lib/Transforms/Scalar/Reassociate.cpp

   1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
   2 //
   3 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
   4 // to promote better constant propogation, GCSE, LICM, PRE...
   5 //
   6 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
   7 //
   8 // Note that this pass works best if left shifts have been promoted to explicit
   9 // multiplies before this pass executes.
  10 //
  11 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
  12 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
  13 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
  14 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
  15 // than values not in loops.
  16 //
  17 // This code was originally written by Chris Lattner, and was then cleaned up
  18 // and perfected by Casey Carter.
  19 //
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21
  22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  23 #include "llvm/Function.h"
  24 #include "llvm/iOperators.h"
  25 #include "llvm/Type.h"
  26 #include "llvm/Pass.h"
  27 #include "llvm/Constant.h"
  28 #include "llvm/Support/CFG.h"
  29 #include "Support/PostOrderIterator.h"
  30 #include "Support/Statistic.h"
  31
  32 namespace {
  33   Statistic<> NumLinear ("reassociate","Number of insts linearized");
  34   Statistic<> NumChanged("reassociate","Number of insts reassociated");
  35   Statistic<> NumSwapped("reassociate","Number of insts with operands swapped");
  36
  37   class Reassociate : public FunctionPass {
  38     std::map<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
  39   public:
  40     bool runOnFunction(Function &F);
  41
  42     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  43       AU.setPreservesCFG();
  44     }
  45   private:
  46     void BuildRankMap(Function &F);
  47     unsigned getRank(Value *V);
  48     bool ReassociateExpr(BinaryOperator *I);
  49     bool ReassociateBB(BasicBlock *BB);
  50   };
  51
  52   RegisterOpt<Reassociate> X("reassociate", "Reassociate expressions");
  53 }
  54
  55 Pass *createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
  56
  57 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
  58   unsigned i = 1;
  59   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
  60   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
  61          E = RPOT.end(); I != E; ++I)
  62     RankMap[*I] = ++i;
  63 }
  64
  65 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
  66   if (isa<Argument>(V)) return 1;   // Function argument...
  67   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
  68     // If this is an expression, return the MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that we
  69     // can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse for
  70     // PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there cannot
  71     // be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
  72     //
  73     if (I->getOpcode() == Instruction::PHINode ||
  74         I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
  75         I->getOpcode() == Instruction::Malloc || isa<TerminatorInst>(I) ||
  76         I->hasSideEffects())
  77       return RankMap[I->getParent()];
  78
  79     unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
  80     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
  81          i != e && Rank != MaxRank; ++i)
  82       Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
  83
  84     return Rank;
  85   }
  86
  87   // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
  88   return 0;
  89 }
  90
  91
  92 bool Reassociate::ReassociateExpr(BinaryOperator *I) {
  93   Value *LHS = I->getOperand(0);
  94   Value *RHS = I->getOperand(1);
  95   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
  96   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
  97
  98   bool Changed = false;
  99
 100   // Make sure the LHS of the operand always has the greater rank...
 101   if (LHSRank < RHSRank) {
 102     bool Success = !I->swapOperands();
 103     assert(Success && "swapOperands failed");
 104
 105     std::swap(LHS, RHS);
 106     std::swap(LHSRank, RHSRank);
 107     Changed = true;
 108     ++NumSwapped;
 109     DEBUG(std::cerr << "Transposed: " << I
 110           /* << " Result BB: " << I->getParent()*/);
 111   }
 112
 113   // If the LHS is the same operator as the current one is, and if we are the
 114   // only expression using it...
 115   //
 116   if (BinaryOperator *LHSI = dyn_cast<BinaryOperator>(LHS))
 117     if (LHSI->getOpcode() == I->getOpcode() && LHSI->use_size() == 1) {
 118       // If the rank of our current RHS is less than the rank of the LHS's LHS,
 119       // then we reassociate the two instructions...
 120       if (RHSRank < getRank(LHSI->getOperand(0))) {
 121         unsigned TakeOp = 0;
 122         if (BinaryOperator *IOp = dyn_cast<BinaryOperator>(LHSI->getOperand(0)))
 123           if (IOp->getOpcode() == LHSI->getOpcode())
 124             TakeOp = 1;   // Hoist out non-tree portion
 125
 126         // Convert ((a + 12) + 10) into (a + (12 + 10))
 127         I->setOperand(0, LHSI->getOperand(TakeOp));
 128         LHSI->setOperand(TakeOp, RHS);
 129         I->setOperand(1, LHSI);
 130
 131         // Move the LHS expression forward, to ensure that it is dominated by
 132         // its operands.
 133         LHSI->getParent()->getInstList().remove(LHSI);
 134         I->getParent()->getInstList().insert(I, LHSI);
 135
 136         ++NumChanged;
 137         DEBUG(std::cerr << "Reassociated: " << I/* << " Result BB: "
 138                                                    << I->getParent()*/);
 139
 140         // Since we modified the RHS instruction, make sure that we recheck it.
