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[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/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
32 #include "llvm/Support/Compiler.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 using namespace llvm;
36
37 STATISTIC(NumEliminated, "Number of unconditional branches eliminated");
38
39 namespace {
40   cl::opt<unsigned>
41   Threshold("taildup-threshold", cl::desc("Max block size to tail duplicate"),
42             cl::init(6), cl::Hidden);
43   class VISIBILITY_HIDDEN TailDup : public FunctionPass {
44     bool runOnFunction(Function &F);
45   public:
46     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
47     TailDup() : FunctionPass((intptr_t)&ID) {}
48
49   private:
50     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
51     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
52   };
53   char TailDup::ID = 0;
54   RegisterPass<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
55 }
56
57 // Public interface to the Tail Duplication pass
58 FunctionPass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
59
60 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
61 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
62 ///
63 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
64   bool Changed = false;
65   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
66     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
67       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
68       Changed = true;
69     } else {
70       ++I;
71     }
72   return Changed;
73 }
74
75 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
76 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
77 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
78 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
79 /// up to 4 instructions to the new block.
80 ///
81 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
82 /// contents of the block are copied over.
83 ///
84 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
85   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
86   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
87
88   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
89   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
90
91   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
92   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
93   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
94     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
95       return false;                                 // Do not loop infinitely!
96
97   // FIXME: DemoteRegToStack cannot yet demote invoke instructions to the stack,
98   // because doing so would require breaking critical edges.  This should be
99   // fixed eventually.
100   if (!DTI->use_empty())
101     return false;
102
103   // Do not bother working on dead blocks...
104   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
105   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
106     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
107
108   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
109   // CFG will fold these two blocks together!
110   ++PI;
111   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
112
113   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
114   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
115
116   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++I) {
117     if (Size == Threshold) return false;  // The block is too large.
118     
119     // Don't tail duplicate call instructions.  They are very large compared to
120     // other instructions.
121     if (isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I)) return false;
122     
123     // Only count instructions that are not debugger intrinsics.
124     if (!isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ++Size;
125   }
126
127   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
128   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
129   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
130   // cases that have a large number of indirect gotos.
131   unsigned NumSuccs = DTI->getNumSuccessors();
132   if (NumSuccs > 8) {
133     unsigned TooMany = 128;
134     if (NumSuccs >= TooMany) return false;
135     TooMany = TooMany/NumSuccs;
136     for (; PI != PE; ++PI)
137       if (TooMany-- == 0) return false;
138   }
139   
140   // Finally, if this unconditional branch is a fall-through, be careful about
141   // tail duplicating it.  In particular, we don't want to taildup it if the
142   // original block will still be there after taildup is completed: doing so
143   // would eliminate the fall-through, requiring unconditional branches.
144   Function::iterator DestI = Dest;
145   if (&*--DestI == BI->getParent()) {
146     // The uncond branch is a fall-through.  Tail duplication of the block is
147     // will eliminate the fall-through-ness and end up cloning the terminator
148     // at the end of the Dest block.  Since the original Dest block will
149     // continue to exist, this means that one or the other will not be able to
150     // fall through.  One typical example that this helps with is code like:
151     // if (a)
152     //   foo();
153     // if (b)
154     //   foo();
155     // Cloning the 'if b' block into the end of the first foo block is messy.
156     
157     // The messy case is when the fall-through block falls through to other
158     // blocks.  This is what we would be preventing if we cloned the block.
159     DestI = Dest;
160     if (++DestI != Dest->getParent()->end()) {
161       BasicBlock *DestSucc = DestI;
162       // If any of Dest's successors are fall-throughs, don't do this xform.
163       for (succ_iterator SI = succ_begin(Dest), SE = succ_end(Dest);
164            SI != SE; ++SI)
165         if (*SI == DestSucc)
166           return false;
167     }
168   }
169
170   return true;
171 }
172
173 /// FindObviousSharedDomOf - We know there is a branch from SrcBlock to
174 /// DestBlock, and that SrcBlock is not the only predecessor of DstBlock.  If we
175 /// can find a predecessor of SrcBlock that is a dominator of both SrcBlock and
176 /// DstBlock, return it.
177 static BasicBlock *FindObviousSharedDomOf(BasicBlock *SrcBlock,
178                                           BasicBlock *DstBlock) {
179   // SrcBlock must have a single predecessor.
180   pred_iterator PI = pred_begin(SrcBlock), PE = pred_end(SrcBlock);
181   if (PI == PE || ++PI != PE) return 0;
182
183   BasicBlock *SrcPred = *pred_begin(SrcBlock);
184
185   // Look at the predecessors of DstBlock.  One of them will be SrcBlock.  If
186   // there is only one other pred, get it, otherwise we can't handle it.
187   PI = pred_begin(DstBlock); PE = pred_end(DstBlock);
188   BasicBlock *DstOtherPred = 0;
189   if (*PI == SrcBlock) {
190     if (++PI == PE) return 0;
191     DstOtherPred = *PI;
192     if (++PI != PE) return 0;
193   } else {
194     DstOtherPred = *PI;
195     if (++PI == PE || *PI != SrcBlock || ++PI != PE) return 0;
196   }
197
198   // We can handle two situations here: "if then" and "if then else" blocks.  An
199   // 'if then' situation is just where DstOtherPred == SrcPred.
