Use discriminator information in sample profiles.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SampleProfile.cpp
1 //===- SampleProfile.cpp - Incorporate sample profiles into the IR --------===//
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 file implements the SampleProfileLoader transformation. This pass
11 // reads a profile file generated by a sampling profiler (e.g. Linux Perf -
12 // http://perf.wiki.kernel.org/) and generates IR metadata to reflect the
13 // profile information in the given profile.
14 //
15 // This pass generates branch weight annotations on the IR:
16 //
17 // - prof: Represents branch weights. This annotation is added to branches
18 //      to indicate the weights of each edge coming out of the branch.
19 //      The weight of each edge is the weight of the target block for
20 //      that edge. The weight of a block B is computed as the maximum
21 //      number of samples found in B.
22 //
23 //===----------------------------------------------------------------------===//
24
25 #define DEBUG_TYPE "sample-profile"
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
31 #include "llvm/ADT/StringMap.h"
32 #include "llvm/ADT/StringRef.h"
33 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
34 #include "llvm/Analysis/PostDominators.h"
35 #include "llvm/IR/Constants.h"
36 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
37 #include "llvm/IR/Dominators.h"
38 #include "llvm/IR/Function.h"
39 #include "llvm/IR/InstIterator.h"
40 #include "llvm/IR/Instructions.h"
41 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
42 #include "llvm/IR/MDBuilder.h"
43 #include "llvm/IR/Metadata.h"
44 #include "llvm/IR/Module.h"
45 #include "llvm/Pass.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/LineIterator.h"
49 #include "llvm/Support/MemoryBuffer.h"
50 #include "llvm/Support/Regex.h"
51 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
52 #include <cctype>
53
54 using namespace llvm;
55
56 // Command line option to specify the file to read samples from. This is
57 // mainly used for debugging.
58 static cl::opt<std::string> SampleProfileFile(
59     "sample-profile-file", cl::init(""), cl::value_desc("filename"),
60     cl::desc("Profile file loaded by -sample-profile"), cl::Hidden);
61 static cl::opt<unsigned> SampleProfileMaxPropagateIterations(
62     "sample-profile-max-propagate-iterations", cl::init(100),
63     cl::desc("Maximum number of iterations to go through when propagating "
64              "sample block/edge weights through the CFG."));
65
66 namespace {
67 /// \brief Represents the relative location of an instruction.
68 ///
69 /// Instruction locations are specified by the line offset from the
70 /// beginning of the function (marked by the line where the function
71 /// header is) and the discriminator value within that line.
72 ///
73 /// The discriminator value is useful to distinguish instructions
74 /// that are on the same line but belong to different basic blocks
75 /// (e.g., the two post-increment instructions in "if (p) x++; else y++;").
76 struct InstructionLocation {
77   InstructionLocation(int L, unsigned D) : LineOffset(L), Discriminator(D) {}
78   int LineOffset;
79   unsigned Discriminator;
80 };
81 }
82
83 namespace llvm {
84 template <> struct DenseMapInfo<InstructionLocation> {
85   typedef DenseMapInfo<int> OffsetInfo;
86   typedef DenseMapInfo<unsigned> DiscriminatorInfo;
87   static inline InstructionLocation getEmptyKey() {
88     return InstructionLocation(OffsetInfo::getEmptyKey(),
89                                DiscriminatorInfo::getEmptyKey());
90   }
91   static inline InstructionLocation getTombstoneKey() {
92     return InstructionLocation(OffsetInfo::getTombstoneKey(),
93                                DiscriminatorInfo::getTombstoneKey());
94   }
95   static inline unsigned getHashValue(InstructionLocation Val) {
96     return DenseMapInfo<std::pair<int, unsigned> >::getHashValue(
97         std::pair<int, unsigned>(Val.LineOffset, Val.Discriminator));
98   }
99   static inline bool isEqual(InstructionLocation LHS, InstructionLocation RHS) {
100     return LHS.LineOffset == RHS.LineOffset &&
101            LHS.Discriminator == RHS.Discriminator;
102   }
103 };
104 }
105
106 namespace {
107 typedef DenseMap<InstructionLocation, unsigned> BodySampleMap;
108 typedef DenseMap<BasicBlock *, unsigned> BlockWeightMap;
109 typedef DenseMap<BasicBlock *, BasicBlock *> EquivalenceClassMap;
110 typedef std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *> Edge;
111 typedef DenseMap<Edge, unsigned> EdgeWeightMap;
112 typedef DenseMap<BasicBlock *, SmallVector<BasicBlock *, 8> > BlockEdgeMap;
113
114 /// \brief Representation of the runtime profile for a function.
115 ///
116 /// This data structure contains the runtime profile for a given
117 /// function. It contains the total number of samples collected
118 /// in the function and a map of samples collected in every statement.
119 class SampleFunctionProfile {
120 public:
121   SampleFunctionProfile()
122       : TotalSamples(0), TotalHeadSamples(0), HeaderLineno(0), DT(0), PDT(0),
123         LI(0), Ctx(0) {}
124
125   unsigned getFunctionLoc(Function &F);
126   bool emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
127                        PostDominatorTree *PostDomTree, LoopInfo *Loops);
128   unsigned getInstWeight(Instruction &I);
129   unsigned getBlockWeight(BasicBlock *B);
130   void addTotalSamples(unsigned Num) { TotalSamples += Num; }
131   void addHeadSamples(unsigned Num) { TotalHeadSamples += Num; }
132   void addBodySamples(int LineOffset, unsigned Discriminator, unsigned Num) {
133     assert(LineOffset >= 0);
134     BodySamples[InstructionLocation(LineOffset, Discriminator)] += Num;
135   }
136   void print(raw_ostream &OS);
137   void printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E);
138   void printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
139   void printBlockEquivalence(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB);
140   bool computeBlockWeights(Function &F);
141   void findEquivalenceClasses(Function &F);
142   void findEquivalencesFor(BasicBlock *BB1,
143                            SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
144                            DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree);
145   void propagateWeights(Function &F);
146   unsigned visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges, Edge *UnknownEdge);
147   void buildEdges(Function &F);
148   bool propagateThroughEdges(Function &F);
149   bool empty() { return BodySamples.empty(); }
150
151 protected:
152   /// \brief Total number of samples collected inside this function.
