right code:
12 //
13 //  for (...)                  if (lic)
14 //    A                          for (...)
15 //    if (lic)                     A; B; C
16 //      B                      else
17 //    C                          for (...)
18 //                                 A; C
19 //
20 // This can increase the size of the code exponentially (doubling it every time
21 // a loop is unswitched) so we only unswitch if the resultant code will be
22 // smaller than a threshold.
23 //
24 // This pass expects LICM to be run before it to hoist invariant conditions out
25 // of the loop, to make the unswitching opportunity obvious.
26 //
27 //===----------------------------------------------------------------------===//
28
29 #define DEBUG_TYPE "loop-unswitch"
30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
31 #include "llvm/Constants.h"
32 #include "llvm/DerivedTypes.h"
33 #include "llvm/Function.h"
34 #include "llvm/Instructions.h"
35 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
36 #include "llvm/Analysis/InlineCost.h"
37 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
43 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
44 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
45 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
46 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
47 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include <algorithm>
51 #include <set>
52 using namespace llvm;
53
54 STATISTIC(NumBranches, "Number of branches unswitched");
55 STATISTIC(NumSwitches, "Number of switches unswitched");
56 STATISTIC(NumSelects , "Number of selects unswitched");
57 STATISTIC(NumTrivial , "Number of unswitches that are trivial");
58 STATISTIC(NumSimplify, "Number of simplifications of unswitched code");
59
60 // The specific value of 50 here was chosen based only on intuition and a
61 // few specific examples.
62 static cl::opt<unsigned>
63 Threshold("loop-unswitch-threshold", cl::desc("Max loop size to unswitch"),
64           cl::init(50), cl::Hidden);
65   
66 namespace {
67   class LoopUnswitch : public LoopPass {
68     LoopInfo *LI;  // Loop information
69     LPPassManager *LPM;
70
71     // LoopProcessWorklist - Used to check if second loop needs processing
72     // after RewriteLoopBodyWithConditionConstant rewrites first loop.
73     std::vector<Loop*> LoopProcessWorklist;
74     SmallPtrSet<Value *,8> UnswitchedVals;
75     
76     bool OptimizeForSize;
77     bool redoLoop;
78
79     Loop *currentLoop;
80     DominatorTree *DT;
81     BasicBlock *loopHeader;
82     BasicBlock *loopPreheader;
83     
84     // LoopBlocks contains all of the basic blocks of the loop, including the
85     // preheader of the loop, the body of the loop, and the exit blocks of the 
86     // loop, in that order.
87     std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
88     // NewBlocks contained cloned copy of basic blocks from LoopBlocks.
89     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
90
91   public:
92     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
93     explicit LoopUnswitch(bool Os = false) : 
94       LoopPass(ID), OptimizeForSize(Os), redoLoop(false), 
95       currentLoop(NULL), DT(NULL), loopHeader(NULL),
96       loopPreheader(NULL) {}
97
98     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
99     bool processCurrentLoop();
100
101     /// This transformation requires natural loop information & requires that
102     /// loop preheaders be inserted into the CFG.
103     ///
104     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
105       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
106       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
107       AU.addRequired<LoopInfo>();
108       AU.addPreserved<LoopInfo>();
109       AU.addRequiredID(LCSSAID);
110       AU.addPreservedID(LCSSAID);
111       AU.addPreserved<DominatorTree>();
112     }
113
114   private:
115
116     virtual void releaseMemory() {
117       UnswitchedVals.clear();
118     }
119
120     /// RemoveLoopFromWorklist - If the specified loop is on the loop worklist,
121     /// remove it.
122     void RemoveLoopFromWorklist(Loop *L) {
123       std::vector<Loop*>::iterator I = std::find(LoopProcessWorklist.begin(),
124                                                  LoopProcessWorklist.end(), L);
125       if (I != LoopProcessWorklist.end())
126         LoopProcessWorklist.erase(I);
127     }
128
129     void initLoopData() {
130       loopHeader = currentLoop->getHeader();
131       loopPreheader = currentLoop->getLoopPreheader();
132     }
133
134     /// Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.
135     /// Update the appropriate Phi nodes as we do so.
136     void SplitExitEdges(Loop *L, const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks);
137
138     bool UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val);
139     void UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, Constant *Val,
140                                   BasicBlock *ExitBlock);
141     void UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *OnVal, Loop *L);
142
143     void RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
144                                               Constant *Val, bool isEqual);
145
146     void EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
147                                         BasicBlock *TrueDest, 
148                                         BasicBlock *FalseDest,
149                                         Instruction *InsertPt);
150
151     void SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L);
152     void RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
153                            std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *l);
154     void RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L);
155     bool IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val = 0,
156                                     BasicBlock **LoopExit = 0);
157
158   };
159 }
160 char LoopUnswitch::ID = 0;
161 INITIALIZE_PASS(LoopUnswitch, "loop-unswitch", "Unswitch loops", false, false);
162
163 Pass *llvm::createLoopUnswitchPass(bool Os) { 
164   return new LoopUnswitch(Os); 
165 }
166
167 /// FindLIVLoopCondition - Cond is a condition that occurs in L.  If it is
168 /// invariant in the loop, or has an invariant piece, return the invariant.
169 /// Otherwise, return null.
170 static Value *FindLIVLoopCondition(Value *Cond, Loop *L, bool &Changed) {
171   // We can never unswitch on vector conditions.
