lib/Transforms/Utils/LCSSA.cpp

   1 //===-- LCSSA.cpp - Convert loops into loop-closed SSA form ---------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file was developed by Owen Anderson and is distributed under the
   6 // University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This pass transforms loops by placing phi nodes at the end of the loops for
  11 // all values that are live across the loop boundary.  For example, it turns
  12 // the left into the right code:
  13 //
  14 // for (...)                for (...)
  15 //   if (c)                   if(c)
  16 //     X1 = ...                 X1 = ...
  17 //   else                     else
  18 //     X2 = ...                 X2 = ...
  19 //   X3 = phi(X1, X2)         X3 = phi(X1, X2)
  20 // ... = X3 + 4              X4 = phi(X3)
  21 //                           ... = X4 + 4
  22 //
  23 // This is still valid LLVM; the extra phi nodes are purely redundant, and will
  24 // be trivially eliminated by InstCombine.  The major benefit of this
  25 // transformation is that it makes many other loop optimizations, such as
  26 // LoopUnswitching, simpler.
  27 //
  28 //===----------------------------------------------------------------------===//
  29
  30 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  31 #include "llvm/Pass.h"
  32 #include "llvm/Function.h"
  33 #include "llvm/Instructions.h"
  34 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
  35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  36 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
  37 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  38 #include "llvm/Support/CFG.h"
  39 #include <algorithm>
  40 #include <map>
  41
  42 using namespace llvm;
  43
  44 namespace {
  45   static Statistic<> NumLCSSA("lcssa",
  46                               "Number of live out of a loop variables");
  47
  48   class LCSSA : public FunctionPass {
  49   public:
  50
  51
  52     LoopInfo *LI;  // Loop information
  53     DominatorTree *DT;       // Dominator Tree for the current Loop...
  54     DominanceFrontier *DF;   // Current Dominance Frontier
  55     std::vector<BasicBlock*> *LoopBlocks;
  56
  57     virtual bool runOnFunction(Function &F);
  58     bool visitSubloop(Loop* L);
  59     void processInstruction(Instruction* Instr,
  60                             const std::vector<BasicBlock*>& exitBlocks);
  61
  62     /// This transformation requires natural loop information & requires that
  63     /// loop preheaders be inserted into the CFG.  It maintains both of these,
  64     /// as well as the CFG.  It also requires dominator information.
  65     ///
  66     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  67       AU.setPreservesCFG();
  68       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
  69       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
  70       AU.addRequired<LoopInfo>();
  71       AU.addRequired<DominatorTree>();
  72       AU.addRequired<DominanceFrontier>();
  73     }
  74   private:
  75     SetVector<Instruction*> getLoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L);
  76     Instruction *getValueDominatingBlock(BasicBlock *BB,
  77                                   std::map<BasicBlock*, Instruction*>& PotDoms);
  78
  79     bool inLoopBlocks(BasicBlock* B) { return std::binary_search(
  80                                    LoopBlocks->begin(), LoopBlocks->end(), B); }
  81   };
  82
  83   RegisterOpt<LCSSA> X("lcssa", "Loop-Closed SSA Form Pass");
  84 }
  85
  86 FunctionPass *llvm::createLCSSAPass() { return new LCSSA(); }
  87
  88 bool LCSSA::runOnFunction(Function &F) {
  89   bool changed = false;
  90   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
  91   DF = &getAnalysis<DominanceFrontier>();
  92   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
  93   LoopBlocks = new std::vector<BasicBlock*>;
  94
  95   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I) {
  96     changed |= visitSubloop(*I);
  97   }
  98
  99   return changed;
 100 }
 101
 102 bool LCSSA::visitSubloop(Loop* L) {
 103   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
 104     visitSubloop(*I);
 105
 106   // Speed up queries by creating a sorted list of blocks
 107   LoopBlocks->clear();
 108   LoopBlocks->insert(LoopBlocks->end(), L->block_begin(), L->block_end());
 109   std::sort(LoopBlocks->begin(), LoopBlocks->end());
 110
 111   SetVector<Instruction*> AffectedValues = getLoopValuesUsedOutsideLoop(L);
 112
 113   // If no values are affected, we can save a lot of work, since we know that
 114   // nothing will be changed.
 115   if (AffectedValues.empty())
 116     return false;
 117
 118   std::vector<BasicBlock*> exitBlocks;
 119   L->getExitBlocks(exitBlocks);
 120
 121
 122   // Iterate over all affected values for this loop and insert Phi nodes
 123   // for them in the appropriate exit blocks
 124
 125   for (SetVector<Instruction*>::iterator I = AffectedValues.begin(),
 126        E = AffectedValues.end(); I != E; ++I) {
 127     processInstruction(*I, exitBlocks);
 128   }
 129
 130   return true; // FIXME: Should be more intelligent in our return value.
 131 }
 132
 133 /// processInstruction -
 134 void LCSSA::processInstruction(Instruction* Instr,
 135                                const std::vector<BasicBlock*>& exitBlocks)
 136 {
 137   ++NumLCSSA; // We are applying the transformation
 138
 139   std::map<BasicBlock*, Instruction*> Phis;
 140
 141   // Add the base instruction to the Phis list.  This makes tracking down
 142   // the dominating values easier when we're filling in Phi nodes.  This will
 143   // be removed later, before we perform use replacement.
