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