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