move some functions, add a comment.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailDuplication.cpp
1 //===- TailDuplication.cpp - Simplify CFG through tail duplication --------===//
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 performs a limited form of tail duplication, intended to simplify
11 // CFGs by removing some unconditional branches.  This pass is necessary to
12 // straighten out loops created by the C front-end, but also is capable of
13 // making other code nicer.  After this pass is run, the CFG simplify pass
14 // should be run to clean up the mess.
15 //
16 // This pass could be enhanced in the future to use profile information to be
17 // more aggressive.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #define DEBUG_TYPE "tailduplicate"
22 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
23 #include "llvm/Constant.h"
24 #include "llvm/Function.h"
25 #include "llvm/Instructions.h"
26 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
27 #include "llvm/Pass.h"
28 #include "llvm/Type.h"
29 #include "llvm/Support/CFG.h"
30 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
31 #include "llvm/Analysis/MallocHelper.h"
32 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
33 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
34 #include "llvm/Support/Debug.h"
35 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
36 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
37 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
38 #include <map>
39 using namespace llvm;
40
41 STATISTIC(NumEliminated, "Number of unconditional branches eliminated");
42
43 static cl::opt<unsigned>
44 TailDupThreshold("taildup-threshold",
45                  cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
46                  cl::init(1), cl::Hidden);
47
48 namespace {
49   class TailDup : public FunctionPass {
50     bool runOnFunction(Function &F);
51   public:
52     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
53     TailDup() : FunctionPass(&ID) {}
54
55   private:
56     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *, unsigned);
57     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
58     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> CycleDetector;
59   };
60 }
61
62 char TailDup::ID = 0;
63 static RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
64
65 // Public interface to the Tail Duplication pass
66 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
67
68 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
69 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.  CycleDetector
70 /// prevents infinite loops by checking that we aren't redirecting a branch to
71 /// a place it already pointed to earlier; see PR 2323.
72 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
73   bool Changed = false;
74   CycleDetector.clear();
75   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ) {
76     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator(),
77                                            TailDupThreshold)) {
78       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
79       Changed = true;
80     } else {
81       ++I;
82       CycleDetector.clear();
83     }
84   }
85   return Changed;
86 }
87
88 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
89 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
90 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
91 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
92 /// up to 4 instructions to the new block.
93 ///
94 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
95 /// contents of the block are copied over.
96 ///
97 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI,
98                                                  unsigned Threshold) {
99   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
100   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
101
102   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
103   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
104
105   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
106   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
107   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
108     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
109       return false;                                 // Do not loop infinitely!
110
111   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
112   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
113   // fixed eventually.
114   if (!DTI->use_empty())
115     return false;
116
117   // Do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
118   // CFG will fold these two blocks together!
119   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
120   ++PI;
121   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
122
123   BasicBlock::iterator I = Dest->getFirstNonPHI();
124
125   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
126     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
127     
128     // Don't tail duplicate call instructions.  They are very large compared to
129     // other instructions.
130     if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) return false;
131
132     // Allso alloca and malloc.
133     if (isa<AllocationInst>(I) || isMalloc(I)) return false;
134
135     // Some vector instructions can expand into a number of instructions.
136     if (isa<ShuffleVectorInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
137         isa<InsertElementInst>(I)) return false;
138     
139     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
140     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
141   }
142
143   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
144   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
145   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
146   // cases that have a large number of indirect gotos.
147   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
148   if (NumSuccs > 8) {
149     unsigned TooMany = 128;
150     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
151     TooMany = TooMany/NumSuccs;
152     for (; PI != PE; ++PI)
153       if (TooMany-- == 0) return false;
154   }
155   
156   // If this unconditional branch is a fall-through, be careful about
157   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
158   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
159   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
160   Function::iterator DestI = Dest;
161   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
162     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
163     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
164     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
165     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
166     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
167     // if (a)
168     //   foo();
169     // if (b)
170     //   foo();
171     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
172     
173     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
174     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
175     DestI = Dest;
176     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
177       BasicBlock *DestSucc = DestI;
178       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
179       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
180            SI != SE; ++SI)
181         if (*SI == DestSucc)
182           return false;
183     }
184   }
185
186   // Finally, check that we haven't redirected to this target block earlier;
187   // there are cases where we loop forever if we don't check this (PR 2323).
