[PM/AA] Remove all of the dead AliasAnalysis pointers being threaded
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopSimplify.cpp - Loop Canonicalization Pass ----------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs several transformations to transform natural loops into a
11 // simpler form, which makes subsequent analyses and transformations simpler and
12 // more effective.
13 //
14 // Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical
15 // entry edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a
16 // number of analyses and transformations, such as LICM.
17 //
18 // Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop
19 // (blocks which are outside of the loop that have predecessors inside of the
20 // loop) only have predecessors from inside of the loop (and are thus dominated
21 // by the loop header).  This simplifies transformations such as store-sinking
22 // that are built into LICM.
23 //
24 // This pass also guarantees that loops will have exactly one backedge.
25 //
26 // Indirectbr instructions introduce several complications. If the loop
27 // contains or is entered by an indirectbr instruction, it may not be possible
28 // to transform the loop and make these guarantees. Client code should check
29 // that these conditions are true before relying on them.
30 //
31 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
32 // end up being unnecessary, so usage of this pass should not pessimize
33 // generated code.
34 //
35 // This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
36 // dominator information.
37 //
38 //===----------------------------------------------------------------------===//
39
40 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
41 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
42 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
43 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
45 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
46 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
47 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
48 #include "llvm/Analysis/DependenceAnalysis.h"
49 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
50 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
52 #include "llvm/IR/CFG.h"
53 #include "llvm/IR/Constants.h"
54 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
55 #include "llvm/IR/Dominators.h"
56 #include "llvm/IR/Function.h"
57 #include "llvm/IR/Instructions.h"
58 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
59 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
60 #include "llvm/IR/Module.h"
61 #include "llvm/IR/Type.h"
62 #include "llvm/Support/Debug.h"
63 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
64 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
65 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
66 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
67 using namespace llvm;
68
69 #define DEBUG_TYPE "loop-simplify"
70
71 STATISTIC(NumInserted, "Number of pre-header or exit blocks inserted");
72 STATISTIC(NumNested  , "Number of nested loops split out");
73
74 // If the block isn't already, move the new block to right after some 'outside
75 // block' block.  This prevents the preheader from being placed inside the loop
76 // body, e.g. when the loop hasn't been rotated.
77 static void placeSplitBlockCarefully(BasicBlock *NewBB,
78                                      SmallVectorImpl<BasicBlock *> &SplitPreds,
79                                      Loop *L) {
80   // Check to see if NewBB is already well placed.
81   Function::iterator BBI = NewBB; --BBI;
82   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
83     if (&*BBI == SplitPreds[i])
84       return;
85   }
86
87   // If it isn't already after an outside block, move it after one.  This is
88   // always good as it makes the uncond branch from the outside block into a
89   // fall-through.
90
91   // Figure out *which* outside block to put this after.  Prefer an outside
92   // block that neighbors a BB actually in the loop.
93   BasicBlock *FoundBB = nullptr;
94   for (unsigned i = 0, e = SplitPreds.size(); i != e; ++i) {
95     Function::iterator BBI = SplitPreds[i];
96     if (++BBI != NewBB->getParent()->end() &&
97         L->contains(BBI)) {
98       FoundBB = SplitPreds[i];
99       break;
100     }
101   }
102
103   // If our heuristic for a *good* bb to place this after doesn't find
104   // anything, just pick something.  It's likely better than leaving it within
105   // the loop.
106   if (!FoundBB)
107     FoundBB = SplitPreds[0];
108   NewBB->moveAfter(FoundBB);
109 }
110
111 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
112 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
113 /// preheader insertion and analysis updating.
114 ///
115 BasicBlock *llvm::InsertPreheaderForLoop(Loop *L, Pass *PP) {
116   BasicBlock *Header = L->getHeader();
117
118   // Get analyses that we try to update.
119   auto *DTWP = PP->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
120   auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
121   auto *LIWP = PP->getAnalysisIfAvailable<LoopInfoWrapperPass>();
122   auto *LI = LIWP ? &LIWP->getLoopInfo() : nullptr;
123   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
124
125   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
126   SmallVector<BasicBlock*, 8> OutsideBlocks;
127   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
128        PI != PE; ++PI) {
129     BasicBlock *P = *PI;
130     if (!L->contains(P)) {         // Coming in from outside the loop?
131       // If the loop is branched to from an indirect branch, we won't
132       // be able to fully transform the loop, because it prohibits
133       // edge splitting.
134       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
135
136       // Keep track of it.