172   if (Cond->getType()->isVectorTy())
173     return 0;
174
175   // Constants should be folded, not unswitched on!
176   if (isa<Constant>(Cond)) return 0;
177
178   // TODO: Handle: br (VARIANT|INVARIANT).
179
180   // Hoist simple values out.
181   if (L->makeLoopInvariant(Cond, Changed))
182     return Cond;
183
184   if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond))
185     if (BO->getOpcode() == Instruction::And ||
186         BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
187       // If either the left or right side is invariant, we can unswitch on this,
188       // which will cause the branch to go away in one loop and the condition to
189       // simplify in the other one.
190       if (Value *LHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(0), L, Changed))
191         return LHS;
192       if (Value *RHS = FindLIVLoopCondition(BO->getOperand(1), L, Changed))
193         return RHS;
194     }
195   
196   return 0;
197 }
198
199 bool LoopUnswitch::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM_Ref) {
200   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
201   LPM = &LPM_Ref;
202   DT = getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
203   currentLoop = L;
204   Function *F = currentLoop->getHeader()->getParent();
205   bool Changed = false;
206   do {
207     assert(currentLoop->isLCSSAForm(*DT));
208     redoLoop = false;
209     Changed |= processCurrentLoop();
210   } while(redoLoop);
211
212   if (Changed) {
213     // FIXME: Reconstruct dom info, because it is not preserved properly.
214     if (DT)
215       DT->runOnFunction(*F);
216   }
217   return Changed;
218 }
219
220 /// processCurrentLoop - Do actual work and unswitch loop if possible 
221 /// and profitable.
222 bool LoopUnswitch::processCurrentLoop() {
223   bool Changed = false;
224   LLVMContext &Context = currentLoop->getHeader()->getContext();
225
226   // Loop over all of the basic blocks in the loop.  If we find an interior
227   // block that is branching on a loop-invariant condition, we can unswitch this
228   // loop.
229   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
230          E = currentLoop->block_end(); I != E; ++I) {
231     TerminatorInst *TI = (*I)->getTerminator();
232     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI)) {
233       // If this isn't branching on an invariant condition, we can't unswitch
234       // it.
235       if (BI->isConditional()) {
236         // See if this, or some part of it, is loop invariant.  If so, we can
237         // unswitch on it if we desire.
238         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(BI->getCondition(), 
239                                                currentLoop, Changed);
240         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
241                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
242           ++NumBranches;
243           return true;
244         }
245       }      
246     } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
247       Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
248                                              currentLoop, Changed);
249       if (LoopCond && SI->getNumCases() > 1) {
250         // Find a value to unswitch on:
251         // FIXME: this should chose the most expensive case!
252         Constant *UnswitchVal = SI->getCaseValue(1);
253         // Do not process same value again and again.
254         if (!UnswitchedVals.insert(UnswitchVal))
255           continue;
256
257         if (UnswitchIfProfitable(LoopCond, UnswitchVal)) {
258           ++NumSwitches;
259           return true;
260         }
261       }
262     }
263     
264     // Scan the instructions to check for unswitchable values.
265     for (BasicBlock::iterator BBI = (*I)->begin(), E = (*I)->end(); 
266          BBI != E; ++BBI)
267       if (SelectInst *SI = dyn_cast<SelectInst>(BBI)) {
268         Value *LoopCond = FindLIVLoopCondition(SI->getCondition(), 
269                                                currentLoop, Changed);
270         if (LoopCond && UnswitchIfProfitable(LoopCond, 
271                                              ConstantInt::getTrue(Context))) {
272           ++NumSelects;
273           return true;
274         }
275       }
276   }
277   return Changed;
278 }
279
280 /// isTrivialLoopExitBlock - Check to see if all paths from BB exit the
281 /// loop with no side effects (including infinite loops).
282 ///
283 /// If true, we return true and set ExitBB to the block we
284 /// exit through.
285 ///
286 static bool isTrivialLoopExitBlockHelper(Loop *L, BasicBlock *BB,
287                                          BasicBlock *&ExitBB,
288                                          std::set<BasicBlock*> &Visited) {
289   if (!Visited.insert(BB).second) {
290     // Already visited. Without more analysis, this could indicate an infinte loop.
291     return false;
292   } else if (!L->contains(BB)) {
293     // Otherwise, this is a loop exit, this is fine so long as this is the
294     // first exit.
295     if (ExitBB != 0) return false;
296     ExitBB = BB;
297     return true;
298   }
299   
300   // Otherwise, this is an unvisited intra-loop node.  Check all successors.
301   for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), E = succ_end(BB); SI != E; ++SI) {
302     // Check to see if the successor is a trivial loop exit.
303     if (!isTrivialLoopExitBlockHelper(L, *SI, ExitBB, Visited))
304       return false;
305   }
306
307   // Okay, everything after this looks good, check to make sure that this block
308   // doesn't include any side effects.
309   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
310     if (I->mayHaveSideEffects())
311       return false;
312   
313   return true;
314 }
315
316 /// isTrivialLoopExitBlock - Return true if the specified block unconditionally
317 /// leads to an exit from the specified loop, and has no side-effects in the 
318 /// process.  If so, return the block that is exited to, otherwise return null.
