Disable tail duplication in any "hard" cases, where it might break SSA form.
[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 was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source 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 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
22 #include "llvm/Constant.h"
23 #include "llvm/Function.h"
24 #include "llvm/iPHINode.h"
25 #include "llvm/iTerminators.h"
26 #include "llvm/Pass.h"
27 #include "llvm/Type.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "llvm/Support/ValueHolder.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "Support/Debug.h"
32 #include "Support/Statistic.h"
33 using namespace llvm;
34
35 namespace {
36   Statistic<> NumEliminated("tailduplicate",
37                             "Number of unconditional branches eliminated");
38   Statistic<> NumPHINodes("tailduplicate", "Number of phi nodes inserted");
39
40   class TailDup : public FunctionPass {
41     bool runOnFunction(Function &F);
42   private:
43     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
44     inline bool canEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
45     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
46     inline void InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
47                                           BasicBlock *NewBlock);
48     inline Value *GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
49                                   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
50                               std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap);
51     inline Value *GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
52                                    std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
53                                std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap);
54   };
55   RegisterOpt<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
56 }
57
58 // Public interface to the Tail Duplication pass
59 Pass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
60
61 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
62 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
63 ///
64 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
65   bool Changed = false;
66   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
67     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator()) &&
68         canEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
69       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
70       Changed = true;
71     } else {
72       ++I;
73     }
74   return Changed;
75 }
76
77 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
78 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
79 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
80 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
81 /// up to 4 instructions to the new block.
82 ///
83 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
84 /// contents of the block are copied over.
85 ///
86 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
87   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
88   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
89
90   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
91   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
92
93   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
94   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(Dest->getTerminator()))
95     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
96       return false;                                 // Do not loop infinitely!
97
98   // Do not bother working on dead blocks...
99   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
100   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
101     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
102
103   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
104   // CFG will fold these two blocks together!
105   ++PI;
106   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
107
108   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
109   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
110
111   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++Size, ++I)
112     if (Size == 6) return false;  // The block is too large...
113   return true;  
114 }
115
116 /// canEliminateUnconditionalBranch - Unfortunately, the general form of tail
117 /// duplication can do very bad things to SSA form, by destroying arbitrary
118 /// relationships between dominators and dominator frontiers as it processes the
119 /// program.  The right solution for this is to have an incrementally updating
120 /// dominator data structure, which can gracefully react to arbitrary
121 /// "addEdge/removeEdge" changes to the CFG.  Implementing this is nontrivial,
122 /// however, so we just disable the transformation in cases where it is not
123 /// currently safe.
124 ///
125 bool TailDup::canEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
126   // Basically, we refuse to make the transformation if any of the values
127   // computed in the 'tail' are used in any other basic blocks.
128   BasicBlock *Tail = TI->getSuccessor(0);
129
130   for (BasicBlock::iterator I = Tail->begin(), E = Tail->end(); I != E; ++I)
131     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
132          ++UI) {
133       Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
134       if (User->getParent() != Tail || isa<PHINode>(User))
135         return false;
136     }
137   return true;
138 }
139
140
141 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
142 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
143 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
144 /// block, we may need to insert PHI nodes.
145 ///
146 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
147   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
148   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
149   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
150
151   DEBUG(std::cerr << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
152                   << "]: Eliminating branch: " << *Branch);
153
154   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
155   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
156   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
157   // them to our mapping.
158   //
159   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
160
161   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
162   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
163   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
164     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
165
166   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
167   // keeping track of the mapping...
168   //
169   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
170     Instruction *New = BI->clone();
171     New->setName(BI->getName());
172     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
173     ValueMapping[BI] = New;
174   }
175
176   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
177   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
178   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
179   // instructions.
180   //
181   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
182   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
183     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
184       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
185         BI->setOperand(i, Remapped);
186
187   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
188   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
189   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
190        SI != SE; ++SI) {
191     BasicBlock *Succ = *SI;
192     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin();
193          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(PNI); ++PNI) {
194       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
195       // DestBlock.
196       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
197       
198       // Remap the value if necessary...
199       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
200         IV = MappedIV;
201       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
202     }
203   }
204   
205   // Now that all of the instructions are correctly copied into the SourceBlock,
206   // we have one more minor problem: the successors of the original DestBB may
207   // use the values computed in DestBB either directly (if DestBB dominated the
208   // block), or through a PHI node.  In either case, we need to insert PHI nodes
209   // into any successors of DestBB (which are now our successors) for each value
210   // that is computed in DestBB, but is used outside of it.  All of these uses
211   // we have to rewrite with the new PHI node.
212   //
213   if (succ_begin(SourceBlock) != succ_end(SourceBlock)) // Avoid wasting time...
214     for (BI = DestBlock->begin(); BI != DestBlock->end(); ++BI)
215       if (BI->getType() != Type::VoidTy)
216         InsertPHINodesIfNecessary(BI, ValueMapping[BI], SourceBlock);
217
218   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
219   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
220   // they may not be needed anymore.
221   //
222   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
223   if (HadPHINodes)
224     while (BI != SourceBlock->end())
225       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
226         ++BI;
227
228   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
229   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
230   
231   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
232 }
233
234 /// InsertPHINodesIfNecessary - So at this point, we cloned the OrigInst
235 /// instruction into the NewBlock with the value of NewInst.  If OrigInst was
236 /// used outside of its defining basic block, we need to insert a PHI nodes into
237 /// the successors.
