Change cannonicalization rules: add X,X is represented as multiplies, multiplies
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailDuplication.cpp
1 //===- TailDuplication.cpp - Simplify CFG through tail duplication --------===//
2 //
3 // This pass performs a limited form of tail duplication, intended to simplify
4 // CFGs by removing some unconditional branches.  This pass is necessary to
5 // straighten out loops created by the C front-end, but also is capable of
6 // making other code nicer.  After this pass is run, the CFG simplify pass
7 // should be run to clean up the mess.
8 //
9 // This pass could be enhanced in the future to use profile information to be
10 // more aggressive.
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
15 #include "llvm/Function.h"
16 #include "llvm/iPHINode.h"
17 #include "llvm/iTerminators.h"
18 #include "llvm/Pass.h"
19 #include "llvm/Type.h"
20 #include "llvm/Support/CFG.h"
21 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
22 #include "Support/Debug.h"
23 #include "Support/Statistic.h"
24
25 namespace {
26   Statistic<> NumEliminated("tailduplicate",
27                             "Number of unconditional branches eliminated");
28   Statistic<> NumPHINodes("tailduplicate", "Number of phi nodes inserted");
29
30   class TailDup : public FunctionPass {
31     bool runOnFunction(Function &F);
32   private:
33     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
34     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
35     inline void InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
36                                           BasicBlock *NewBlock);
37     inline Value *GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
38                                   std::map<BasicBlock*, Value*> &ValueMap,
39                                   std::map<BasicBlock*, Value*> &OutValueMap);
40     inline Value *GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
41                                    std::map<BasicBlock*, Value*> &ValueMap,
42                                    std::map<BasicBlock*, Value*> &OutValueMap);
43   };
44   RegisterOpt<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
45 }
46
47 Pass *createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
48
49 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
50 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
51 ///
52 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
53   bool Changed = false;
54   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
55     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
56       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
57       Changed = true;
58     } else {
59       ++I;
60     }
61   return Changed;
62 }
63
64 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
65 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
66 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
67 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
68 /// up to 4 instructions to the new block.
69 ///
70 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
71 /// contents of the block are copied over.
72 ///
73 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
74   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
75   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
76
77   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
78   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
79
80   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
81   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(Dest->getTerminator()))
82     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
83       return false;                                 // Do not loop infinitely!
84
85   // Do not bother working on dead blocks...
86   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
87   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
88     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
89
90   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
91   // CFG will fold these two blocks together!
92   ++PI;
93   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
94
95   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
96   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
97
98   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++Size, ++I)
99     if (Size == 6) return false;  // The block is too large...
100   return true;  
101 }
102
103
104 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
105 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
106 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
107 /// block, we may need to insert PHI nodes.
108 ///
109 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
110   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
111   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
112   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
113
114   DEBUG(std::cerr << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
115                   << "]: Eliminating branch: " << *Branch);
116
117   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
118   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
119   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
120   // them to our mapping.
121   //
122   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
123
124   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
125   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
126   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
127     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
128
129   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
130   // keeping track of the mapping...
131   //
132   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
133     Instruction *New = BI->clone();
134     New->setName(BI->getName());
135     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
136     ValueMapping[BI] = New;
137   }
138
139   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
140   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
141   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
142   // instructions.
143   //
144   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
145   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
146     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
147       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
148         BI->setOperand(i, Remapped);
149
150   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
151   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
152   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
153        SI != SE; ++SI) {
154     BasicBlock *Succ = *SI;
155     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin();
156          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(PNI); ++PNI) {
157       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
158       // DestBlock.
159       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
160       
161       // Remap the value if necessary...
162       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
163         IV = MappedIV;
164       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
165     }
166   }
167   
168   // Now that all of the instructions are correctly copied into the SourceBlock,
169   // we have one more minor problem: the successors of the original DestBB may
170   // use the values computed in DestBB either directly (if DestBB dominated the
171   // block), or through a PHI node.  In either case, we need to insert PHI nodes
172   // into any successors of DestBB (which are now our successors) for each value
173   // that is computed in DestBB, but is used outside of it.  All of these uses
174   // we have to rewrite with the new PHI node.
175   //
176   if (succ_begin(SourceBlock) != succ_end(SourceBlock)) // Avoid wasting time...
177     for (BI = DestBlock->begin(); BI != DestBlock->end(); ++BI)
178       if (BI->getType() != Type::VoidTy)
179         InsertPHINodesIfNecessary(BI, ValueMapping[BI], SourceBlock);
180
181   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
182   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
183   // they may not be needed anymore.
184   //
185   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
186   if (HadPHINodes)
187     while (BI != SourceBlock->end())
188       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
189         ++BI;
190
191   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
192   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
193   
194   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
195 }
196
197 /// InsertPHINodesIfNecessary - So at this point, we cloned the OrigInst
198 /// instruction into the NewBlock with the value of NewInst.  If OrigInst was
199 /// used outside of its defining basic block, we need to insert a PHI nodes into
200 /// the successors.
201 ///
202 void TailDup::InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
203                                         BasicBlock *NewBlock) {
204   // Loop over all of the uses of OrigInst, rewriting them to be newly inserted
205   // PHI nodes, unless they are in the same basic block as OrigInst.