137       OutsideBlocks.push_back(P);
138     }
139   }
140
141   // Split out the loop pre-header.
142   BasicBlock *PreheaderBB;
143   PreheaderBB = SplitBlockPredecessors(Header, OutsideBlocks, ".preheader", DT,
144                                        LI, PreserveLCSSA);
145
146   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating pre-header "
147                << PreheaderBB->getName() << "\n");
148
149   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
150   // code layout too horribly.
151   placeSplitBlockCarefully(PreheaderBB, OutsideBlocks, L);
152
153   return PreheaderBB;
154 }
155
156 /// \brief Ensure that the loop preheader dominates all exit blocks.
157 ///
158 /// This method is used to split exit blocks that have predecessors outside of
159 /// the loop.
160 static BasicBlock *rewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit,
161                                         DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
162                                         Pass *PP) {
163   SmallVector<BasicBlock*, 8> LoopBlocks;
164   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I) {
165     BasicBlock *P = *I;
166     if (L->contains(P)) {
167       // Don't do this if the loop is exited via an indirect branch.
168       if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator())) return nullptr;
169
170       LoopBlocks.push_back(P);
171     }
172   }
173
174   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
175   BasicBlock *NewExitBB = nullptr;
176
177   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
178
179   NewExitBB = SplitBlockPredecessors(Exit, LoopBlocks, ".loopexit", DT, LI,
180                                      PreserveLCSSA);
181
182   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Creating dedicated exit block "
183                << NewExitBB->getName() << "\n");
184   return NewExitBB;
185 }
186
187 /// Add the specified block, and all of its predecessors, to the specified set,
188 /// if it's not already in there.  Stop predecessor traversal when we reach
189 /// StopBlock.
190 static void addBlockAndPredsToSet(BasicBlock *InputBB, BasicBlock *StopBlock,
191                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
192   SmallVector<BasicBlock *, 8> Worklist;
193   Worklist.push_back(InputBB);
194   do {
195     BasicBlock *BB = Worklist.pop_back_val();
196     if (Blocks.insert(BB).second && BB != StopBlock)
197       // If BB is not already processed and it is not a stop block then
198       // insert its predecessor in the work list
199       for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I) {
200         BasicBlock *WBB = *I;
201         Worklist.push_back(WBB);
202       }
203   } while (!Worklist.empty());
204 }
205
206 /// \brief The first part of loop-nestification is to find a PHI node that tells
207 /// us how to partition the loops.
208 static PHINode *findPHIToPartitionLoops(Loop *L, DominatorTree *DT,
209                                         AssumptionCache *AC) {
210   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
211   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
212     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
213     ++I;
214     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
215       // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
216       PN->replaceAllUsesWith(V);
217       PN->eraseFromParent();
218       continue;
219     }
220
221     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
222     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
223       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
224           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
225         // We found something tasty to remove.
226         return PN;
227   }
228   return nullptr;
229 }
230
231 /// \brief If this loop has multiple backedges, try to pull one of them out into
232 /// a nested loop.
233 ///
234 /// This is important for code that looks like
235 /// this:
236 ///
237 ///  Loop:
238 ///     ...
239 ///     br cond, Loop, Next
240 ///     ...
241 ///     br cond2, Loop, Out
242 ///
243 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
244 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
245 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
246 ///
247 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
248 /// created.
249 ///
250 static Loop *separateNestedLoop(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
251                                 DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
252                                 ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
253                                 AssumptionCache *AC) {
254   // Don't try to separate loops without a preheader.
255   if (!Preheader)
256     return nullptr;
257
258   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
259   assert(!L->getHeader()->isLandingPad() &&
260          "Can't insert backedge to landing pad");
261
262   PHINode *PN = findPHIToPartitionLoops(L, DT, AC);
263   if (!PN) return nullptr;  // No known way to partition.
264
265   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
266   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
267   // arguments.
268   SmallVector<BasicBlock*, 8> OuterLoopPreds;
269   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
270     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
271         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i))) {
272       // We can't split indirectbr edges.
273       if (isa<IndirectBrInst>(PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()))
274         return nullptr;
275       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
276     }
277   }
278   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Splitting out a new outer loop\n");
279
280   // If ScalarEvolution is around and knows anything about values in
281   // this loop, tell it to forget them, because we're about to
282   // substantially change it.
283   if (SE)
284     SE->forgetLoop(L);
285
286   bool PreserveLCSSA = PP->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID);
287
288   BasicBlock *Header = L->getHeader();
289   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Header, OuterLoopPreds, ".outer",
290                                              DT, LI, PreserveLCSSA);
291
292   // Make sure that NewBB is put someplace intelligent, which doesn't mess up
293   // code layout too horribly.