319 static BasicBlock *isTrivialLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *BB) {
320   std::set<BasicBlock*> Visited;
321   Visited.insert(L->getHeader());  // Branches to header make infinite loops.
322   BasicBlock *ExitBB = 0;
323   if (isTrivialLoopExitBlockHelper(L, BB, ExitBB, Visited))
324     return ExitBB;
325   return 0;
326 }
327
328 /// IsTrivialUnswitchCondition - Check to see if this unswitch condition is
329 /// trivial: that is, that the condition controls whether or not the loop does
330 /// anything at all.  If this is a trivial condition, unswitching produces no
331 /// code duplications (equivalently, it produces a simpler loop and a new empty
332 /// loop, which gets deleted).
333 ///
334 /// If this is a trivial condition, return true, otherwise return false.  When
335 /// returning true, this sets Cond and Val to the condition that controls the
336 /// trivial condition: when Cond dynamically equals Val, the loop is known to
337 /// exit.  Finally, this sets LoopExit to the BB that the loop exits to when
338 /// Cond == Val.
339 ///
340 bool LoopUnswitch::IsTrivialUnswitchCondition(Value *Cond, Constant **Val,
341                                        BasicBlock **LoopExit) {
342   BasicBlock *Header = currentLoop->getHeader();
343   TerminatorInst *HeaderTerm = Header->getTerminator();
344   LLVMContext &Context = Header->getContext();
345   
346   BasicBlock *LoopExitBB = 0;
347   if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(HeaderTerm)) {
348     // If the header block doesn't end with a conditional branch on Cond, we
349     // can't handle it.
350     if (!BI->isConditional() || BI->getCondition() != Cond)
351       return false;
352   
353     // Check to see if a successor of the branch is guaranteed to 
354     // exit through a unique exit block without having any 
355     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
356     // this.
357     if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
358                                              BI->getSuccessor(0)))) {
359       if (Val) *Val = ConstantInt::getTrue(Context);
360     } else if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
361                                                     BI->getSuccessor(1)))) {
362       if (Val) *Val = ConstantInt::getFalse(Context);
363     }
364   } else if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(HeaderTerm)) {
365     // If this isn't a switch on Cond, we can't handle it.
366     if (SI->getCondition() != Cond) return false;
367     
368     // Check to see if a successor of the switch is guaranteed to go to the
369     // latch block or exit through a one exit block without having any 
370     // side-effects.  If so, determine the value of Cond that causes it to do
371     // this.  Note that we can't trivially unswitch on the default case.
372     for (unsigned i = 1, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
373       if ((LoopExitBB = isTrivialLoopExitBlock(currentLoop, 
374                                                SI->getSuccessor(i)))) {
375         // Okay, we found a trivial case, remember the value that is trivial.
376         if (Val) *Val = SI->getCaseValue(i);
377         break;
378       }
379   }
380
381   // If we didn't find a single unique LoopExit block, or if the loop exit block
382   // contains phi nodes, this isn't trivial.
383   if (!LoopExitBB || isa<PHINode>(LoopExitBB->begin()))
384     return false;   // Can't handle this.
385   
386   if (LoopExit) *LoopExit = LoopExitBB;
387   
388   // We already know that nothing uses any scalar values defined inside of this
389   // loop.  As such, we just have to check to see if this loop will execute any
390   // side-effecting instructions (e.g. stores, calls, volatile loads) in the
391   // part of the loop that the code *would* execute.  We already checked the
392   // tail, check the header now.
393   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(), E = Header->end(); I != E; ++I)
394     if (I->mayHaveSideEffects())
395       return false;
396   return true;
397 }
398
399 /// UnswitchIfProfitable - We have found that we can unswitch currentLoop when
400 /// LoopCond == Val to simplify the loop.  If we decide that this is profitable,
401 /// unswitch the loop, reprocess the pieces, then return true.
402 bool LoopUnswitch::UnswitchIfProfitable(Value *LoopCond, Constant *Val) {
403
404   initLoopData();
405
406   // If LoopSimplify was unable to form a preheader, don't do any unswitching.
407   if (!loopPreheader)
408     return false;
409
410   Function *F = loopHeader->getParent();
411
412   Constant *CondVal = 0;
413   BasicBlock *ExitBlock = 0;
414   if (IsTrivialUnswitchCondition(LoopCond, &CondVal, &ExitBlock)) {
415     // If the condition is trivial, always unswitch. There is no code growth
416     // for this case.
417     UnswitchTrivialCondition(currentLoop, LoopCond, CondVal, ExitBlock);
418     return true;
419   }
420
421   // Check to see if it would be profitable to unswitch current loop.
422
423   // Do not do non-trivial unswitch while optimizing for size.
424   if (OptimizeForSize || F->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
425     return false;
426
427   // FIXME: This is overly conservative because it does not take into
428   // consideration code simplification opportunities and code that can
429   // be shared by the resultant unswitched loops.
430   CodeMetrics Metrics;
431   for (Loop::block_iterator I = currentLoop->block_begin(), 
432          E = currentLoop->block_end();
433        I != E; ++I)
434     Metrics.analyzeBasicBlock(*I);
435
436   // Limit the number of instructions to avoid causing significant code
437   // expansion, and the number of basic blocks, to avoid loops with
438   // large numbers of branches which cause loop unswitching to go crazy.
439   // This is a very ad-hoc heuristic.