153   ///
154   /// Samples are cumulative, they include all the samples collected
155   /// inside this function and all its inlined callees.
156   unsigned TotalSamples;
157
158   /// \brief Total number of samples collected at the head of the function.
159   /// FIXME: Use head samples to estimate a cold/hot attribute for the function.
160   unsigned TotalHeadSamples;
161
162   /// \brief Line number for the function header. Used to compute relative
163   /// line numbers from the absolute line LOCs found in instruction locations.
164   /// The relative line numbers are needed to address the samples from the
165   /// profile file.
166   unsigned HeaderLineno;
167
168   /// \brief Map line offsets to collected samples.
169   ///
170   /// Each entry in this map contains the number of samples
171   /// collected at the corresponding line offset. All line locations
172   /// are an offset from the start of the function.
173   BodySampleMap BodySamples;
174
175   /// \brief Map basic blocks to their computed weights.
176   ///
177   /// The weight of a basic block is defined to be the maximum
178   /// of all the instruction weights in that block.
179   BlockWeightMap BlockWeights;
180
181   /// \brief Map edges to their computed weights.
182   ///
183   /// Edge weights are computed by propagating basic block weights in
184   /// SampleProfile::propagateWeights.
185   EdgeWeightMap EdgeWeights;
186
187   /// \brief Set of visited blocks during propagation.
188   SmallPtrSet<BasicBlock *, 128> VisitedBlocks;
189
190   /// \brief Set of visited edges during propagation.
191   SmallSet<Edge, 128> VisitedEdges;
192
193   /// \brief Equivalence classes for block weights.
194   ///
195   /// Two blocks BB1 and BB2 are in the same equivalence class if they
196   /// dominate and post-dominate each other, and they are in the same loop
197   /// nest. When this happens, the two blocks are guaranteed to execute
198   /// the same number of times.
199   EquivalenceClassMap EquivalenceClass;
200
201   /// \brief Dominance, post-dominance and loop information.
202   DominatorTree *DT;
203   PostDominatorTree *PDT;
204   LoopInfo *LI;
205
206   /// \brief Predecessors for each basic block in the CFG.
207   BlockEdgeMap Predecessors;
208
209   /// \brief Successors for each basic block in the CFG.
210   BlockEdgeMap Successors;
211
212   /// \brief LLVM context holding the debug data we need.
213   LLVMContext *Ctx;
214 };
215
216 /// \brief Sample-based profile reader.
217 ///
218 /// Each profile contains sample counts for all the functions
219 /// executed. Inside each function, statements are annotated with the
220 /// collected samples on all the instructions associated with that
221 /// statement.
222 ///
223 /// For this to produce meaningful data, the program needs to be
224 /// compiled with some debug information (at minimum, line numbers:
225 /// -gline-tables-only). Otherwise, it will be impossible to match IR
226 /// instructions to the line numbers collected by the profiler.
227 ///
228 /// From the profile file, we are interested in collecting the
229 /// following information:
230 ///
231 /// * A list of functions included in the profile (mangled names).
232 ///
233 /// * For each function F:
234 ///   1. The total number of samples collected in F.
235 ///
236 ///   2. The samples collected at each line in F. To provide some
237 ///      protection against source code shuffling, line numbers should
238 ///      be relative to the start of the function.
239 class SampleModuleProfile {
240 public:
241   SampleModuleProfile(StringRef F) : Profiles(0), Filename(F) {}
242
243   void dump();
244   void loadText();
245   void loadNative() { llvm_unreachable("not implemented"); }
246   void printFunctionProfile(raw_ostream &OS, StringRef FName);
247   void dumpFunctionProfile(StringRef FName);
248   SampleFunctionProfile &getProfile(const Function &F) {
249     return Profiles[F.getName()];
250   }
251
252   /// \brief Report a parse error message and stop compilation.
253   void reportParseError(int64_t LineNumber, Twine Msg) const {
254     report_fatal_error(Filename + ":" + Twine(LineNumber) + ": " + Msg + "\n");
255   }
256
257 protected:
258   /// \brief Map every function to its associated profile.
259   ///
260   /// The profile of every function executed at runtime is collected
261   /// in the structure SampleFunctionProfile. This maps function objects
262   /// to their corresponding profiles.
263   StringMap<SampleFunctionProfile> Profiles;
264
265   /// \brief Path name to the file holding the profile data.
266   ///
267   /// The format of this file is defined by each profiler
268   /// independently. If possible, the profiler should have a text
269   /// version of the profile format to be used in constructing test
270   /// cases and debugging.
271   StringRef Filename;
272 };
273
274 /// \brief Sample profile pass.
275 ///
276 /// This pass reads profile data from the file specified by
277 /// -sample-profile-file and annotates every affected function with the
278 /// profile information found in that file.