238 ///
239 void TailDup::InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
240                                         BasicBlock *NewBlock) {
241   // Loop over all of the uses of OrigInst, rewriting them to be newly inserted
242   // PHI nodes, unless they are in the same basic block as OrigInst.
243   BasicBlock *OrigBlock = OrigInst->getParent();
244   std::vector<Instruction*> Users;
245   Users.reserve(OrigInst->use_size());
246   for (Value::use_iterator I = OrigInst->use_begin(), E = OrigInst->use_end();
247        I != E; ++I) {
248     Instruction *In = cast<Instruction>(*I);
249     if (In->getParent() != OrigBlock ||  // Don't modify uses in the orig block!
250         isa<PHINode>(In))
251       Users.push_back(In);
252   }
253
254   // The common case is that the instruction is only used within the block that
255   // defines it.  If we have this case, quick exit.
256   //
257   if (Users.empty()) return; 
258
259   // Otherwise, we have a more complex case, handle it now.  This requires the
260   // construction of a mapping between a basic block and the value to use when
261   // in the scope of that basic block.  This map will map to the original and
262   // new values when in the original or new block, but will map to inserted PHI
263   // nodes when in other blocks.
264   //
265   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> ValueMap;
266   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> OutValueMap;   // The outgoing value map
267   OutValueMap[OrigBlock] = OrigInst;
268   OutValueMap[NewBlock ] = NewInst;    // Seed the initial values...
269
270   DEBUG(std::cerr << "  ** Inserting PHI nodes for " << OrigInst);
271   while (!Users.empty()) {
272     Instruction *User = Users.back(); Users.pop_back();
273
274     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
275       // PHI nodes must be handled specially here, because their operands are
276       // actually defined in predecessor basic blocks, NOT in the block that the
277       // PHI node lives in.  Note that we have already added entries to PHI nods
278       // which are in blocks that are immediate successors of OrigBlock, so
279       // don't modify them again.
280       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
281         if (PN->getIncomingValue(i) == OrigInst &&
282             PN->getIncomingBlock(i) != OrigBlock) {
283           Value *V = GetValueOutBlock(PN->getIncomingBlock(i), OrigInst,
284                                       ValueMap, OutValueMap);
285           PN->setIncomingValue(i, V);
286         }
287       
288     } else {
289       // Any other user of the instruction can just replace any uses with the
290       // new value defined in the block it resides in.
291       Value *V = GetValueInBlock(User->getParent(), OrigInst, ValueMap,
292                                  OutValueMap);
293       User->replaceUsesOfWith(OrigInst, V);
294     }
295   }
296 }
297
298 /// GetValueInBlock - This is a recursive method which inserts PHI nodes into
299 /// the function until there is a value available in basic block BB.
300 ///
301 Value *TailDup::GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
302                                 std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
303                                 std::map<BasicBlock*,ValueHolder> &OutValueMap){
304   ValueHolder &BBVal = ValueMap[BB];
305   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
306
307   // If this block has no predecessors, then it must be unreachable, thus, it
308   // doesn't matter which value we use.
309   if (pred_begin(BB) == pred_end(BB))
310     return BBVal = Constant::getNullValue(OrigVal->getType());
311
312   // If there is no value already available in this basic block, we need to
313   // either reuse a value from an incoming, dominating, basic block, or we need
314   // to create a new PHI node to merge in different incoming values.  Because we
315   // don't know if we're part of a loop at this point or not, we create a PHI
316   // node, even if we will ultimately eliminate it.
317   PHINode *PN = new PHINode(OrigVal->getType(), OrigVal->getName()+".pn",
318                             BB->begin());
319   BBVal = PN;   // Insert this into the BBVal slot in case of cycles...
320
321   ValueHolder &BBOutVal = OutValueMap[BB];
322   if (BBOutVal == 0) BBOutVal = PN;
323
324   // Now that we have created the PHI node, loop over all of the predecessors of
325   // this block, computing an incoming value for the predecessor.
326   std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
327   for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
328     PN->addIncoming(GetValueOutBlock(Preds[i], OrigVal, ValueMap, OutValueMap),
329                     Preds[i]);
330
331   // The PHI node is complete.  In many cases, however the PHI node was
332   // ultimately unnecessary: we could have just reused a dominating incoming
333   // value.  If this is the case, nuke the PHI node and replace the map entry
334   // with the dominating value.
335   //
336   assert(PN->getNumIncomingValues() > 0 && "No predecessors?");
337
338   // Check to see if all of the elements in the PHI node are either the PHI node
339   // itself or ONE particular value.
340   unsigned i = 0;
341   Value *ReplVal = PN->getIncomingValue(i);
342   for (; ReplVal == PN && i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
343     ReplVal = PN->getIncomingValue(i);  // Skip values equal to the PN
344
345   for (; i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
346     if (PN->getIncomingValue(i) != PN && PN->getIncomingValue(i) != ReplVal) {
347       ReplVal = 0;
348       break;
349     }
350
351   // Found a value to replace the PHI node with?
352   if (ReplVal && ReplVal != PN) {
353     PN->replaceAllUsesWith(ReplVal);
354     BB->getInstList().erase(PN);   // Erase the PHI node...
355   } else {
356     ++NumPHINodes;
357   }
358
359   return BBVal;
360 }
361
362 Value *TailDup::GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
363                                  std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
364                               std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap) {
365   ValueHolder &BBVal = OutValueMap[BB];
366   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
367
368   return GetValueInBlock(BB, OrigVal, ValueMap, OutValueMap);
369 }