294   placeSplitBlockCarefully(NewBB, OuterLoopPreds, L);
295
296   // Create the new outer loop.
297   Loop *NewOuter = new Loop();
298
299   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
300   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
301     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
302   else
303     LI->changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
304
305   // L is now a subloop of our outer loop.
306   NewOuter->addChildLoop(L);
307
308   for (Loop::block_iterator I = L->block_begin(), E = L->block_end();
309        I != E; ++I)
310     NewOuter->addBlockEntry(*I);
311
312   // Now reset the header in L, which had been moved by
313   // SplitBlockPredecessors for the outer loop.
314   L->moveToHeader(Header);
315
316   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
317   // the Outer loop now.
318   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
319   for (pred_iterator PI=pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI) {
320     BasicBlock *P = *PI;
321     if (DT->dominates(Header, P))
322       addBlockAndPredsToSet(P, Header, BlocksInL);
323   }
324
325   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
326   // not part of the inner loop.
327   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
328   for (size_t I = 0; I != SubLoops.size(); )
329     if (BlocksInL.count(SubLoops[I]->getHeader()))
330       ++I;   // Loop remains in L
331     else
332       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(SubLoops.begin() + I));
333
334   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
335   // OuterLoop, move any blocks that need it.
336   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
337     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
338     if (!BlocksInL.count(BB)) {
339       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
340       L->removeBlockFromLoop(BB);
341       if ((*LI)[BB] == L)
342         LI->changeLoopFor(BB, NewOuter);
343       --i;
344     }
345   }
346
347   return NewOuter;
348 }
349
350 /// \brief This method is called when the specified loop has more than one
351 /// backedge in it.
352 ///
353 /// If this occurs, revector all of these backedges to target a new basic block
354 /// and have that block branch to the loop header.  This ensures that loops
355 /// have exactly one backedge.
356 static BasicBlock *insertUniqueBackedgeBlock(Loop *L, BasicBlock *Preheader,
357                                              DominatorTree *DT, LoopInfo *LI) {
358   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
359
360   // Get information about the loop
361   BasicBlock *Header = L->getHeader();
362   Function *F = Header->getParent();
363
364   // Unique backedge insertion currently depends on having a preheader.
365   if (!Preheader)
366     return nullptr;
367
368   // The header is not a landing pad; preheader insertion should ensure this.
369   assert(!Header->isLandingPad() && "Can't insert backedge to landing pad");
370
371   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
372   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
373   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I){
374     BasicBlock *P = *I;
375
376     // Indirectbr edges cannot be split, so we must fail if we find one.
377     if (isa<IndirectBrInst>(P->getTerminator()))
378       return nullptr;
379
380     if (P != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(P);
381   }
382
383   // Create and insert the new backedge block...
384   BasicBlock *BEBlock = BasicBlock::Create(Header->getContext(),
385                                            Header->getName() + ".backedge", F);
386   BranchInst *BETerminator = BranchInst::Create(Header, BEBlock);
387   BETerminator->setDebugLoc(Header->getFirstNonPHI()->getDebugLoc());
388
389   DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Inserting unique backedge block "
390                << BEBlock->getName() << "\n");
391
392   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
393   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
394   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
395
396   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
397   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
398   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
399     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
400     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), BackedgeBlocks.size(),
401                                      PN->getName()+".be", BETerminator);
402
403     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
404     // preheader over to the new PHI node.
405     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
406     bool HasUniqueIncomingValue = true;
407     Value *UniqueValue = nullptr;
408     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
409       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
410       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
411       if (IBB == Preheader) {
412         PreheaderIdx = i;
413       } else {
414         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
415         if (HasUniqueIncomingValue) {
416           if (!UniqueValue)
417             UniqueValue = IV;
418           else if (UniqueValue != IV)
419             HasUniqueIncomingValue = false;
420         }
421       }
422     }
423
424     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
425     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
426     if (PreheaderIdx != 0) {
427       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
428       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
429     }
430     // Nuke all entries except the zero'th.
431     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
432       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
433
434     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
435     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
436
437     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
438     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
439     // eliminate the PHI Node.
440     if (HasUniqueIncomingValue) {
441       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
442       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
443     }
444   }
445
446   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
447   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
448   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
449     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
450     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
451       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
452         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
453   }
454
455   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
456
457   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
458   // loop and all parent loops.