279 class SampleProfileLoader : public FunctionPass {
280 public:
281   // Class identification, replacement for typeinfo
282   static char ID;
283
284   SampleProfileLoader(StringRef Name = SampleProfileFile)
285       : FunctionPass(ID), Profiler(), Filename(Name) {
286     initializeSampleProfileLoaderPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
287   }
288
289   bool doInitialization(Module &M) override;
290
291   void dump() { Profiler->dump(); }
292
293   const char *getPassName() const override { return "Sample profile pass"; }
294
295   bool runOnFunction(Function &F) override;
296
297   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
298     AU.setPreservesCFG();
299     AU.addRequired<LoopInfo>();
300     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
301     AU.addRequired<PostDominatorTree>();
302   }
303
304 protected:
305   /// \brief Profile reader object.
306   std::unique_ptr<SampleModuleProfile> Profiler;
307
308   /// \brief Name of the profile file to load.
309   StringRef Filename;
310 };
311 }
312
313 /// \brief Print this function profile on stream \p OS.
314 ///
315 /// \param OS Stream to emit the output to.
316 void SampleFunctionProfile::print(raw_ostream &OS) {
317   OS << TotalSamples << ", " << TotalHeadSamples << ", " << BodySamples.size()
318      << " sampled lines\n";
319   for (BodySampleMap::const_iterator SI = BodySamples.begin(),
320                                      SE = BodySamples.end();
321        SI != SE; ++SI)
322     OS << "\tline offset: " << SI->first.LineOffset
323        << ", discriminator: " << SI->first.Discriminator
324        << ", number of samples: " << SI->second << "\n";
325   OS << "\n";
326 }
327
328 /// \brief Print the weight of edge \p E on stream \p OS.
329 ///
330 /// \param OS  Stream to emit the output to.
331 /// \param E  Edge to print.
332 void SampleFunctionProfile::printEdgeWeight(raw_ostream &OS, Edge E) {
333   OS << "weight[" << E.first->getName() << "->" << E.second->getName()
334      << "]: " << EdgeWeights[E] << "\n";
335 }
336
337 /// \brief Print the equivalence class of block \p BB on stream \p OS.
338 ///
339 /// \param OS  Stream to emit the output to.
340 /// \param BB  Block to print.
341 void SampleFunctionProfile::printBlockEquivalence(raw_ostream &OS,
342                                                   BasicBlock *BB) {
343   BasicBlock *Equiv = EquivalenceClass[BB];
344   OS << "equivalence[" << BB->getName()
345      << "]: " << ((Equiv) ? EquivalenceClass[BB]->getName() : "NONE") << "\n";
346 }
347
348 /// \brief Print the weight of block \p BB on stream \p OS.
349 ///
350 /// \param OS  Stream to emit the output to.
351 /// \param BB  Block to print.
352 void SampleFunctionProfile::printBlockWeight(raw_ostream &OS, BasicBlock *BB) {
353   OS << "weight[" << BB->getName() << "]: " << BlockWeights[BB] << "\n";
354 }
355
356 /// \brief Print the function profile for \p FName on stream \p OS.
357 ///
358 /// \param OS Stream to emit the output to.
359 /// \param FName Name of the function to print.
360 void SampleModuleProfile::printFunctionProfile(raw_ostream &OS,
361                                                StringRef FName) {
362   OS << "Function: " << FName << ":\n";
363   Profiles[FName].print(OS);
364 }
365
366 /// \brief Dump the function profile for \p FName.
367 ///
368 /// \param FName Name of the function to print.
369 void SampleModuleProfile::dumpFunctionProfile(StringRef FName) {
370   printFunctionProfile(dbgs(), FName);
371 }
372
373 /// \brief Dump all the function profiles found.
374 void SampleModuleProfile::dump() {
375   for (StringMap<SampleFunctionProfile>::const_iterator I = Profiles.begin(),
376                                                         E = Profiles.end();
377        I != E; ++I)
378     dumpFunctionProfile(I->getKey());
379 }
380
381 /// \brief Load samples from a text file.
382 ///
383 /// The file contains a list of samples for every function executed at
384 /// runtime. Each function profile has the following format:
385 ///
386 ///    function1:total_samples:total_head_samples
387 ///    offset1[.discriminator]: number_of_samples [fn1:num fn2:num ... ]
388 ///    offset2[.discriminator]: number_of_samples [fn3:num fn4:num ... ]
389 ///    ...
390 ///    offsetN[.discriminator]: number_of_samples [fn5:num fn6:num ... ]
391 ///
392 /// Function names must be mangled in order for the profile loader to
393 /// match them in the current translation unit. The two numbers in the
394 /// function header specify how many total samples were accumulated in
395 /// the function (first number), and the total number of samples accumulated
396 /// at the prologue of the function (second number). This head sample
397 /// count provides an indicator of how frequent is the function invoked.
398 ///
399 /// Each sampled line may contain several items. Some are optional
400 /// (marked below):
401 ///
402 /// a- Source line offset. This number represents the line number
403 ///    in the function where the sample was collected. The line number
404 ///    is always relative to the line where symbol of the function
405 ///    is defined. So, if the function has its header at line 280,
406 ///    the offset 13 is at line 293 in the file.
407 ///
408 /// b- [OPTIONAL] Discriminator. This is used if the sampled program
409 ///    was compiled with DWARF discriminator support
410 ///    (http://wiki.dwarfstd.org/index.php?title=Path_Discriminators)
411 ///
412 /// c- Number of samples. This is the number of samples collected by
413 ///    the profiler at this source location.