 144   Phis[Instr->getParent()] = Instr;
 145
 146   // Phi nodes that need to be IDF-processed
 147   std::vector<PHINode*> workList;
 148
 149   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BBI = exitBlocks.begin(),
 150       BBE = exitBlocks.end(); BBI != BBE; ++BBI)
 151     if (DT->getNode(Instr->getParent())->dominates(DT->getNode(*BBI))) {
 152       PHINode *phi = new PHINode(Instr->getType(), "lcssa", (*BBI)->begin());
 153       workList.push_back(phi);
 154       Phis[*BBI] = phi;
 155     }
 156
 157   // Phi nodes that need to have their incoming values filled.
 158   std::vector<PHINode*> needIncomingValues;
 159
 160   // Calculate the IDF of these LCSSA Phi nodes, inserting new Phi's where
 161   // necessary.  Keep track of these new Phi's in the "Phis" map.
 162   while (!workList.empty()) {
 163     PHINode *CurPHI = workList.back();
 164     workList.pop_back();
 165
 166     // Even though we've removed this Phi from the work list, we still need
 167     // to fill in its incoming values.
 168     needIncomingValues.push_back(CurPHI);
 169
 170     // Get the current Phi's DF, and insert Phi nodes.  Add these new
 171     // nodes to our worklist.
 172     DominanceFrontier::const_iterator it = DF->find(CurPHI->getParent());
 173     if (it != DF->end()) {
 174       const DominanceFrontier::DomSetType &S = it->second;
 175       for (DominanceFrontier::DomSetType::const_iterator P = S.begin(),
 176            PE = S.end(); P != PE; ++P) {
 177         Instruction *&Phi = Phis[*P];
 178         if (Phi == 0) {
 179           // Still doesn't have operands...
 180           Phi = new PHINode(Instr->getType(), "lcssa", (*P)->begin());
 181
 182           workList.push_back(cast<PHINode>(Phi));
 183         }
 184       }
 185     }
 186   }
 187
 188   // Fill in all Phis we've inserted that need their incoming values filled in.
 189   for (std::vector<PHINode*>::iterator IVI = needIncomingValues.begin(),
 190        IVE = needIncomingValues.end(); IVI != IVE; ++IVI) {
 191     for (pred_iterator PI = pred_begin((*IVI)->getParent()),
 192          E = pred_end((*IVI)->getParent()); PI != E; ++PI)
 193       (*IVI)->addIncoming(getValueDominatingBlock(*PI, Phis),
 194                           *PI);
 195   }
 196
 197   // Find all uses of the affected value, and replace them with the
 198   // appropriate Phi.
 199   std::vector<Instruction*> Uses;
 200   for (Instruction::use_iterator UI = Instr->use_begin(), UE = Instr->use_end();
 201        UI != UE; ++UI) {
 202     Instruction* use = cast<Instruction>(*UI);
 203     // Don't need to update uses within the loop body, and we don't want to
 204     // overwrite the Phi nodes that we inserted into the exit blocks either.
 205     if (!inLoopBlocks(use->getParent()) &&
 206         !(std::binary_search(exitBlocks.begin(), exitBlocks.end(),
 207         use->getParent()) && isa<PHINode>(use)))
 208       Uses.push_back(use);
 209   }
 210
 211   // Deliberately remove the initial instruction from Phis set.  It would mess
 212   // up use-replacement.
 213   Phis.erase(Instr->getParent());
 214
 215   for (std::vector<Instruction*>::iterator II = Uses.begin(), IE = Uses.end();
 216        II != IE; ++II) {
 217     if (PHINode* phi = dyn_cast<PHINode>(*II)) {
 218       for (unsigned int i = 0; i < phi->getNumIncomingValues(); ++i) {
 219         if (phi->getIncomingValue(i) == Instr) {
 220           Instruction* dominator =
 221                         getValueDominatingBlock(phi->getIncomingBlock(i), Phis);
 222           phi->setIncomingValue(i, dominator);
 223         }
 224       }
 225     } else {
 226        Value *NewVal = getValueDominatingBlock((*II)->getParent(), Phis);
 227        (*II)->replaceUsesOfWith(Instr, NewVal);
 228     }
 229   }
 230 }
 231
 232 /// getLoopValuesUsedOutsideLoop - Return any values defined in the loop that
 233 /// are used by instructions outside of it.
 234 SetVector<Instruction*> LCSSA::getLoopValuesUsedOutsideLoop(Loop *L) {
 235
 236   // FIXME: For large loops, we may be able to avoid a lot of use-scanning
 237   // by using dominance information.  In particular, if a block does not
 238   // dominate any of the loop exits, then none of the values defined in the
 239   // block could be used outside the loop.
 240
 241   SetVector<Instruction*> AffectedValues;
 242   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
 243        BB != E; ++BB) {
 244     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ++I)
 245       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
 246            ++UI) {
 247         BasicBlock *UserBB = cast<Instruction>(*UI)->getParent();
 248         if (!std::binary_search(LoopBlocks->begin(), LoopBlocks->end(), UserBB))
 249         {
 250           AffectedValues.insert(I);
 251           break;
 252         }
 253       }
 254   }
 255   return AffectedValues;
 256 }
 257
 258 Instruction *LCSSA::getValueDominatingBlock(BasicBlock *BB,
 259                                  std::map<BasicBlock*, Instruction*>& PotDoms) {
 260   DominatorTree::Node* bbNode = DT->getNode(BB);
 261   while (bbNode != 0) {
 262     std::map<BasicBlock*, Instruction*>::iterator I =
 263                                                PotDoms.find(bbNode->getBlock());
 264     if (I != PotDoms.end()) {
 265       return (*I).second;
 266     }
 267     bbNode = bbNode->getIDom();
 268   }
 269
 270   assert(0 && "No dominating value found.");
 271
 272   return 0;
 273 }