Implement linkage of appending global variables!
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopPreheaders.cpp - Loop Preheader Insertion Pass -----------------===//
2 //
3 // Insert Loop pre-headers and exit blocks into the CFG for each function in the
4 // module.  This pass updates loop information and dominator information.
5 //
6 // Loop pre-header insertion guarantees that there is a single, non-critical
7 // entry edge from outside of the loop to the loop header.  This simplifies a
8 // number of analyses and transformations, such as LICM.
9 //
10 // Loop exit-block insertion guarantees that all exit blocks from the loop
11 // (blocks which are outside of the loop that have predecessors inside of the
12 // loop) are dominated by the loop header.  This simplifies transformations such
13 // as store-sinking that is built into LICM.
14 //
15 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
16 // end up being unneccesary, so usage of this pass does not neccesarily
17 // pessimize generated code.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
22 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
23 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
24 #include "llvm/Function.h"
25 #include "llvm/iTerminators.h"
26 #include "llvm/iPHINode.h"
27 #include "llvm/Constant.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "Support/SetOperations.h"
30 #include "Support/Statistic.h"
31 #include "Support/DepthFirstIterator.h"
32
33 namespace {
34   Statistic<> NumInserted("preheaders", "Number of pre-header nodes inserted");
35
36   struct Preheaders : public FunctionPass {
37     virtual bool runOnFunction(Function &F);
38     
39     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
40       // We need loop information to identify the loops...
41       AU.addRequired<LoopInfo>();
42       AU.addRequired<DominatorSet>();
43
44       AU.addPreserved<LoopInfo>();
45       AU.addPreserved<DominatorSet>();
46       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
47       AU.addPreserved<DominatorTree>();
48       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
49       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No crit edges added....
50     }
51   private:
52     bool ProcessLoop(Loop *L);
53     BasicBlock *SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB, const char *Suffix,
54                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds);
55     void RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit);
56     void InsertPreheaderForLoop(Loop *L);
57   };
58
59   RegisterOpt<Preheaders> X("preheaders", "Natural loop pre-header insertion");
60 }
61
62 // Publically exposed interface to pass...
63 const PassInfo *LoopPreheadersID = X.getPassInfo();
64 Pass *createLoopPreheaderInsertionPass() { return new Preheaders(); }
65
66
67 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
68 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
69 ///
70 bool Preheaders::runOnFunction(Function &F) {
71   bool Changed = false;
72   LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
73
74   for (unsigned i = 0, e = LI.getTopLevelLoops().size(); i != e; ++i)
75     Changed |= ProcessLoop(LI.getTopLevelLoops()[i]);
76
77   return Changed;
78 }
79
80
81 /// ProcessLoop - Walk the loop structure in depth first order, ensuring that
82 /// all loops have preheaders.
83 ///
84 bool Preheaders::ProcessLoop(Loop *L) {
85   bool Changed = false;
86
87   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't modify the loop...
88   if (L->getLoopPreheader() == 0) {
89     InsertPreheaderForLoop(L);
90     NumInserted++;
91     Changed = true;
92   }
93
94   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
95   BasicBlock *Header = L->getHeader();
96   for (unsigned i = 0, e = L->getExitBlocks().size(); i != e; ++i)
97     if (!DS.dominates(Header, L->getExitBlocks()[i])) {
98       RewriteLoopExitBlock(L, L->getExitBlocks()[i]);
99       assert(DS.dominates(Header, L->getExitBlocks()[i]) &&
100              "RewriteLoopExitBlock failed?");
101       NumInserted++;
102       Changed = true;
103     }
104
105   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
106   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
107     Changed |= ProcessLoop(SubLoops[i]);
108   return Changed;
109 }
110
111 /// SplitBlockPredecessors - Split the specified block into two blocks.  We want
112 /// to move the predecessors specified in the Preds list to point to the new
113 /// block, leaving the remaining predecessors pointing to BB.  This method
114 /// updates the SSA PHINode's, but no other analyses.
115 ///
116 BasicBlock *Preheaders::SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB,
117                                                const char *Suffix,
118                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds) {
119   
120   // Create new basic block, insert right before the original block...
121   BasicBlock *NewBB = new BasicBlock(BB->getName()+Suffix, BB);
122
123   // The preheader first gets an unconditional branch to the loop header...
124   BranchInst *BI = new BranchInst(BB);
125   NewBB->getInstList().push_back(BI);
126   
127   // For every PHI node in the block, insert a PHI node into NewBB where the
128   // incoming values from the out of loop edges are moved to NewBB.  We have two
129   // possible cases here.  If the loop is dead, we just insert dummy entries
130   // into the PHI nodes for the new edge.  If the loop is not dead, we move the
131   // incoming edges in BB into new PHI nodes in NewBB.
132   //
133   if (!Preds.empty()) {  // Is the loop not obviously dead?