440   if (Metrics.NumInsts > Threshold ||
441       Metrics.NumBlocks * 5 > Threshold ||
442       Metrics.containsIndirectBr || Metrics.isRecursive) {
443     DEBUG(dbgs() << "NOT unswitching loop %"
444           << currentLoop->getHeader()->getName() << ", cost too high: "
445           << currentLoop->getBlocks().size() << "\n");
446     return false;
447   }
448
449   UnswitchNontrivialCondition(LoopCond, Val, currentLoop);
450   return true;
451 }
452
453 // RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
454 // current values into those specified by VMap.
455 //
456 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
457                                     ValueMap<const Value *, Value*> &VMap) {
458   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
459     Value *Op = I->getOperand(op);
460     ValueMap<const Value *, Value*>::iterator It = VMap.find(Op);
461     if (It != VMap.end()) Op = It->second;
462     I->setOperand(op, Op);
463   }
464 }
465
466 /// CloneLoop - Recursively clone the specified loop and all of its children,
467 /// mapping the blocks with the specified map.
468 static Loop *CloneLoop(Loop *L, Loop *PL, ValueMap<const Value*, Value*> &VM,
469                        LoopInfo *LI, LPPassManager *LPM) {
470   Loop *New = new Loop();
471   LPM->insertLoop(New, PL);
472
473   // Add all of the blocks in L to the new loop.
474   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
475        I != E; ++I)
476     if (LI->getLoopFor(*I) == L)
477       New->addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[*I]), LI->getBase());
478
479   // Add all of the subloops to the new loop.
480   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
481     CloneLoop(*I, New, VM, LI, LPM);
482
483   return New;
484 }
485
486 /// EmitPreheaderBranchOnCondition - Emit a conditional branch on two values
487 /// if LIC == Val, branch to TrueDst, otherwise branch to FalseDest.  Insert the
488 /// code immediately before InsertPt.
489 void LoopUnswitch::EmitPreheaderBranchOnCondition(Value *LIC, Constant *Val,
490                                                   BasicBlock *TrueDest,
491                                                   BasicBlock *FalseDest,
492                                                   Instruction *InsertPt) {
493   // Insert a conditional branch on LIC to the two preheaders.  The original
494   // code is the true version and the new code is the false version.
495   Value *BranchVal = LIC;
496   if (!isa<ConstantInt>(Val) ||
497       Val->getType() != Type::getInt1Ty(LIC->getContext()))
498     BranchVal = new ICmpInst(InsertPt, ICmpInst::ICMP_EQ, LIC, Val, "tmp");
499   else if (Val != ConstantInt::getTrue(Val->getContext()))
500     // We want to enter the new loop when the condition is true.
501     std::swap(TrueDest, FalseDest);
502
503   // Insert the new branch.
504   BranchInst *BI = BranchInst::Create(TrueDest, FalseDest, BranchVal, InsertPt);
505
506   // If either edge is critical, split it. This helps preserve LoopSimplify
507   // form for enclosing loops.
508   SplitCriticalEdge(BI, 0, this);
509   SplitCriticalEdge(BI, 1, this);
510 }
511
512 /// UnswitchTrivialCondition - Given a loop that has a trivial unswitchable
513 /// condition in it (a cond branch from its header block to its latch block,
514 /// where the path through the loop that doesn't execute its body has no 
515 /// side-effects), unswitch it.  This doesn't involve any code duplication, just
516 /// moving the conditional branch outside of the loop and updating loop info.
517 void LoopUnswitch::UnswitchTrivialCondition(Loop *L, Value *Cond, 
518                                             Constant *Val, 
519                                             BasicBlock *ExitBlock) {
520   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Trivial-Unswitch loop %"
521         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
522         << " blocks] in Function " << L->getHeader()->getParent()->getName()
523         << " on cond: " << *Val << " == " << *Cond << "\n");
524   
525   // First step, split the preheader, so that we know that there is a safe place
526   // to insert the conditional branch.  We will change loopPreheader to have a
527   // conditional branch on Cond.
528   BasicBlock *NewPH = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
529
530   // Now that we have a place to insert the conditional branch, create a place
531   // to branch to: this is the exit block out of the loop that we should
532   // short-circuit to.
533   
534   // Split this block now, so that the loop maintains its exit block, and so
535   // that the jump from the preheader can execute the contents of the exit block
536   // without actually branching to it (the exit block should be dominated by the
537   // loop header, not the preheader).
538   assert(!L->contains(ExitBlock) && "Exit block is in the loop?");
539   BasicBlock *NewExit = SplitBlock(ExitBlock, ExitBlock->begin(), this);
540     
541   // Okay, now we have a position to branch from and a position to branch to, 
542   // insert the new conditional branch.
543   EmitPreheaderBranchOnCondition(Cond, Val, NewExit, NewPH, 
544                                  loopPreheader->getTerminator());
545   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(loopPreheader->getTerminator(), L);
546   loopPreheader->getTerminator()->eraseFromParent();
547
548   // We need to reprocess this loop, it could be unswitched again.
549   redoLoop = true;
550   
551   // Now that we know that the loop is never entered when this condition is a
552   // particular value, rewrite the loop with this info.  We know that this will
553   // at least eliminate the old branch.
554   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, Cond, Val, false);
555   ++NumTrivial;
556 }
557
558 /// SplitExitEdges - Split all of the edges from inside the loop to their exit
559 /// blocks.  Update the appropriate Phi nodes as we do so.