200   if (DstOtherPred == SrcPred)
201     return SrcPred;
202
203   // Check to see if we have an "if then else" situation, which means that
204   // DstOtherPred will have a single predecessor and it will be SrcPred.
205   PI = pred_begin(DstOtherPred); PE = pred_end(DstOtherPred);
206   if (PI != PE && *PI == SrcPred) {
207     if (++PI != PE) return 0;  // Not a single pred.
208     return SrcPred;  // Otherwise, it's an "if then" situation.  Return the if.
209   }
210
211   // Otherwise, this is something we can't handle.
212   return 0;
213 }
214
215
216 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
217 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
218 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
219 /// block, we may need to insert PHI nodes.
220 ///
221 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
222   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
223   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
224   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
225
226   DOUT << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
227        << "]: Eliminating branch: " << *Branch;
228
229   // See if we can avoid duplicating code by moving it up to a dominator of both
230   // blocks.
231   if (BasicBlock *DomBlock = FindObviousSharedDomOf(SourceBlock, DestBlock)) {
232     DOUT << "Found shared dominator: " << DomBlock->getName() << "\n";
233
234     // If there are non-phi instructions in DestBlock that have no operands
235     // defined in DestBlock, and if the instruction has no side effects, we can
236     // move the instruction to DomBlock instead of duplicating it.
237     BasicBlock::iterator BBI = DestBlock->begin();
238     while (isa<PHINode>(BBI)) ++BBI;
239     while (!isa<TerminatorInst>(BBI)) {
240       Instruction *I = BBI++;
241
242       bool CanHoist = !I->isTrapping() && !I->mayWriteToMemory();
243       if (CanHoist) {
244         for (unsigned op = 0, e = I->getNumOperands(); op != e; ++op)
245           if (Instruction *OpI = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(op)))
246             if (OpI->getParent() == DestBlock ||
247                 (isa<InvokeInst>(OpI) && OpI->getParent() == DomBlock)) {
248               CanHoist = false;
249               break;
250             }
251         if (CanHoist) {
252           // Remove from DestBlock, move right before the term in DomBlock.
253           DestBlock->getInstList().remove(I);
254           DomBlock->getInstList().insert(DomBlock->getTerminator(), I);
255           DOUT << "Hoisted: " << *I;
256         }
257       }
258     }
259   }
260
261   // Tail duplication can not update SSA properties correctly if the values
262   // defined in the duplicated tail are used outside of the tail itself.  For
263   // this reason, we spill all values that are used outside of the tail to the
264   // stack.
265   for (BasicBlock::iterator I = DestBlock->begin(); I != DestBlock->end(); ++I)
266     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
267          ++UI) {
268       bool ShouldDemote = false;
269       if (cast<Instruction>(*UI)->getParent() != DestBlock) {
270         // We must allow our successors to use tail values in their PHI nodes
271         // (if the incoming value corresponds to the tail block).
272         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(*UI)) {
273           for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
274             if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
275                 PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
276               ShouldDemote = true;
277               break;
278             }
279
280         } else {
281           ShouldDemote = true;
282         }
283       } else if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(cast<Instruction>(*UI))) {
284         // If the user of this instruction is a PHI node in the current block,
285         // which has an entry from another block using the value, spill it.
286         for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
287           if (PN->getIncomingValue(i) == I &&
288               PN->getIncomingBlock(i) != DestBlock) {
289             ShouldDemote = true;
290             break;
291           }
292       }
293
294       if (ShouldDemote) {
295         // We found a use outside of the tail.  Create a new stack slot to
296         // break this inter-block usage pattern.
297         DemoteRegToStack(*I);
298         break;
299       }
300     }
301
302   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
303   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
304   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
305   // them to our mapping.
306   //
307   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
308
309   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
310   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
311   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
312     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
313
314   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
315   // keeping track of the mapping...
316   //
317   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
318     Instruction *New = BI->clone();
319     New->setName(BI->getName());
320     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
321     ValueMapping[BI] = New;
322   }
323
324   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
325   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
326   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
327   // instructions.
328   //
329   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
330   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
331     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
332       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
333         BI->setOperand(i, Remapped);
334
335   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
336   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
337   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
338        SI != SE; ++SI) {
339     BasicBlock *Succ = *SI;
340     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin(); isa<PHINode>(PNI); ++PNI) {
341       PHINode *PN = cast<PHINode>(PNI);
342       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
343       // DestBlock.
344       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
345
346       // Remap the value if necessary...
347       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
348         IV = MappedIV;
349       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
350     }
351   }
352
353   // Next, remove the old branch instruction, and any PHI node entries that we
354   // had.
355   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
356   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
357   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
358
359   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
360   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
361   // they may not be needed anymore.
362   //
363   if (HadPHINodes)
364     while (BI != SourceBlock->end())
365       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
366         ++BI;
367
368   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
369 }