134     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
135          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
136       
137       // Create the new PHI node, insert it into NewBB at the end of the block
138       PHINode *NewPHI = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".ph", BI);
139         
140       // Move all of the edges from blocks outside the loop to the new PHI
141       for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
142         Value *V = PN->removeIncomingValue(Preds[i]);
143         NewPHI->addIncoming(V, Preds[i]);
144       }
145       
146       // Add an incoming value to the PHI node in the loop for the preheader
147       // edge
148       PN->addIncoming(NewPHI, NewBB);
149     }
150     
151     // Now that the PHI nodes are updated, actually move the edges from
152     // Preds to point to NewBB instead of BB.
153     //
154     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
155       TerminatorInst *TI = Preds[i]->getTerminator();
156       for (unsigned s = 0, e = TI->getNumSuccessors(); s != e; ++s)
157         if (TI->getSuccessor(s) == BB)
158           TI->setSuccessor(s, NewBB);
159     }
160     
161   } else {                       // Otherwise the loop is dead...
162     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
163          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
164       // Insert dummy values as the incoming value...
165       PN->addIncoming(Constant::getNullValue(PN->getType()), NewBB);
166   }  
167   return NewBB;
168 }
169
170 // ChangeExitBlock - This recursive function is used to change any exit blocks
171 // that use OldExit to use NewExit instead.  This is recursive because children
172 // may need to be processed as well.
173 //
174 static void ChangeExitBlock(Loop *L, BasicBlock *OldExit, BasicBlock *NewExit) {
175   if (L->hasExitBlock(OldExit)) {
176     L->changeExitBlock(OldExit, NewExit);
177     const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
178     for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
179       ChangeExitBlock(SubLoops[i], OldExit, NewExit);
180   }
181 }
182
183
184 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
185 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
186 /// preheader insertion and analysis updating.
187 ///
188 void Preheaders::InsertPreheaderForLoop(Loop *L) {
189   BasicBlock *Header = L->getHeader();
190
191   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
192   std::vector<BasicBlock*> OutsideBlocks;
193   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
194        PI != PE; ++PI)
195       if (!L->contains(*PI))           // Coming in from outside the loop?
196         OutsideBlocks.push_back(*PI);  // Keep track of it...
197   
198   // Split out the loop pre-header
199   BasicBlock *NewBB =
200     SplitBlockPredecessors(Header, ".preheader", OutsideBlocks);
201   
202   //===--------------------------------------------------------------------===//
203   //  Update analysis results now that we have preformed the transformation
204   //
205   
206   // We know that we have loop information to update... update it now.
207   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
208     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
209
210   // If the header for the loop used to be an exit node for another loop, then
211   // we need to update this to know that the loop-preheader is now the exit
212   // node.  Note that the only loop that could have our header as an exit node
213   // is a sibling loop, ie, one with the same parent loop, or one if it's
214   // children.
215   //
216   const std::vector<Loop*> *ParentSubLoops;
217   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
218     ParentSubLoops = &Parent->getSubLoops();
219   else       // Must check top-level loops...
220     ParentSubLoops = &getAnalysis<LoopInfo>().getTopLevelLoops();
221
222   // Loop over all sibling loops, performing the substitution (recursively to
223   // include child loops)...
224   for (unsigned i = 0, e = ParentSubLoops->size(); i != e; ++i)
225     ChangeExitBlock((*ParentSubLoops)[i], Header, NewBB);
226   
227   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();  // Update dominator info
228   {
229     // The blocks that dominate NewBB are the blocks that dominate Header,
230     // minus Header, plus NewBB.
231     DominatorSet::DomSetType DomSet = DS.getDominators(Header);
232     DomSet.insert(NewBB);  // We dominate ourself
233     DomSet.erase(Header);  // Header does not dominate us...
234     DS.addBasicBlock(NewBB, DomSet);
235
236     // The newly created basic block dominates all nodes dominated by Header.
237     for (Function::iterator I = Header->getParent()->begin(),
238            E = Header->getParent()->end(); I != E; ++I)
239       if (DS.dominates(Header, I))
240         DS.addDominator(I, NewBB);
241   }
242   
243   // Update immediate dominator information if we have it...
244   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
245     // Whatever i-dominated the header node now immediately dominates NewBB
246     ID->addNewBlock(NewBB, ID->get(Header));
247     
248     // The preheader now is the immediate dominator for the header node...
249     ID->setImmediateDominator(Header, NewBB);
250   }
251   
252   // Update DominatorTree information if it is active.
253   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
254     // The immediate dominator of the preheader is the immediate dominator of
255     // the old header.
256     //
257     DominatorTree::Node *HeaderNode = DT->getNode(Header);
258     DominatorTree::Node *PHNode = DT->createNewNode(NewBB,
259                                                     HeaderNode->getIDom());
260     
261     // Change the header node so that PNHode is the new immediate dominator
262     DT->changeImmediateDominator(HeaderNode, PHNode);
263   }
264
265   // Update dominance frontier information...
266   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
267     // The DF(NewBB) is just (DF(Header)-Header), because NewBB dominates
268     // everything that Header does, and it strictly dominates Header in
269     // addition.
270     assert(DF->find(Header) != DF->end() && "Header node doesn't have DF set?");
271     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet = DF->find(Header)->second;
272     NewDFSet.erase(Header);
273     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
274
275     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
276     // replacing occurances of Header with NewBB in some cases.  If a block
277     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
278     // Header, it will have Header in it's DF set, but should now have NewBB in
279     // its set.