560 void LoopUnswitch::SplitExitEdges(Loop *L, 
561                                 const SmallVector<BasicBlock *, 8> &ExitBlocks){
562
563   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
564     BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[i];
565     SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds(pred_begin(ExitBlock),
566                                        pred_end(ExitBlock));
567     SplitBlockPredecessors(ExitBlock, Preds.data(), Preds.size(),
568                            ".us-lcssa", this);
569   }
570 }
571
572 /// UnswitchNontrivialCondition - We determined that the loop is profitable 
573 /// to unswitch when LIC equal Val.  Split it into loop versions and test the 
574 /// condition outside of either loop.  Return the loops created as Out1/Out2.
575 void LoopUnswitch::UnswitchNontrivialCondition(Value *LIC, Constant *Val, 
576                                                Loop *L) {
577   Function *F = loopHeader->getParent();
578   DEBUG(dbgs() << "loop-unswitch: Unswitching loop %"
579         << loopHeader->getName() << " [" << L->getBlocks().size()
580         << " blocks] in Function " << F->getName()
581         << " when '" << *Val << "' == " << *LIC << "\n");
582
583   LoopBlocks.clear();
584   NewBlocks.clear();
585
586   // First step, split the preheader and exit blocks, and add these blocks to
587   // the LoopBlocks list.
588   BasicBlock *NewPreheader = SplitEdge(loopPreheader, loopHeader, this);
589   LoopBlocks.push_back(NewPreheader);
590
591   // We want the loop to come after the preheader, but before the exit blocks.
592   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), L->block_begin(), L->block_end());
593
594   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
595   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
596
597   // Split all of the edges from inside the loop to their exit blocks.  Update
598   // the appropriate Phi nodes as we do so.
599   SplitExitEdges(L, ExitBlocks);
600
601   // The exit blocks may have been changed due to edge splitting, recompute.
602   ExitBlocks.clear();
603   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
604
605   // Add exit blocks to the loop blocks.
606   LoopBlocks.insert(LoopBlocks.end(), ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
607
608   // Next step, clone all of the basic blocks that make up the loop (including
609   // the loop preheader and exit blocks), keeping track of the mapping between
610   // the instructions and blocks.
611   NewBlocks.reserve(LoopBlocks.size());
612   ValueMap<const Value*, Value*> VMap;
613   for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
614     BasicBlock *NewBB = CloneBasicBlock(LoopBlocks[i], VMap, ".us", F);
615     NewBlocks.push_back(NewBB);
616     VMap[LoopBlocks[i]] = NewBB;  // Keep the BB mapping.
617     LPM->cloneBasicBlockSimpleAnalysis(LoopBlocks[i], NewBB, L);
618   }
619
620   // Splice the newly inserted blocks into the function right before the
621   // original preheader.
622   F->getBasicBlockList().splice(NewPreheader, F->getBasicBlockList(),
623                                 NewBlocks[0], F->end());
624
625   // Now we create the new Loop object for the versioned loop.
626   Loop *NewLoop = CloneLoop(L, L->getParentLoop(), VMap, LI, LPM);
627   Loop *ParentLoop = L->getParentLoop();
628   if (ParentLoop) {
629     // Make sure to add the cloned preheader and exit blocks to the parent loop
630     // as well.
631     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(NewBlocks[0], LI->getBase());
632   }
633   
634   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
635     BasicBlock *NewExit = cast<BasicBlock>(VMap[ExitBlocks[i]]);
636     // The new exit block should be in the same loop as the old one.
637     if (Loop *ExitBBLoop = LI->getLoopFor(ExitBlocks[i]))
638       ExitBBLoop->addBasicBlockToLoop(NewExit, LI->getBase());
639     
640     assert(NewExit->getTerminator()->getNumSuccessors() == 1 &&
641            "Exit block should have been split to have one successor!");
642     BasicBlock *ExitSucc = NewExit->getTerminator()->getSuccessor(0);
643
644     // If the successor of the exit block had PHI nodes, add an entry for
645     // NewExit.
646     PHINode *PN;
647     for (BasicBlock::iterator I = ExitSucc->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
648       PN = cast<PHINode>(I);
649       Value *V = PN->getIncomingValueForBlock(ExitBlocks[i]);
650       ValueMap<const Value *, Value*>::iterator It = VMap.find(V);
651       if (It != VMap.end()) V = It->second;
652       PN->addIncoming(V, NewExit);
653     }
654   }
655
656   // Rewrite the code to refer to itself.
657   for (unsigned i = 0, e = NewBlocks.size(); i != e; ++i)
658     for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
659            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
660       RemapInstruction(I, VMap);
661   
662   // Rewrite the original preheader to select between versions of the loop.
663   BranchInst *OldBR = cast<BranchInst>(loopPreheader->getTerminator());
664   assert(OldBR->isUnconditional() && OldBR->getSuccessor(0) == LoopBlocks[0] &&
665          "Preheader splitting did not work correctly!");
666
667   // Emit the new branch that selects between the two versions of this loop.
668   EmitPreheaderBranchOnCondition(LIC, Val, NewBlocks[0], LoopBlocks[0], OldBR);
669   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(OldBR, L);
670   OldBR->eraseFromParent();
671
672   LoopProcessWorklist.push_back(NewLoop);
673   redoLoop = true;
674
675   // Keep a WeakVH holding onto LIC.  If the first call to RewriteLoopBody
676   // deletes the instruction (for example by simplifying a PHI that feeds into
677   // the condition that we're unswitching on), we don't rewrite the second
678   // iteration.