459   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, *LI);
460
461   // Update dominator information
462   DT->splitBlock(BEBlock);
463
464   return BEBlock;
465 }
466
467 /// \brief Simplify one loop and queue further loops for simplification.
468 ///
469 /// FIXME: Currently this accepts both lots of analyses that it uses and a raw
470 /// Pass pointer. The Pass pointer is used by numerous utilities to update
471 /// specific analyses. Rather than a pass it would be much cleaner and more
472 /// explicit if they accepted the analysis directly and then updated it.
473 static bool simplifyOneLoop(Loop *L, SmallVectorImpl<Loop *> &Worklist,
474                             DominatorTree *DT, LoopInfo *LI,
475                             ScalarEvolution *SE, Pass *PP,
476                             AssumptionCache *AC) {
477   bool Changed = false;
478 ReprocessLoop:
479
480   // Check to see that no blocks (other than the header) in this loop have
481   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
482   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
483   // unreachable we can just shamelessly delete those CFG edges!
484   for (Loop::block_iterator BB = L->block_begin(), E = L->block_end();
485        BB != E; ++BB) {
486     if (*BB == L->getHeader()) continue;
487
488     SmallPtrSet<BasicBlock*, 4> BadPreds;
489     for (pred_iterator PI = pred_begin(*BB),
490          PE = pred_end(*BB); PI != PE; ++PI) {
491       BasicBlock *P = *PI;
492       if (!L->contains(P))
493         BadPreds.insert(P);
494     }
495
496     // Delete each unique out-of-loop (and thus dead) predecessor.
497     for (BasicBlock *P : BadPreds) {
498
499       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Deleting edge from dead predecessor "
500                    << P->getName() << "\n");
501
502       // Inform each successor of each dead pred.
503       for (succ_iterator SI = succ_begin(P), SE = succ_end(P); SI != SE; ++SI)
504         (*SI)->removePredecessor(P);
505       // Zap the dead pred's terminator and replace it with unreachable.
506       TerminatorInst *TI = P->getTerminator();
507        TI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(TI->getType()));
508       P->getTerminator()->eraseFromParent();
509       new UnreachableInst(P->getContext(), P);
510       Changed = true;
511     }
512   }
513
514   // If there are exiting blocks with branches on undef, resolve the undef in
515   // the direction which will exit the loop. This will help simplify loop
516   // trip count computations.
517   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
518   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
519   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::iterator I = ExitingBlocks.begin(),
520        E = ExitingBlocks.end(); I != E; ++I)
521     if (BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>((*I)->getTerminator()))
522       if (BI->isConditional()) {
523         if (UndefValue *Cond = dyn_cast<UndefValue>(BI->getCondition())) {
524
525           DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Resolving \"br i1 undef\" to exit in "
526                        << (*I)->getName() << "\n");
527
528           BI->setCondition(ConstantInt::get(Cond->getType(),
529                                             !L->contains(BI->getSuccessor(0))));
530
531           // This may make the loop analyzable, force SCEV recomputation.
532           if (SE)
533             SE->forgetLoop(L);
534
535           Changed = true;
536         }
537       }
538
539   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't insert one.
540   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
541   if (!Preheader) {
542     Preheader = InsertPreheaderForLoop(L, PP);
543     if (Preheader) {
544       ++NumInserted;
545       Changed = true;
546     }
547   }
548
549   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
550   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
551   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
552   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
553   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
554   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
555
556   SmallSetVector<BasicBlock *, 8> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(),
557                                                ExitBlocks.end());
558   for (SmallSetVector<BasicBlock *, 8>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
559          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
560     BasicBlock *ExitBlock = *I;
561     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
562          PI != PE; ++PI)
563       // Must be exactly this loop: no subloops, parent loops, or non-loop preds
564       // allowed.
565       if (!L->contains(*PI)) {
566         if (rewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock, DT, LI, PP)) {
567           ++NumInserted;
568           Changed = true;
569         }
570         break;
571       }
572   }
573
574   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
575   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
576   BasicBlock *LoopLatch = L->getLoopLatch();
577   if (!LoopLatch) {
578     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.  Don't do
579     // this for loops with a giant number of backedges, just factor them into a
580     // common backedge instead.
581     if (L->getNumBackEdges() < 8) {
582       if (Loop *OuterL = separateNestedLoop(L, Preheader, DT, LI, SE, PP, AC)) {
583         ++NumNested;
584         // Enqueue the outer loop as it should be processed next in our
585         // depth-first nest walk.