280     for (unsigned i = 0, e = OutsideBlocks.size(); i != e; ++i) {
281       // Get all of the dominators of the predecessor...
282       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =
283         DS.getDominators(OutsideBlocks[i]);
284       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
285              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
286         BasicBlock *PredDom = *PDI;
287         // If the loop header is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
288         // the header but did dominate a predecessor outside of the loop.  Now
289         // we change this entry to include the preheader in the DF instead of
290         // the header.
291         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
292         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
293         if (DFI->second.count(Header)) {
294           DF->removeFromFrontier(DFI, Header);
295           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
296         }
297       }
298     }
299   }
300 }
301
302 void Preheaders::RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit) {
303   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
304   assert(!DS.dominates(L->getHeader(), Exit) &&
305          "Loop already dominates exit block??");
306   assert(std::find(L->getExitBlocks().begin(), L->getExitBlocks().end(), Exit)
307          != L->getExitBlocks().end() && "Not a current exit block!");
308   
309   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
310   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I)
311     if (L->contains(*I))
312       LoopBlocks.push_back(*I);
313
314   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
315   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Exit, ".loopexit", LoopBlocks);
316
317   // Update Loop Information - we know that the new block will be in the parent
318   // loop of L.
319   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
320     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
321
322   // Replace any instances of Exit with NewBB in this and any nested loops...
323   for (df_iterator<Loop*> I = df_begin(L), E = df_end(L); I != E; ++I)
324     if (I->hasExitBlock(Exit))
325       I->changeExitBlock(Exit, NewBB);   // Update exit block information
326
327   // Update dominator information...  The blocks that dominate NewBB are the
328   // intersection of the dominators of predecessors, plus the block itself.
329   // The newly created basic block does not dominate anything except itself.
330   //
331   DominatorSet::DomSetType NewBBDomSet = DS.getDominators(LoopBlocks[0]);
332   for (unsigned i = 1, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i)
333     set_intersect(NewBBDomSet, DS.getDominators(LoopBlocks[i]));
334   NewBBDomSet.insert(NewBB);  // All blocks dominate themselves...
335   DS.addBasicBlock(NewBB, NewBBDomSet);
336
337   // Update immediate dominator information if we have it...
338   BasicBlock *NewBBIDom = 0;
339   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
340     // This block does not strictly dominate anything, so it is not an immediate
341     // dominator.  To find the immediate dominator of the new exit node, we
342     // trace up the immediate dominators of a predecessor until we find a basic
343     // block that dominates the exit block.
344     //
345     BasicBlock *Dom = LoopBlocks[0];  // Some random predecessor...
346     while (!NewBBDomSet.count(Dom)) {  // Loop until we find a dominator...
347       assert(Dom != 0 && "No shared dominator found???");
348       Dom = ID->get(Dom);
349     }
350
351     // Set the immediate dominator now...
352     ID->addNewBlock(NewBB, Dom);
353     NewBBIDom = Dom;   // Reuse this if calculating DominatorTree info...
354   }
355
356   // Update DominatorTree information if it is active.
357   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
358     // NewBB doesn't dominate anything, so just create a node and link it into
359     // its immediate dominator.  If we don't have ImmediateDominator info
360     // around, calculate the idom as above.
361     DominatorTree::Node *NewBBIDomNode;
362     if (NewBBIDom) {
363       NewBBIDomNode = DT->getNode(NewBBIDom);
364     } else {
365       NewBBIDomNode = DT->getNode(LoopBlocks[0]); // Random pred
366       while (!NewBBDomSet.count(NewBBIDomNode->getNode())) {
367         NewBBIDomNode = NewBBIDomNode->getIDom();
368         assert(NewBBIDomNode && "No shared dominator found??");
369       }
370     }
371
372     // Create the new dominator tree node...
373     DT->createNewNode(NewBB, NewBBIDomNode);
374   }
375
376   // Update dominance frontier information...
377   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
378     // DF(NewBB) is {Exit} because NewBB does not strictly dominate Exit, but it
379     // does dominate itself (and there is an edge (NewBB -> Exit)).
380     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
381     NewDFSet.insert(Exit);
382     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
383
384     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
385     // replacing occurances of Exit with NewBB in some cases.  If a block
386     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
387     // Exit, it will have Exit in it's DF set, but should now have NewBB in its
388     // set.
389     for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
390       // Get all of the dominators of the predecessor...
391       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =DS.getDominators(LoopBlocks[i]);
392       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
393              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
394         BasicBlock *PredDom = *PDI;
395         // Make sure to only rewrite blocks that are part of the loop...
396         if (L->contains(PredDom)) {
397           // If the exit node is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
398           // Exit but did dominate a predecessor inside of the loop.  Now we
399           // change this entry to include NewBB in the DF instead of Exit.
400           DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
401           assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
402           if (DFI->second.count(Exit)) {
403             DF->removeFromFrontier(DFI, Exit);
404             DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
405           }
406         }
407       }
408     }
409   }
410 }