414 ///
415 /// d- [OPTIONAL] Potential call targets and samples. If present, this
416 ///    line contains a call instruction. This models both direct and
417 ///    indirect calls. Each called target is listed together with the
418 ///    number of samples. For example,
419 ///
420 ///    130: 7  foo:3  bar:2  baz:7
421 ///
422 ///    The above means that at relative line offset 130 there is a
423 ///    call instruction that calls one of foo(), bar() and baz(). With
424 ///    baz() being the relatively more frequent call target.
425 ///
426 ///    FIXME: This is currently unhandled, but it has a lot of
427 ///           potential for aiding the inliner.
428 ///
429 ///
430 /// Since this is a flat profile, a function that shows up more than
431 /// once gets all its samples aggregated across all its instances.
432 ///
433 /// FIXME: flat profiles are too imprecise to provide good optimization
434 ///        opportunities. Convert them to context-sensitive profile.
435 ///
436 /// This textual representation is useful to generate unit tests and
437 /// for debugging purposes, but it should not be used to generate
438 /// profiles for large programs, as the representation is extremely
439 /// inefficient.
440 void SampleModuleProfile::loadText() {
441   std::unique_ptr<MemoryBuffer> Buffer;
442   error_code EC = MemoryBuffer::getFile(Filename, Buffer);
443   if (EC)
444     report_fatal_error("Could not open file " + Filename + ": " + EC.message());
445   line_iterator LineIt(*Buffer, '#');
446
447   // Read the profile of each function. Since each function may be
448   // mentioned more than once, and we are collecting flat profiles,
449   // accumulate samples as we parse them.
450   Regex HeadRE("^([^:]+):([0-9]+):([0-9]+)$");
451   Regex LineSample("^([0-9]+)\\.?([0-9]+)?: ([0-9]+)(.*)$");
452   while (!LineIt.is_at_eof()) {
453     // Read the header of each function. The function header should
454     // have this format:
455     //
456     //        function_name:total_samples:total_head_samples
457     //
458     // See above for an explanation of each field.
459     SmallVector<StringRef, 3> Matches;
460     if (!HeadRE.match(*LineIt, &Matches))
461       reportParseError(LineIt.line_number(),
462                        "Expected 'mangled_name:NUM:NUM', found " + *LineIt);
463     assert(Matches.size() == 4);
464     StringRef FName = Matches[1];
465     unsigned NumSamples, NumHeadSamples;
466     Matches[2].getAsInteger(10, NumSamples);
467     Matches[3].getAsInteger(10, NumHeadSamples);
468     Profiles[FName] = SampleFunctionProfile();
469     SampleFunctionProfile &FProfile = Profiles[FName];
470     FProfile.addTotalSamples(NumSamples);
471     FProfile.addHeadSamples(NumHeadSamples);
472     ++LineIt;
473
474     // Now read the body. The body of the function ends when we reach
475     // EOF or when we see the start of the next function.
476     while (!LineIt.is_at_eof() && isdigit((*LineIt)[0])) {
477       if (!LineSample.match(*LineIt, &Matches))
478         reportParseError(
479             LineIt.line_number(),
480             "Expected 'NUM[.NUM]: NUM[ mangled_name:NUM]*', found " + *LineIt);
481       assert(Matches.size() == 5);
482       unsigned LineOffset, NumSamples, Discriminator = 0;
483       Matches[1].getAsInteger(10, LineOffset);
484       if (Matches[2] != "")
485         Matches[2].getAsInteger(10, Discriminator);
486       Matches[3].getAsInteger(10, NumSamples);
487
488       // FIXME: Handle called targets (in Matches[4]).
489
490       // When dealing with instruction weights, we use the value
491       // zero to indicate the absence of a sample. If we read an
492       // actual zero from the profile file, return it as 1 to
493       // avoid the confusion later on.
494       if (NumSamples == 0)
495         NumSamples = 1;
496       FProfile.addBodySamples(LineOffset, Discriminator, NumSamples);
497       ++LineIt;
498     }
499   }
500 }
501
502 /// \brief Get the weight for an instruction.
503 ///
504 /// The "weight" of an instruction \p Inst is the number of samples
505 /// collected on that instruction at runtime. To retrieve it, we
506 /// need to compute the line number of \p Inst relative to the start of its
507 /// function. We use HeaderLineno to compute the offset. We then
508 /// look up the samples collected for \p Inst using BodySamples.
509 ///
510 /// \param Inst Instruction to query.
511 ///
512 /// \returns The profiled weight of I.
513 unsigned SampleFunctionProfile::getInstWeight(Instruction &Inst) {
514   DebugLoc DLoc = Inst.getDebugLoc();
515   unsigned Lineno = DLoc.getLine();
516   if (Lineno < HeaderLineno)
517     return 0;
518
519   DILocation DIL(DLoc.getAsMDNode(*Ctx));
520   int LOffset = Lineno - HeaderLineno;
521   unsigned Discriminator = DIL.getDiscriminator();
522   unsigned Weight =
523       BodySamples.lookup(InstructionLocation(LOffset, Discriminator));
524   DEBUG(dbgs() << "    " << Lineno << "." << Discriminator << ":" << Inst
525                << " (line offset: " << LOffset << "." << Discriminator
526                << " - weight: " << Weight << ")\n");
527   return Weight;
528 }
529
530 /// \brief Compute the weight of a basic block.
531 ///
532 /// The weight of basic block \p B is the maximum weight of all the
533 /// instructions in B. The weight of \p B is computed and cached in
534 /// the BlockWeights map.
535 ///
536 /// \param B The basic block to query.