206   BasicBlock *OrigBlock = OrigInst->getParent();
207   std::vector<Instruction*> Users;
208   Users.reserve(OrigInst->use_size());
209   for (Value::use_iterator I = OrigInst->use_begin(), E = OrigInst->use_end();
210        I != E; ++I) {
211     Instruction *In = cast<Instruction>(*I);
212     if (In->getParent() != OrigBlock ||  // Don't modify uses in the orig block!
213         isa<PHINode>(In))
214       Users.push_back(In);
215   }
216
217   // The common case is that the instruction is only used within the block that
218   // defines it.  If we have this case, quick exit.
219   //
220   if (Users.empty()) return; 
221
222   // Otherwise, we have a more complex case, handle it now.  This requires the
223   // construction of a mapping between a basic block and the value to use when
224   // in the scope of that basic block.  This map will map to the original and
225   // new values when in the original or new block, but will map to inserted PHI
226   // nodes when in other blocks.
227   //
228   std::map<BasicBlock*, Value*> ValueMap;
229   std::map<BasicBlock*, Value*> OutValueMap;   // The outgoing value map
230   OutValueMap[OrigBlock] = OrigInst;
231   OutValueMap[NewBlock ] = NewInst;    // Seed the initial values...
232
233   DEBUG(std::cerr << "  ** Inserting PHI nodes for " << OrigInst);
234   while (!Users.empty()) {
235     Instruction *User = Users.back(); Users.pop_back();
236
237     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
238       // PHI nodes must be handled specially here, because their operands are
239       // actually defined in predecessor basic blocks, NOT in the block that the
240       // PHI node lives in.  Note that we have already added entries to PHI nods
241       // which are in blocks that are immediate successors of OrigBlock, so
242       // don't modify them again.
243       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
244         if (PN->getIncomingValue(i) == OrigInst &&
245             PN->getIncomingBlock(i) != OrigBlock) {
246           Value *V = GetValueOutBlock(PN->getIncomingBlock(i), OrigInst,
247                                       ValueMap, OutValueMap);
248           PN->setIncomingValue(i, V);
249         }
250       
251     } else {
252       // Any other user of the instruction can just replace any uses with the
253       // new value defined in the block it resides in.
254       Value *V = GetValueInBlock(User->getParent(), OrigInst, ValueMap,
255                                  OutValueMap);
256       User->replaceUsesOfWith(OrigInst, V);
257     }
258   }
259 }
260
261 /// GetValueInBlock - This is a recursive method which inserts PHI nodes into
262 /// the function until there is a value available in basic block BB.
263 ///
264 Value *TailDup::GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
265                                 std::map<BasicBlock*, Value*> &ValueMap,
266                                 std::map<BasicBlock*, Value*> &OutValueMap) {
267   Value*& BBVal = ValueMap[BB];
268   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
269
270   assert(pred_begin(BB) != pred_end(BB) &&
271          "Propagating PHI nodes to unreachable blocks?");
272
273   // If there is no value already available in this basic block, we need to
274   // either reuse a value from an incoming, dominating, basic block, or we need
275   // to create a new PHI node to merge in different incoming values.  Because we
276   // don't know if we're part of a loop at this point or not, we create a PHI
277   // node, even if we will ultimately eliminate it.
278   PHINode *PN = new PHINode(OrigVal->getType(), OrigVal->getName()+".pn",
279                             BB->begin());
280   BBVal = PN;   // Insert this into the BBVal slot in case of cycles...
281
282   Value*& BBOutVal = OutValueMap[BB];
283   if (BBOutVal == 0) BBOutVal = PN;
284
285   // Now that we have created the PHI node, loop over all of the predecessors of
286   // this block, computing an incoming value for the predecessor.
287   std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
288   for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
289     PN->addIncoming(GetValueOutBlock(Preds[i], OrigVal, ValueMap, OutValueMap),
290                     Preds[i]);
291
292   // The PHI node is complete.  In many cases, however the PHI node was
293   // ultimately unnecessary: we could have just reused a dominating incoming
294   // value.  If this is the case, nuke the PHI node and replace the map entry
295   // with the dominating value.
296   //
297   assert(PN->getNumIncomingValues() > 0 && "No predecessors?");
298
299   // Check to see if all of the elements in the PHI node are either the PHI node
300   // itself or ONE particular value.
301   unsigned i = 0;
302   Value *ReplVal = PN->getIncomingValue(i);
303   for (; ReplVal == PN && i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
304     ReplVal = PN->getIncomingValue(i);  // Skip values equal to the PN
305
306   for (; i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
307     if (PN->getIncomingValue(i) != PN && PN->getIncomingValue(i) != ReplVal) {
308       ReplVal = 0;
309       break;
310     }
311
312   // Found a value to replace the PHI node with?
313   if (ReplVal && ReplVal != PN) {
314     PN->replaceAllUsesWith(ReplVal);
315     BBVal = ReplVal;
316     if (BBOutVal == PN) BBOutVal = ReplVal;
317     BB->getInstList().erase(PN);   // Erase the PHI node...
318   } else {
319     ++NumPHINodes;
320   }
321
322   return BBVal;
323 }
324
325 Value *TailDup::GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
326                                  std::map<BasicBlock*, Value*> &ValueMap,
327                                  std::map<BasicBlock*, Value*> &OutValueMap) {
328   Value*& BBVal = OutValueMap[BB];
329   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
330
331   return BBVal = GetValueInBlock(BB, OrigVal, ValueMap, OutValueMap);
332 }