586         Worklist.push_back(OuterL);
587
588         // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
589         Changed = true;
590         // GCC doesn't tail recursion eliminate this.
591         // FIXME: It isn't clear we can't rely on LLVM to TRE this.
592         goto ReprocessLoop;
593       }
594     }
595
596     // If we either couldn't, or didn't want to, identify nesting of the loops,
597     // insert a new block that all backedges target, then make it jump to the
598     // loop header.
599     LoopLatch = insertUniqueBackedgeBlock(L, Preheader, DT, LI);
600     if (LoopLatch) {
601       ++NumInserted;
602       Changed = true;
603     }
604   }
605
606   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
607
608   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
609   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
610   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
611   PHINode *PN;
612   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
613        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
614     if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, DL, nullptr, DT, AC)) {
615       if (SE) SE->forgetValue(PN);
616       PN->replaceAllUsesWith(V);
617       PN->eraseFromParent();
618     }
619
620   // If this loop has multiple exits and the exits all go to the same
621   // block, attempt to merge the exits. This helps several passes, such
622   // as LoopRotation, which do not support loops with multiple exits.
623   // SimplifyCFG also does this (and this code uses the same utility
624   // function), however this code is loop-aware, where SimplifyCFG is
625   // not. That gives it the advantage of being able to hoist
626   // loop-invariant instructions out of the way to open up more
627   // opportunities, and the disadvantage of having the responsibility
628   // to preserve dominator information.
629   bool UniqueExit = true;
630   if (!ExitBlocks.empty())
631     for (unsigned i = 1, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i)
632       if (ExitBlocks[i] != ExitBlocks[0]) {
633         UniqueExit = false;
634         break;
635       }
636   if (UniqueExit) {
637     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
638       BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
639       if (!ExitingBlock->getSinglePredecessor()) continue;
640       BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
641       if (!BI || !BI->isConditional()) continue;
642       CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(BI->getCondition());
643       if (!CI || CI->getParent() != ExitingBlock) continue;
644
645       // Attempt to hoist out all instructions except for the
646       // comparison and the branch.
647       bool AllInvariant = true;
648       bool AnyInvariant = false;
649       for (BasicBlock::iterator I = ExitingBlock->begin(); &*I != BI; ) {
650         Instruction *Inst = I++;
651         // Skip debug info intrinsics.
652         if (isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst))
653           continue;
654         if (Inst == CI)
655           continue;
656         if (!L->makeLoopInvariant(Inst, AnyInvariant,
657                                   Preheader ? Preheader->getTerminator()
658                                             : nullptr)) {
659           AllInvariant = false;
660           break;
661         }
662       }
663       if (AnyInvariant) {
664         Changed = true;
665         // The loop disposition of all SCEV expressions that depend on any
666         // hoisted values have also changed.
667         if (SE)
668           SE->forgetLoopDispositions(L);
669       }
670       if (!AllInvariant) continue;
671
672       // The block has now been cleared of all instructions except for
673       // a comparison and a conditional branch. SimplifyCFG may be able
674       // to fold it now.
675       if (!FoldBranchToCommonDest(BI))
676         continue;
677
678       // Success. The block is now dead, so remove it from the loop,
679       // update the dominator tree and delete it.
680       DEBUG(dbgs() << "LoopSimplify: Eliminating exiting block "
681                    << ExitingBlock->getName() << "\n");
682
683       // Notify ScalarEvolution before deleting this block. Currently assume the
684       // parent loop doesn't change (spliting edges doesn't count). If blocks,
685       // CFG edges, or other values in the parent loop change, then we need call
686       // to forgetLoop() for the parent instead.
687       if (SE)
688         SE->forgetLoop(L);
689
690       assert(pred_begin(ExitingBlock) == pred_end(ExitingBlock));
691       Changed = true;
692       LI->removeBlock(ExitingBlock);
693
694       DomTreeNode *Node = DT->getNode(ExitingBlock);
695       const std::vector<DomTreeNodeBase<BasicBlock> *> &Children =
696         Node->getChildren();
697       while (!Children.empty()) {
698         DomTreeNode *Child = Children.front();
699         DT->changeImmediateDominator(Child, Node->getIDom());
700       }
701       DT->eraseNode(ExitingBlock);
702
703       BI->getSuccessor(0)->removePredecessor(ExitingBlock);
704       BI->getSuccessor(1)->removePredecessor(ExitingBlock);
705       ExitingBlock->eraseFromParent();
706     }
707   }
708
709   return Changed;
710 }
711
712 bool llvm::simplifyLoop(Loop *L, DominatorTree *DT, LoopInfo *LI, Pass *PP,
713                         ScalarEvolution *SE, AssumptionCache *AC) {
714   bool Changed = false;
715
716   // Worklist maintains our depth-first queue of loops in this nest to process.