537 ///
538 /// \returns The computed weight of B.
539 unsigned SampleFunctionProfile::getBlockWeight(BasicBlock *B) {
540   // If we've computed B's weight before, return it.
541   std::pair<BlockWeightMap::iterator, bool> Entry =
542       BlockWeights.insert(std::make_pair(B, 0));
543   if (!Entry.second)
544     return Entry.first->second;
545
546   // Otherwise, compute and cache B's weight.
547   unsigned Weight = 0;
548   for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), E = B->end(); I != E; ++I) {
549     unsigned InstWeight = getInstWeight(*I);
550     if (InstWeight > Weight)
551       Weight = InstWeight;
552   }
553   Entry.first->second = Weight;
554   return Weight;
555 }
556
557 /// \brief Compute and store the weights of every basic block.
558 ///
559 /// This populates the BlockWeights map by computing
560 /// the weights of every basic block in the CFG.
561 ///
562 /// \param F The function to query.
563 bool SampleFunctionProfile::computeBlockWeights(Function &F) {
564   bool Changed = false;
565   DEBUG(dbgs() << "Block weights\n");
566   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
567     unsigned Weight = getBlockWeight(B);
568     Changed |= (Weight > 0);
569     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), B));
570   }
571
572   return Changed;
573 }
574
575 /// \brief Find equivalence classes for the given block.
576 ///
577 /// This finds all the blocks that are guaranteed to execute the same
578 /// number of times as \p BB1. To do this, it traverses all the the
579 /// descendants of \p BB1 in the dominator or post-dominator tree.
580 ///
581 /// A block BB2 will be in the same equivalence class as \p BB1 if
582 /// the following holds:
583 ///
584 /// 1- \p BB1 is a descendant of BB2 in the opposite tree. So, if BB2
585 ///    is a descendant of \p BB1 in the dominator tree, then BB2 should
586 ///    dominate BB1 in the post-dominator tree.
587 ///
588 /// 2- Both BB2 and \p BB1 must be in the same loop.
589 ///
590 /// For every block BB2 that meets those two requirements, we set BB2's
591 /// equivalence class to \p BB1.
592 ///
593 /// \param BB1  Block to check.
594 /// \param Descendants  Descendants of \p BB1 in either the dom or pdom tree.
595 /// \param DomTree  Opposite dominator tree. If \p Descendants is filled
596 ///                 with blocks from \p BB1's dominator tree, then
597 ///                 this is the post-dominator tree, and vice versa.
598 void SampleFunctionProfile::findEquivalencesFor(
599     BasicBlock *BB1, SmallVector<BasicBlock *, 8> Descendants,
600     DominatorTreeBase<BasicBlock> *DomTree) {
601   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = Descendants.begin(),
602                                                E = Descendants.end();
603        I != E; ++I) {
604     BasicBlock *BB2 = *I;
605     bool IsDomParent = DomTree->dominates(BB2, BB1);
606     bool IsInSameLoop = LI->getLoopFor(BB1) == LI->getLoopFor(BB2);
607     if (BB1 != BB2 && VisitedBlocks.insert(BB2) && IsDomParent &&
608         IsInSameLoop) {
609       EquivalenceClass[BB2] = BB1;
610
611       // If BB2 is heavier than BB1, make BB2 have the same weight
612       // as BB1.
613       //
614       // Note that we don't worry about the opposite situation here
615       // (when BB2 is lighter than BB1). We will deal with this
616       // during the propagation phase. Right now, we just want to
617       // make sure that BB1 has the largest weight of all the
618       // members of its equivalence set.
619       unsigned &BB1Weight = BlockWeights[BB1];
620       unsigned &BB2Weight = BlockWeights[BB2];
621       BB1Weight = std::max(BB1Weight, BB2Weight);
622     }
623   }
624 }
625
626 /// \brief Find equivalence classes.
627 ///
628 /// Since samples may be missing from blocks, we can fill in the gaps by setting
629 /// the weights of all the blocks in the same equivalence class to the same
630 /// weight. To compute the concept of equivalence, we use dominance and loop
631 /// information. Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
632 /// dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
633 ///
634 /// \param F The function to query.
635 void SampleFunctionProfile::findEquivalenceClasses(Function &F) {
636   SmallVector<BasicBlock *, 8> DominatedBBs;
637   DEBUG(dbgs() << "\nBlock equivalence classes\n");
638   // Find equivalence sets based on dominance and post-dominance information.
639   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
640     BasicBlock *BB1 = B;
641
642     // Compute BB1's equivalence class once.
643     if (EquivalenceClass.count(BB1)) {
644       DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
645       continue;
646     }
647
648     // By default, blocks are in their own equivalence class.
649     EquivalenceClass[BB1] = BB1;
650
651     // Traverse all the blocks dominated by BB1. We are looking for
652     // every basic block BB2 such that:
653     //
654     // 1- BB1 dominates BB2.
655     // 2- BB2 post-dominates BB1.
656     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
657     //
658     // If all those conditions hold, it means that BB2 is executed
659     // as many times as BB1, so they are placed in the same equivalence
660     // class by making BB2's equivalence class be BB1.
661     DominatedBBs.clear();
662     DT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
663     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, PDT->DT);
664
665     // Repeat the same logic for all the blocks post-dominated by BB1.
666     // We are looking for every basic block BB2 such that:
667     //
668     // 1- BB1 post-dominates BB2.
669     // 2- BB2 dominates BB1.
670     // 3- BB1 and BB2 are in the same loop nest.