679   WeakVH LICHandle(LIC);
680   
681   // Now we rewrite the original code to know that the condition is true and the
682   // new code to know that the condition is false.
683   RewriteLoopBodyWithConditionConstant(L, LIC, Val, false);
684
685   // It's possible that simplifying one loop could cause the other to be
686   // changed to another value or a constant.  If its a constant, don't simplify
687   // it.
688   if (!LoopProcessWorklist.empty() && LoopProcessWorklist.back() == NewLoop &&
689       LICHandle && !isa<Constant>(LICHandle))
690     RewriteLoopBodyWithConditionConstant(NewLoop, LICHandle, Val, true);
691 }
692
693 /// RemoveFromWorklist - Remove all instances of I from the worklist vector
694 /// specified.
695 static void RemoveFromWorklist(Instruction *I, 
696                                std::vector<Instruction*> &Worklist) {
697   std::vector<Instruction*>::iterator WI = std::find(Worklist.begin(),
698                                                      Worklist.end(), I);
699   while (WI != Worklist.end()) {
700     unsigned Offset = WI-Worklist.begin();
701     Worklist.erase(WI);
702     WI = std::find(Worklist.begin()+Offset, Worklist.end(), I);
703   }
704 }
705
706 /// ReplaceUsesOfWith - When we find that I really equals V, remove I from the
707 /// program, replacing all uses with V and update the worklist.
708 static void ReplaceUsesOfWith(Instruction *I, Value *V, 
709                               std::vector<Instruction*> &Worklist,
710                               Loop *L, LPPassManager *LPM) {
711   DEBUG(dbgs() << "Replace with '" << *V << "': " << *I);
712
713   // Add uses to the worklist, which may be dead now.
714   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
715     if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
716       Worklist.push_back(Use);
717
718   // Add users to the worklist which may be simplified now.
719   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
720        UI != E; ++UI)
721     Worklist.push_back(cast<Instruction>(*UI));
722   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
723   RemoveFromWorklist(I, Worklist);
724   I->replaceAllUsesWith(V);
725   I->eraseFromParent();
726   ++NumSimplify;
727 }
728
729 /// RemoveBlockIfDead - If the specified block is dead, remove it, update loop
730 /// information, and remove any dead successors it has.
731 ///
732 void LoopUnswitch::RemoveBlockIfDead(BasicBlock *BB,
733                                      std::vector<Instruction*> &Worklist,
734                                      Loop *L) {
735   if (pred_begin(BB) != pred_end(BB)) {
736     // This block isn't dead, since an edge to BB was just removed, see if there
737     // are any easy simplifications we can do now.
738     if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor()) {
739       // If it has one pred, fold phi nodes in BB.
740       while (isa<PHINode>(BB->begin()))
741         ReplaceUsesOfWith(BB->begin(), 
742                           cast<PHINode>(BB->begin())->getIncomingValue(0), 
743                           Worklist, L, LPM);
744       
745       // If this is the header of a loop and the only pred is the latch, we now
746       // have an unreachable loop.
747       if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
748         if (loopHeader == BB && L->contains(Pred)) {
749           // Remove the branch from the latch to the header block, this makes
750           // the header dead, which will make the latch dead (because the header
751           // dominates the latch).
752           LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Pred->getTerminator(), L);
753           Pred->getTerminator()->eraseFromParent();
754           new UnreachableInst(BB->getContext(), Pred);
755           
756           // The loop is now broken, remove it from LI.
757           RemoveLoopFromHierarchy(L);
758           
759           // Reprocess the header, which now IS dead.
760           RemoveBlockIfDead(BB, Worklist, L);
761           return;
762         }
763       
764       // If pred ends in a uncond branch, add uncond branch to worklist so that
765       // the two blocks will get merged.
766       if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Pred->getTerminator()))
767         if (BI->isUnconditional())
768           Worklist.push_back(BI);
769     }
770     return;
771   }
772
773   DEBUG(dbgs() << "Nuking dead block: " << *BB);
774   
775   // Remove the instructions in the basic block from the worklist.
776   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
777     RemoveFromWorklist(I, Worklist);
778     
779     // Anything that uses the instructions in this basic block should have their
780     // uses replaced with undefs.
781     // If I is not void type then replaceAllUsesWith undef.
782     // This allows ValueHandlers and custom metadata to adjust itself.
783     if (!I->getType()->isVoidTy())
784       I->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(I->getType()));
785   }
786   
787   // If this is the edge to the header block for a loop, remove the loop and
788   // promote all subloops.
789   if (Loop *BBLoop = LI->getLoopFor(BB)) {
790     if (BBLoop->getLoopLatch() == BB)
791       RemoveLoopFromHierarchy(BBLoop);
792   }
793
794   // Remove the block from the loop info, which removes it from any loops it
795   // was in.
796   LI->removeBlock(BB);
797   
798   
799   // Remove phi node entries in successors for this block.
800   TerminatorInst *TI = BB->getTerminator();
801   SmallVector<BasicBlock*, 4> Succs;
802   for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
803     Succs.push_back(TI->getSuccessor(i));
804     TI->getSuccessor(i)->removePredecessor(BB);
805   }
806   
807   // Unique the successors, remove anything with multiple uses.