717   SmallVector<Loop *, 4> Worklist;
718   Worklist.push_back(L);
719
720   // Walk the worklist from front to back, pushing newly found sub loops onto
721   // the back. This will let us process loops from back to front in depth-first
722   // order. We can use this simple process because loops form a tree.
723   for (unsigned Idx = 0; Idx != Worklist.size(); ++Idx) {
724     Loop *L2 = Worklist[Idx];
725     Worklist.append(L2->begin(), L2->end());
726   }
727
728   while (!Worklist.empty())
729     Changed |=
730         simplifyOneLoop(Worklist.pop_back_val(), Worklist, DT, LI, SE, PP, AC);
731
732   return Changed;
733 }
734
735 namespace {
736   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
737     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
738     LoopSimplify() : FunctionPass(ID) {
739       initializeLoopSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
740     }
741
742     DominatorTree *DT;
743     LoopInfo *LI;
744     ScalarEvolution *SE;
745     AssumptionCache *AC;
746
747     bool runOnFunction(Function &F) override;
748
749     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
750       AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
751
752       // We need loop information to identify the loops...
753       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
754       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
755
756       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
757       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
758
759       AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
760       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
761       AU.addPreserved<DependenceAnalysis>();
762       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
763     }
764
765     /// verifyAnalysis() - Verify LoopSimplifyForm's guarantees.
766     void verifyAnalysis() const override;
767   };
768 }
769
770 char LoopSimplify::ID = 0;
771 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopSimplify, "loop-simplify",
772                 "Canonicalize natural loops", false, false)
773 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
774 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
775 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
776 INITIALIZE_PASS_END(LoopSimplify, "loop-simplify",
777                 "Canonicalize natural loops", false, false)
778
779 // Publicly exposed interface to pass...
780 char &llvm::LoopSimplifyID = LoopSimplify::ID;
781 Pass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
782
783 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
784 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
785 ///
786 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
787   bool Changed = false;
788   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
789   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
790   SE = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolution>();
791   AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
792
793   // Simplify each loop nest in the function.
794   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
795     Changed |= simplifyLoop(*I, DT, LI, this, SE, AC);
796
797   return Changed;
798 }
799
800 // FIXME: Restore this code when we re-enable verification in verifyAnalysis
801 // below.
802 #if 0
803 static void verifyLoop(Loop *L) {
804   // Verify subloops.
805   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
806     verifyLoop(*I);
807
808   // It used to be possible to just assert L->isLoopSimplifyForm(), however
809   // with the introduction of indirectbr, there are now cases where it's
810   // not possible to transform a loop as necessary. We can at least check
811   // that there is an indirectbr near any time there's trouble.
812
813   // Indirectbr can interfere with preheader and unique backedge insertion.
814   if (!L->getLoopPreheader() || !L->getLoopLatch()) {
815     bool HasIndBrPred = false;
816     for (pred_iterator PI = pred_begin(L->getHeader()),
817          PE = pred_end(L->getHeader()); PI != PE; ++PI)
818       if (isa<IndirectBrInst>((*PI)->getTerminator())) {
819         HasIndBrPred = true;
820         break;
821       }
822     assert(HasIndBrPred &&
823            "LoopSimplify has no excuse for missing loop header info!");
824     (void)HasIndBrPred;
825   }
826
827   // Indirectbr can interfere with exit block canonicalization.
828   if (!L->hasDedicatedExits()) {
829     bool HasIndBrExiting = false;
830     SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
831     L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
832     for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
833       if (isa<IndirectBrInst>((ExitingBlocks[i])->getTerminator())) {
834         HasIndBrExiting = true;
835         break;
836       }
837     }
838
839     assert(HasIndBrExiting &&
840            "LoopSimplify has no excuse for missing exit block info!");
841     (void)HasIndBrExiting;
842   }
843 }
844 #endif
845
846 void LoopSimplify::verifyAnalysis() const {
847   // FIXME: This routine is being called mid-way through the loop pass manager
848   // as loop passes destroy this analysis. That's actually fine, but we have no
849   // way of expressing that here. Once all of the passes that destroy this are
850   // hoisted out of the loop pass manager we can add back verification here.
851 #if 0
852   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
853     verifyLoop(*I);
854 #endif
855 }