671     //
672     // If all those conditions hold, BB2's equivalence class is BB1.
673     DominatedBBs.clear();
674     PDT->getDescendants(BB1, DominatedBBs);
675     findEquivalencesFor(BB1, DominatedBBs, DT);
676
677     DEBUG(printBlockEquivalence(dbgs(), BB1));
678   }
679
680   // Assign weights to equivalence classes.
681   //
682   // All the basic blocks in the same equivalence class will execute
683   // the same number of times. Since we know that the head block in
684   // each equivalence class has the largest weight, assign that weight
685   // to all the blocks in that equivalence class.
686   DEBUG(dbgs() << "\nAssign the same weight to all blocks in the same class\n");
687   for (Function::iterator B = F.begin(), E = F.end(); B != E; ++B) {
688     BasicBlock *BB = B;
689     BasicBlock *EquivBB = EquivalenceClass[BB];
690     if (BB != EquivBB)
691       BlockWeights[BB] = BlockWeights[EquivBB];
692     DEBUG(printBlockWeight(dbgs(), BB));
693   }
694 }
695
696 /// \brief Visit the given edge to decide if it has a valid weight.
697 ///
698 /// If \p E has not been visited before, we copy to \p UnknownEdge
699 /// and increment the count of unknown edges.
700 ///
701 /// \param E  Edge to visit.
702 /// \param NumUnknownEdges  Current number of unknown edges.
703 /// \param UnknownEdge  Set if E has not been visited before.
704 ///
705 /// \returns E's weight, if known. Otherwise, return 0.
706 unsigned SampleFunctionProfile::visitEdge(Edge E, unsigned *NumUnknownEdges,
707                                           Edge *UnknownEdge) {
708   if (!VisitedEdges.count(E)) {
709     (*NumUnknownEdges)++;
710     *UnknownEdge = E;
711     return 0;
712   }
713
714   return EdgeWeights[E];
715 }
716
717 /// \brief Propagate weights through incoming/outgoing edges.
718 ///
719 /// If the weight of a basic block is known, and there is only one edge
720 /// with an unknown weight, we can calculate the weight of that edge.
721 ///
722 /// Similarly, if all the edges have a known count, we can calculate the
723 /// count of the basic block, if needed.
724 ///
725 /// \param F  Function to process.
726 ///
727 /// \returns  True if new weights were assigned to edges or blocks.
728 bool SampleFunctionProfile::propagateThroughEdges(Function &F) {
729   bool Changed = false;
730   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation through edges\n");
731   for (Function::iterator BI = F.begin(), EI = F.end(); BI != EI; ++BI) {
732     BasicBlock *BB = BI;
733
734     // Visit all the predecessor and successor edges to determine
735     // which ones have a weight assigned already. Note that it doesn't
736     // matter that we only keep track of a single unknown edge. The
737     // only case we are interested in handling is when only a single
738     // edge is unknown (see setEdgeOrBlockWeight).
739     for (unsigned i = 0; i < 2; i++) {
740       unsigned TotalWeight = 0;
741       unsigned NumUnknownEdges = 0;
742       Edge UnknownEdge, SelfReferentialEdge;
743
744       if (i == 0) {
745         // First, visit all predecessor edges.
746         for (size_t I = 0; I < Predecessors[BB].size(); I++) {
747           Edge E = std::make_pair(Predecessors[BB][I], BB);
748           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
749           if (E.first == E.second)
750             SelfReferentialEdge = E;
751         }
752       } else {
753         // On the second round, visit all successor edges.
754         for (size_t I = 0; I < Successors[BB].size(); I++) {
755           Edge E = std::make_pair(BB, Successors[BB][I]);
756           TotalWeight += visitEdge(E, &NumUnknownEdges, &UnknownEdge);
757         }
758       }
759
760       // After visiting all the edges, there are three cases that we
761       // can handle immediately:
762       //
763       // - All the edge weights are known (i.e., NumUnknownEdges == 0).
764       //   In this case, we simply check that the sum of all the edges
765       //   is the same as BB's weight. If not, we change BB's weight
766       //   to match. Additionally, if BB had not been visited before,
767       //   we mark it visited.
768       //
769       // - Only one edge is unknown and BB has already been visited.
770       //   In this case, we can compute the weight of the edge by
771       //   subtracting the total block weight from all the known
772       //   edge weights. If the edges weight more than BB, then the
773       //   edge of the last remaining edge is set to zero.
774       //
775       // - There exists a self-referential edge and the weight of BB is
776       //   known. In this case, this edge can be based on BB's weight.
777       //   We add up all the other known edges and set the weight on
778       //   the self-referential edge as we did in the previous case.
779       //
780       // In any other case, we must continue iterating. Eventually,
781       // all edges will get a weight, or iteration will stop when
782       // it reaches SampleProfileMaxPropagateIterations.
783       if (NumUnknownEdges <= 1) {
784         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
785         if (NumUnknownEdges == 0) {
786           // If we already know the weight of all edges, the weight of the
787           // basic block can be computed. It should be no larger than the sum
788           // of all edge weights.
789           if (TotalWeight > BBWeight) {
790             BBWeight = TotalWeight;
791             Changed = true;
792             DEBUG(dbgs() << "All edge weights for " << BB->getName()
793                          << " known. Set weight for block: ";
794                   printBlockWeight(dbgs(), BB););
795           }
796           if (VisitedBlocks.insert(BB))
797             Changed = true;
798         } else if (NumUnknownEdges == 1 && VisitedBlocks.count(BB)) {
799           // If there is a single unknown edge and the block has been
800           // visited, then we can compute E's weight.