808   array_pod_sort(Succs.begin(), Succs.end());
809   Succs.erase(std::unique(Succs.begin(), Succs.end()), Succs.end());
810   
811   // Remove the basic block, including all of the instructions contained in it.
812   LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BB, L);  
813   BB->eraseFromParent();
814   // Remove successor blocks here that are not dead, so that we know we only
815   // have dead blocks in this list.  Nondead blocks have a way of becoming dead,
816   // then getting removed before we revisit them, which is badness.
817   //
818   for (unsigned i = 0; i != Succs.size(); ++i)
819     if (pred_begin(Succs[i]) != pred_end(Succs[i])) {
820       // One exception is loop headers.  If this block was the preheader for a
821       // loop, then we DO want to visit the loop so the loop gets deleted.
822       // We know that if the successor is a loop header, that this loop had to
823       // be the preheader: the case where this was the latch block was handled
824       // above and headers can only have two predecessors.
825       if (!LI->isLoopHeader(Succs[i])) {
826         Succs.erase(Succs.begin()+i);
827         --i;
828       }
829     }
830   
831   for (unsigned i = 0, e = Succs.size(); i != e; ++i)
832     RemoveBlockIfDead(Succs[i], Worklist, L);
833 }
834
835 /// RemoveLoopFromHierarchy - We have discovered that the specified loop has
836 /// become unwrapped, either because the backedge was deleted, or because the
837 /// edge into the header was removed.  If the edge into the header from the
838 /// latch block was removed, the loop is unwrapped but subloops are still alive,
839 /// so they just reparent loops.  If the loops are actually dead, they will be
840 /// removed later.
841 void LoopUnswitch::RemoveLoopFromHierarchy(Loop *L) {
842   LPM->deleteLoopFromQueue(L);
843   RemoveLoopFromWorklist(L);
844 }
845
846 // RewriteLoopBodyWithConditionConstant - We know either that the value LIC has
847 // the value specified by Val in the specified loop, or we know it does NOT have
848 // that value.  Rewrite any uses of LIC or of properties correlated to it.
849 void LoopUnswitch::RewriteLoopBodyWithConditionConstant(Loop *L, Value *LIC,
850                                                         Constant *Val,
851                                                         bool IsEqual) {
852   assert(!isa<Constant>(LIC) && "Why are we unswitching on a constant?");
853   
854   // FIXME: Support correlated properties, like:
855   //  for (...)
856   //    if (li1 < li2)
857   //      ...
858   //    if (li1 > li2)
859   //      ...
860   
861   // FOLD boolean conditions (X|LIC), (X&LIC).  Fold conditional branches,
862   // selects, switches.
863   std::vector<User*> Users(LIC->use_begin(), LIC->use_end());
864   std::vector<Instruction*> Worklist;
865   LLVMContext &Context = Val->getContext();
866
867
868   // If we know that LIC == Val, or that LIC == NotVal, just replace uses of LIC
869   // in the loop with the appropriate one directly.
870   if (IsEqual || (isa<ConstantInt>(Val) &&
871       Val->getType()->isIntegerTy(1))) {
872     Value *Replacement;
873     if (IsEqual)
874       Replacement = Val;
875     else
876       Replacement = ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Val->getContext()), 
877                                      !cast<ConstantInt>(Val)->getZExtValue());
878     
879     for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i)
880       if (Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i])) {
881         if (!L->contains(U))
882           continue;
883         U->replaceUsesOfWith(LIC, Replacement);
884         Worklist.push_back(U);
885       }
886     SimplifyCode(Worklist, L);
887     return;
888   }
889   
890   // Otherwise, we don't know the precise value of LIC, but we do know that it
891   // is certainly NOT "Val".  As such, simplify any uses in the loop that we
892   // can.  This case occurs when we unswitch switch statements.
893   for (unsigned i = 0, e = Users.size(); i != e; ++i) {
894     Instruction *U = cast<Instruction>(Users[i]);
895     if (!L->contains(U))
896       continue;
897
898     Worklist.push_back(U);
899
900     // TODO: We could do other simplifications, for example, turning 
901     // 'icmp eq LIC, Val' -> false.
902
903     // If we know that LIC is not Val, use this info to simplify code.
904     SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(U);
905     if (SI == 0 || !isa<ConstantInt>(Val)) continue;
906     
907     unsigned DeadCase = SI->findCaseValue(cast<ConstantInt>(Val));
908     if (DeadCase == 0) continue;  // Default case is live for multiple values.
909     
910     // Found a dead case value.  Don't remove PHI nodes in the 
911     // successor if they become single-entry, those PHI nodes may
912     // be in the Users list.
913         
914     // FIXME: This is a hack.  We need to keep the successor around
915     // and hooked up so as to preserve the loop structure, because
916     // trying to update it is complicated.  So instead we preserve the
917     // loop structure and put the block on a dead code path.
918     BasicBlock *Switch = SI->getParent();
919     SplitEdge(Switch, SI->getSuccessor(DeadCase), this);
920     // Compute the successors instead of relying on the return value
921     // of SplitEdge, since it may have split the switch successor
922     // after PHI nodes.
923     BasicBlock *NewSISucc = SI->getSuccessor(DeadCase);
924     BasicBlock *OldSISucc = *succ_begin(NewSISucc);
925     // Create an "unreachable" destination.