 141         ReassociateExpr(LHSI);
 142         return true;
 143       }
 144     }
 145
 146   return Changed;
 147 }
 148
 149
 150 // NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
 151 // that computes the negative version of the value specified.  The negative
 152 // version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
 153 // that should be processed next by the reassociation pass.
 154 //
 155 static Value *NegateValue(Value *V, BasicBlock::iterator &BI) {
 156   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
 157   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
 158   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
 159   // this means that we turn this:
 160   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
 161   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
 162   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
 163   // we introduce tons of unneccesary negation instructions...
 164   //
 165   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
 166     if (I->getOpcode() == Instruction::Add && I->use_size() == 1) {
 167       Value *RHS = NegateValue(I->getOperand(1), BI);
 168       Value *LHS = NegateValue(I->getOperand(0), BI);
 169
 170       // We must actually insert a new add instruction here, because the neg
 171       // instructions do not dominate the old add instruction in general.  By
 172       // adding it now, we are assured that the neg instructions we just
 173       // inserted dominate the instruction we are about to insert after them.
 174       //
 175       return BinaryOperator::create(Instruction::Add, LHS, RHS,
 176                                     I->getName()+".neg",
 177                                     cast<Instruction>(RHS)->getNext());
 178     }
 179
 180   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
 181   // negation.
 182   //
 183   return BI = BinaryOperator::createNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
 184 }
 185
 186
 187 bool Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
 188   bool Changed = false;
 189   for (BasicBlock::iterator BI = BB->begin(); BI != BB->end(); ++BI) {
 190
 191     DEBUG(std::cerr << "Processing: " << *BI);
 192     if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub && !BinaryOperator::isNeg(BI)) {
 193       // Convert a subtract into an add and a neg instruction... so that sub
 194       // instructions can be commuted with other add instructions...
 195       //
 196       // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction...
 197       // and set it as the RHS of the add instruction we just made...
 198       //
 199       std::string Name = BI->getName();
 200       BI->setName("");
 201       Instruction *New =
 202         BinaryOperator::create(Instruction::Add, BI->getOperand(0),
 203                                BI->getOperand(1), Name, BI);
 204
 205       // Everyone now refers to the add instruction...
 206       BI->replaceAllUsesWith(New);
 207
 208       // Put the new add in the place of the subtract... deleting the subtract
 209       BB->getInstList().erase(BI);
 210
 211       BI = New;
 212       New->setOperand(1, NegateValue(New->getOperand(1), BI));
 213
 214       Changed = true;
 215       DEBUG(std::cerr << "Negated: " << New /*<< " Result BB: " << BB*/);
 216     }
 217
 218     // If this instruction is a commutative binary operator, and the ranks of
 219     // the two operands are sorted incorrectly, fix it now.
 220     //
 221     if (BI->isAssociative()) {
 222       BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(&*BI);
 223       if (!I->use_empty()) {
 224         // Make sure that we don't have a tree-shaped computation.  If we do,
 225         // linearize it.  Convert (A+B)+(C+D) into ((A+B)+C)+D
 226         //
 227         Instruction *LHSI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(0));
 228         Instruction *RHSI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(1));
 229         if (LHSI && (int)LHSI->getOpcode() == I->getOpcode() &&
 230             RHSI && (int)RHSI->getOpcode() == I->getOpcode() &&
 231             RHSI->use_size() == 1) {
 232           // Insert a new temporary instruction... (A+B)+C
 233           BinaryOperator *Tmp = BinaryOperator::create(I->getOpcode(), LHSI,
 234                                                        RHSI->getOperand(0),
 235                                                        RHSI->getName()+".ra",
 236                                                        BI);
 237           BI = Tmp;
 238           I->setOperand(0, Tmp);
 239           I->setOperand(1, RHSI->getOperand(1));
 240
 241           // Process the temporary instruction for reassociation now.
 242           I = Tmp;
 243           ++NumLinear;
 244           Changed = true;
 245           DEBUG(std::cerr << "Linearized: " << I/* << " Result BB: " << BB*/);
 246         }
 247
 248         // Make sure that this expression is correctly reassociated with respect
 249         // to it's used values...
 250         //
 251         Changed |= ReassociateExpr(I);
 252       }
 253     }
 254   }
 255
 256   return Changed;
 257 }
 258
 259
 260 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
 261   // Recalculate the rank map for F
 262   BuildRankMap(F);
 263
 264   bool Changed = false;
 265   for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
 266     Changed |= ReassociateBB(FI);
 267
 268   // We are done with the rank map...
 269   RankMap.clear();
 270   return Changed;
 271 }