801           if (BBWeight >= TotalWeight)
802             EdgeWeights[UnknownEdge] = BBWeight - TotalWeight;
803           else
804             EdgeWeights[UnknownEdge] = 0;
805           VisitedEdges.insert(UnknownEdge);
806           Changed = true;
807           DEBUG(dbgs() << "Set weight for edge: ";
808                 printEdgeWeight(dbgs(), UnknownEdge));
809         }
810       } else if (SelfReferentialEdge.first && VisitedBlocks.count(BB)) {
811         unsigned &BBWeight = BlockWeights[BB];
812         // We have a self-referential edge and the weight of BB is known.
813         if (BBWeight >= TotalWeight)
814           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = BBWeight - TotalWeight;
815         else
816           EdgeWeights[SelfReferentialEdge] = 0;
817         VisitedEdges.insert(SelfReferentialEdge);
818         Changed = true;
819         DEBUG(dbgs() << "Set self-referential edge weight to: ";
820               printEdgeWeight(dbgs(), SelfReferentialEdge));
821       }
822     }
823   }
824
825   return Changed;
826 }
827
828 /// \brief Build in/out edge lists for each basic block in the CFG.
829 ///
830 /// We are interested in unique edges. If a block B1 has multiple
831 /// edges to another block B2, we only add a single B1->B2 edge.
832 void SampleFunctionProfile::buildEdges(Function &F) {
833   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
834     BasicBlock *B1 = I;
835
836     // Add predecessors for B1.
837     SmallPtrSet<BasicBlock *, 16> Visited;
838     if (!Predecessors[B1].empty())
839       llvm_unreachable("Found a stale predecessors list in a basic block.");
840     for (pred_iterator PI = pred_begin(B1), PE = pred_end(B1); PI != PE; ++PI) {
841       BasicBlock *B2 = *PI;
842       if (Visited.insert(B2))
843         Predecessors[B1].push_back(B2);
844     }
845
846     // Add successors for B1.
847     Visited.clear();
848     if (!Successors[B1].empty())
849       llvm_unreachable("Found a stale successors list in a basic block.");
850     for (succ_iterator SI = succ_begin(B1), SE = succ_end(B1); SI != SE; ++SI) {
851       BasicBlock *B2 = *SI;
852       if (Visited.insert(B2))
853         Successors[B1].push_back(B2);
854     }
855   }
856 }
857
858 /// \brief Propagate weights into edges
859 ///
860 /// The following rules are applied to every block B in the CFG:
861 ///
862 /// - If B has a single predecessor/successor, then the weight
863 ///   of that edge is the weight of the block.
864 ///
865 /// - If all incoming or outgoing edges are known except one, and the
866 ///   weight of the block is already known, the weight of the unknown
867 ///   edge will be the weight of the block minus the sum of all the known
868 ///   edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
869 ///   we set the unknown edge weight to zero.
870 ///
871 /// - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
872 ///   known, the weight for that edge is set to the weight of the block
873 ///   minus the weight of the other incoming edges to that block (if
874 ///   known).
875 void SampleFunctionProfile::propagateWeights(Function &F) {
876   bool Changed = true;
877   unsigned i = 0;
878
879   // Before propagation starts, build, for each block, a list of
880   // unique predecessors and successors. This is necessary to handle
881   // identical edges in multiway branches. Since we visit all blocks and all
882   // edges of the CFG, it is cleaner to build these lists once at the start
883   // of the pass.
884   buildEdges(F);
885
886   // Propagate until we converge or we go past the iteration limit.
887   while (Changed && i++ < SampleProfileMaxPropagateIterations) {
888     Changed = propagateThroughEdges(F);
889   }
890
891   // Generate MD_prof metadata for every branch instruction using the
892   // edge weights computed during propagation.
893   DEBUG(dbgs() << "\nPropagation complete. Setting branch weights\n");
894   MDBuilder MDB(F.getContext());
895   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
896     BasicBlock *B = I;
897     TerminatorInst *TI = B->getTerminator();
898     if (TI->getNumSuccessors() == 1)
899       continue;
900     if (!isa<BranchInst>(TI) && !isa<SwitchInst>(TI))
901       continue;
902
903     DEBUG(dbgs() << "\nGetting weights for branch at line "
904                  << TI->getDebugLoc().getLine() << ".\n");
905     SmallVector<unsigned, 4> Weights;
906     bool AllWeightsZero = true;
907     for (unsigned I = 0; I < TI->getNumSuccessors(); ++I) {
908       BasicBlock *Succ = TI->getSuccessor(I);
909       Edge E = std::make_pair(B, Succ);
910       unsigned Weight = EdgeWeights[E];
911       DEBUG(dbgs() << "\t"; printEdgeWeight(dbgs(), E));
912       Weights.push_back(Weight);
913       if (Weight != 0)
914         AllWeightsZero = false;
915     }
916
917     // Only set weights if there is at least one non-zero weight.
918     // In any other case, let the analyzer set weights.
919     if (!AllWeightsZero) {
920       DEBUG(dbgs() << "SUCCESS. Found non-zero weights.\n");
921       TI->setMetadata(llvm::LLVMContext::MD_prof,
922                       MDB.createBranchWeights(Weights));
923     } else {
924       DEBUG(dbgs() << "SKIPPED. All branch weights are zero.\n");
925     }
926   }
927 }
928
929 /// \brief Get the line number for the function header.
930 ///
931 /// This looks up function \p F in the current compilation unit and
932 /// retrieves the line number where the function is defined. This is
933 /// line 0 for all the samples read from the profile file. Every line
934 /// number is relative to this line.