926     BasicBlock *Abort = BasicBlock::Create(Context, "us-unreachable",
927                                            Switch->getParent(),
928                                            OldSISucc);
929     new UnreachableInst(Context, Abort);
930     // Force the new case destination to branch to the "unreachable"
931     // block while maintaining a (dead) CFG edge to the old block.
932     NewSISucc->getTerminator()->eraseFromParent();
933     BranchInst::Create(Abort, OldSISucc,
934                        ConstantInt::getTrue(Context), NewSISucc);
935     // Release the PHI operands for this edge.
936     for (BasicBlock::iterator II = NewSISucc->begin();
937          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(II); ++II)
938       PN->setIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(Switch),
939                            UndefValue::get(PN->getType()));
940     // Tell the domtree about the new block. We don't fully update the
941     // domtree here -- instead we force it to do a full recomputation
942     // after the pass is complete -- but we do need to inform it of
943     // new blocks.
944     if (DT)
945       DT->addNewBlock(Abort, NewSISucc);
946   }
947   
948   SimplifyCode(Worklist, L);
949 }
950
951 /// SimplifyCode - Okay, now that we have simplified some instructions in the
952 /// loop, walk over it and constant prop, dce, and fold control flow where
953 /// possible.  Note that this is effectively a very simple loop-structure-aware
954 /// optimizer.  During processing of this loop, L could very well be deleted, so
955 /// it must not be used.
956 ///
957 /// FIXME: When the loop optimizer is more mature, separate this out to a new
958 /// pass.
959 ///
960 void LoopUnswitch::SimplifyCode(std::vector<Instruction*> &Worklist, Loop *L) {
961   while (!Worklist.empty()) {
962     Instruction *I = Worklist.back();
963     Worklist.pop_back();
964     
965     // Simple constant folding.
966     if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(I)) {
967       ReplaceUsesOfWith(I, C, Worklist, L, LPM);
968       continue;
969     }
970     
971     // Simple DCE.
972     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
973       DEBUG(dbgs() << "Remove dead instruction '" << *I);
974       
975       // Add uses to the worklist, which may be dead now.
976       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
977         if (Instruction *Use = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
978           Worklist.push_back(Use);
979       LPM->deleteSimpleAnalysisValue(I, L);
980       RemoveFromWorklist(I, Worklist);
981       I->eraseFromParent();
982       ++NumSimplify;
983       continue;
984     }
985     
986     // See if instruction simplification can hack this up.  This is common for
987     // things like "select false, X, Y" after unswitching made the condition be
988     // 'false'.
989     if (Value *V = SimplifyInstruction(I)) {
990       ReplaceUsesOfWith(I, V, Worklist, L, LPM);
991       continue;
992     }
993     
994     // Special case hacks that appear commonly in unswitched code.
995     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(I)) {
996       if (BI->isUnconditional()) {
997         // If BI's parent is the only pred of the successor, fold the two blocks
998         // together.
999         BasicBlock *Pred = BI->getParent();
1000         BasicBlock *Succ = BI->getSuccessor(0);
1001         BasicBlock *SinglePred = Succ->getSinglePredecessor();
1002         if (!SinglePred) continue;  // Nothing to do.
1003         assert(SinglePred == Pred && "CFG broken");
1004
1005         DEBUG(dbgs() << "Merging blocks: " << Pred->getName() << " <- " 
1006               << Succ->getName() << "\n");
1007         
1008         // Resolve any single entry PHI nodes in Succ.
1009         while (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Succ->begin()))
1010           ReplaceUsesOfWith(PN, PN->getIncomingValue(0), Worklist, L, LPM);
1011         
1012         // Move all of the successor contents from Succ to Pred.
1013         Pred->getInstList().splice(BI, Succ->getInstList(), Succ->begin(),
1014                                    Succ->end());
1015         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1016         BI->eraseFromParent();
1017         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1018         
1019         // If Succ has any successors with PHI nodes, update them to have
1020         // entries coming from Pred instead of Succ.
1021         Succ->replaceAllUsesWith(Pred);
1022         
1023         // Remove Succ from the loop tree.
1024         LI->removeBlock(Succ);
1025         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(Succ, L);
1026         Succ->eraseFromParent();
1027         ++NumSimplify;
1028         continue;
1029       }
1030       
1031       if (ConstantInt *CB = dyn_cast<ConstantInt>(BI->getCondition())){
1032         // Conditional branch.  Turn it into an unconditional branch, then
1033         // remove dead blocks.
1034         continue;  // FIXME: Enable.
1035
1036         DEBUG(dbgs() << "Folded branch: " << *BI);
1037         BasicBlock *DeadSucc = BI->getSuccessor(CB->getZExtValue());
1038         BasicBlock *LiveSucc = BI->getSuccessor(!CB->getZExtValue());
1039         DeadSucc->removePredecessor(BI->getParent(), true);
1040         Worklist.push_back(BranchInst::Create(LiveSucc, BI));
1041         LPM->deleteSimpleAnalysisValue(BI, L);
1042         BI->eraseFromParent();
1043         RemoveFromWorklist(BI, Worklist);
1044         ++NumSimplify;
1045
1046         RemoveBlockIfDead(DeadSucc, Worklist, L);
1047       }
1048       continue;
1049     }
1050   }
1051 }