188   if (!CycleDetector.insert(Dest))
189     return false;
190
191   return true;
192 }
193
194 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
195 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
196 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
197 /// DstBlock, return it.
198 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
199                                           BasicBlock *DstBlock) {
200   // SrcBlock must have a single predecessor.
201   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
202   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
203
204   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
205
206   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
207   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
208   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
209   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
210   if (*PI == SrcBlock) {
211     if (++PI == PE) return 0;
212     DstOtherPred = *PI;
213     if (++PI != PE) return 0;
214   } else {
215     DstOtherPred = *PI;
216     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
217   }
218
219   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
220   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
221   if (DstOtherPred == SrcPred)
222     return SrcPred;
223
224   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
225   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
226   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
227   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
228     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
229     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
230   }
231
232   // Otherwise, this is something we can't handle.
233   return 0;
234 }
235
236
237 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
238 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
239 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
240 /// block, we may need to insert PHI nodes.
241 ///
242 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
243   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
244   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
245   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
246
247   DEBUG(errs() << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
248         << "]: Eliminating branch: " << *Branch);
249
250   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
251   // blocks.
252   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
253     DEBUG(errs() << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n");
254
255     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
256     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
257     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
258     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->getFirstNonPHI();
259     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
260       Instruction *I = BBI++;
261
262       bool CanHoist = I->isSafeToSpeculativelyExecute() &&
263                       !I->mayReadFromMemory();
264       if (CanHoist) {
265         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
266           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
267             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
268                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
269               CanHoist = false;
270               break;
271             }
272         if (CanHoist) {
273           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
274           DestBlock->getInstList().remove(I);
275           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
276           DEBUG(errs() << "Hoisted: " << *I);
277         }
278       }
279     }
280   }
281
282   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
283   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
284   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
285   // stack.
286   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
287     if (I->isUsedOutsideOfBlock(DestBlock)) {
288       // We found a use outside of the tail.  Create a new stack slot to
289       // break this inter-block usage pattern.
290       DemoteRegToStack(*I);
291     }
292
293   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
294   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
295   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
296   // them to our mapping.
297   //
298   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
299
300   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
301   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
302   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
303     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
304
305   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
306   // keeping track of the mapping...
307   //
308   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
309     Instruction *New = BI->clone(BI->getContext());
310     New->setName(BI->getName());
311     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
312     ValueMapping[BI] = New;
313   }
314
315   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
316   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
317   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
318   // instructions.
319   //
320   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
321   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
322     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
323       std::map<Value*, Value*>::const_iterator I =
324         ValueMapping.find(BI->getOperand(i));
325       if (I != ValueMapping.end())
326         BI->setOperand(i, I->second);
327     }
328
329   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
330   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
331   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
332        SI != SE; ++SI) {
333     BasicBlock *Succ = *SI;
334     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
335       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
336       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
337       // DestBlock.
338       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
339
340       // Remap the value if necessary...
341       std::map<Value*, Value*>::const_iterator I = ValueMapping.find(IV);
342       if (I != ValueMapping.end())
343         IV = I->second;
344       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
345     }
346   }
347
348   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
349   // had.
350   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
351   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
352   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
353
354   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
355   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
356   // they may not be needed anymore.
357   //
358   if (HadPHINodes) {
359     while (BI != SourceBlock->end()) {
360       Instruction *Inst = BI++;
361       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
362         Inst->eraseFromParent();
363       else if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(Inst,
364                                                      Inst->getContext())) {
365         Inst->replaceAllUsesWith(C);
366         Inst->eraseFromParent();
367       }
368     }
369   }
370
371   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
372 }