935 ///
936 /// \param F  Function object to query.
937 ///
938 /// \returns the line number where \p F is defined.
939 unsigned SampleFunctionProfile::getFunctionLoc(Function &F) {
940   NamedMDNode *CUNodes = F.getParent()->getNamedMetadata("llvm.dbg.cu");
941   if (CUNodes) {
942     for (unsigned I = 0, E1 = CUNodes->getNumOperands(); I != E1; ++I) {
943       DICompileUnit CU(CUNodes->getOperand(I));
944       DIArray Subprograms = CU.getSubprograms();
945       for (unsigned J = 0, E2 = Subprograms.getNumElements(); J != E2; ++J) {
946         DISubprogram Subprogram(Subprograms.getElement(J));
947         if (Subprogram.describes(&F))
948           return Subprogram.getLineNumber();
949       }
950     }
951   }
952
953   report_fatal_error("No debug information found in function " + F.getName() +
954                      "\n");
955 }
956
957 /// \brief Generate branch weight metadata for all branches in \p F.
958 ///
959 /// Branch weights are computed out of instruction samples using a
960 /// propagation heuristic. Propagation proceeds in 3 phases:
961 ///
962 /// 1- Assignment of block weights. All the basic blocks in the function
963 ///    are initial assigned the same weight as their most frequently
964 ///    executed instruction.
965 ///
966 /// 2- Creation of equivalence classes. Since samples may be missing from
967 ///    blocks, we can fill in the gaps by setting the weights of all the
968 ///    blocks in the same equivalence class to the same weight. To compute
969 ///    the concept of equivalence, we use dominance and loop information.
970 ///    Two blocks B1 and B2 are in the same equivalence class if B1
971 ///    dominates B2, B2 post-dominates B1 and both are in the same loop.
972 ///
973 /// 3- Propagation of block weights into edges. This uses a simple
974 ///    propagation heuristic. The following rules are applied to every
975 ///    block B in the CFG:
976 ///
977 ///    - If B has a single predecessor/successor, then the weight
978 ///      of that edge is the weight of the block.
979 ///
980 ///    - If all the edges are known except one, and the weight of the
981 ///      block is already known, the weight of the unknown edge will
982 ///      be the weight of the block minus the sum of all the known
983 ///      edges. If the sum of all the known edges is larger than B's weight,
984 ///      we set the unknown edge weight to zero.
985 ///
986 ///    - If there is a self-referential edge, and the weight of the block is
987 ///      known, the weight for that edge is set to the weight of the block
988 ///      minus the weight of the other incoming edges to that block (if
989 ///      known).
990 ///
991 /// Since this propagation is not guaranteed to finalize for every CFG, we
992 /// only allow it to proceed for a limited number of iterations (controlled
993 /// by -sample-profile-max-propagate-iterations).
994 ///
995 /// FIXME: Try to replace this propagation heuristic with a scheme
996 /// that is guaranteed to finalize. A work-list approach similar to
997 /// the standard value propagation algorithm used by SSA-CCP might
998 /// work here.
999 ///
1000 /// Once all the branch weights are computed, we emit the MD_prof
1001 /// metadata on B using the computed values for each of its branches.
1002 ///
1003 /// \param F The function to query.
1004 bool SampleFunctionProfile::emitAnnotations(Function &F, DominatorTree *DomTree,
1005                                             PostDominatorTree *PostDomTree,
1006                                             LoopInfo *Loops) {
1007   bool Changed = false;
1008
1009   // Initialize invariants used during computation and propagation.
1010   HeaderLineno = getFunctionLoc(F);
1011   DEBUG(dbgs() << "Line number for the first instruction in " << F.getName()
1012                << ": " << HeaderLineno << "\n");
1013   DT = DomTree;
1014   PDT = PostDomTree;
1015   LI = Loops;
1016   Ctx = &F.getParent()->getContext();
1017
1018   // Compute basic block weights.
1019   Changed |= computeBlockWeights(F);
1020
1021   if (Changed) {
1022     // Find equivalence classes.
1023     findEquivalenceClasses(F);
1024
1025     // Propagate weights to all edges.
1026     propagateWeights(F);
1027   }
1028
1029   return Changed;
1030 }
1031
1032 char SampleProfileLoader::ID = 0;
1033 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1034                       "Sample Profile loader", false, false)
1035 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
1036 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(PostDominatorTree)
1037 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
1038 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AddDiscriminators)
1039 INITIALIZE_PASS_END(SampleProfileLoader, "sample-profile",
1040                     "Sample Profile loader", false, false)
1041
1042 bool SampleProfileLoader::doInitialization(Module &M) {
1043   Profiler.reset(new SampleModuleProfile(Filename));
1044   Profiler->loadText();
1045   return true;
1046 }
1047
1048 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass() {
1049   return new SampleProfileLoader(SampleProfileFile);
1050 }
1051
1052 FunctionPass *llvm::createSampleProfileLoaderPass(StringRef Name) {
1053   return new SampleProfileLoader(Name);
1054 }
1055
1056 bool SampleProfileLoader::runOnFunction(Function &F) {
1057   DominatorTree *DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1058   PostDominatorTree *PDT = &getAnalysis<PostDominatorTree>();
1059   LoopInfo *LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1060   SampleFunctionProfile &FunctionProfile = Profiler->getProfile(F);
1061   if (!FunctionProfile.empty())
1062     return FunctionProfile.emitAnnotations(F, DT, PDT, LI);
1063   return false;
1064 }