remove dead code. The exit block list is computed on demand, thus does not
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LoopSimplify.cpp
1 //===- LoopSimplify.cpp - Loop Canonicalization Pass ----------------------===//
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 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 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
27 // end up being unnecessary, so usage of this pass should not pessimize
28 // generated code.
29 //
30 // This pass obviously modifies the CFG, but updates loop information and
31 // dominator information.
32 //
33 //===----------------------------------------------------------------------===//
34
35 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
36 #include "llvm/Constant.h"
37 #include "llvm/Instructions.h"
38 #include "llvm/Function.h"
39 #include "llvm/Type.h"
40 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
41 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
42 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
43 #include "llvm/Support/CFG.h"
44 #include "llvm/ADT/SetOperations.h"
45 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
46 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
47 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
48 using namespace llvm;
49
50 namespace {
51   Statistic<>
52   NumInserted("loopsimplify", "Number of pre-header or exit blocks inserted");
53   Statistic<>
54   NumNested("loopsimplify", "Number of nested loops split out");
55
56   struct LoopSimplify : public FunctionPass {
57     // AA - If we have an alias analysis object to update, this is it, otherwise
58     // this is null.
59     AliasAnalysis *AA;
60
61     virtual bool runOnFunction(Function &F);
62
63     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
64       // We need loop information to identify the loops...
65       AU.addRequired<LoopInfo>();
66       AU.addRequired<DominatorSet>();
67       AU.addRequired<DominatorTree>();
68
69       AU.addPreserved<LoopInfo>();
70       AU.addPreserved<DominatorSet>();
71       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
72       AU.addPreserved<DominatorTree>();
73       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
74       AU.addPreservedID(BreakCriticalEdgesID);  // No critical edges added.
75     }
76   private:
77     bool ProcessLoop(Loop *L);
78     BasicBlock *SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB, const char *Suffix,
79                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds);
80     BasicBlock *RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit);
81     void InsertPreheaderForLoop(Loop *L);
82     Loop *SeparateNestedLoop(Loop *L);
83     void InsertUniqueBackedgeBlock(Loop *L);
84
85     void UpdateDomInfoForRevectoredPreds(BasicBlock *NewBB,
86                                          std::vector<BasicBlock*> &PredBlocks);
87   };
88
89   RegisterOpt<LoopSimplify>
90   X("loopsimplify", "Canonicalize natural loops", true);
91 }
92
93 // Publically exposed interface to pass...
94 const PassInfo *llvm::LoopSimplifyID = X.getPassInfo();
95 FunctionPass *llvm::createLoopSimplifyPass() { return new LoopSimplify(); }
96
97 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
98 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
99 ///
100 bool LoopSimplify::runOnFunction(Function &F) {
101   bool Changed = false;
102   LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
103   AA = getAnalysisToUpdate<AliasAnalysis>();
104
105   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
106     Changed |= ProcessLoop(*I);
107
108   return Changed;
109 }
110
111
112 /// ProcessLoop - Walk the loop structure in depth first order, ensuring that
113 /// all loops have preheaders.
114 ///
115 bool LoopSimplify::ProcessLoop(Loop *L) {
116   bool Changed = false;
117
118   // Check to see that no blocks (other than the header) in the loop have
119   // predecessors that are not in the loop.  This is not valid for natural
120   // loops, but can occur if the blocks are unreachable.  Since they are
121   // unreachable we can just shamelessly destroy their terminators to make them
122   // not branch into the loop!
123   assert(L->getBlocks()[0] == L->getHeader() &&
124          "Header isn't first block in loop?");
125   for (unsigned i = 1, e = L->getBlocks().size(); i != e; ++i) {
126     BasicBlock *LoopBB = L->getBlocks()[i];
127   Retry:
128     for (pred_iterator PI = pred_begin(LoopBB), E = pred_end(LoopBB);
129          PI != E; ++PI)
130       if (!L->contains(*PI)) {
131         // This predecessor is not in the loop.  Kill its terminator!
132         BasicBlock *DeadBlock = *PI;
133         for (succ_iterator SI = succ_begin(DeadBlock), E = succ_end(DeadBlock);
134              SI != E; ++SI)
135           (*SI)->removePredecessor(DeadBlock);  // Remove PHI node entries
136
137         // Delete the dead terminator.
138         if (AA) AA->deleteValue(&DeadBlock->back());
139         DeadBlock->getInstList().pop_back();
140
141         Value *RetVal = 0;
142         if (LoopBB->getParent()->getReturnType() != Type::VoidTy)
143           RetVal = Constant::getNullValue(LoopBB->getParent()->getReturnType());
144         new ReturnInst(RetVal, DeadBlock);
145         goto Retry;  // We just invalidated the pred_iterator.  Retry.
146       }
147   }
148
149   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't modify the loop...
150   if (L->getLoopPreheader() == 0) {
151     InsertPreheaderForLoop(L);
152     NumInserted++;
153     Changed = true;
154   }
155
156   // Next, check to make sure that all exit nodes of the loop only have
157   // predecessors that are inside of the loop.  This check guarantees that the
158   // loop preheader/header will dominate the exit blocks.  If the exit block has
159   // predecessors from outside of the loop, split the edge now.
160   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
161   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
162
163   SetVector<BasicBlock*> ExitBlockSet(ExitBlocks.begin(), ExitBlocks.end());
164   for (SetVector<BasicBlock*>::iterator I = ExitBlockSet.begin(),
165          E = ExitBlockSet.end(); I != E; ++I) {
166     BasicBlock *ExitBlock = *I;
167     for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), PE = pred_end(ExitBlock);
168          PI != PE; ++PI)
169       if (!L->contains(*PI)) {
170         RewriteLoopExitBlock(L, ExitBlock);
171         NumInserted++;
172         Changed = true;
173         break;
174       }
175   }
176
177   // If the header has more than two predecessors at this point (from the
178   // preheader and from multiple backedges), we must adjust the loop.
179   if (L->getNumBackEdges() != 1) {
180     // If this is really a nested loop, rip it out into a child loop.
181     if (Loop *NL = SeparateNestedLoop(L)) {
182       ++NumNested;
183       // This is a big restructuring change, reprocess the whole loop.
184       ProcessLoop(NL);
185       return true;
186     }
187
188     InsertUniqueBackedgeBlock(L);
189     NumInserted++;
190     Changed = true;
191   }
192
193   // Scan over the PHI nodes in the loop header.  Since they now have only two
194   // incoming values (the loop is canonicalized), we may have simplified the PHI
195   // down to 'X = phi [X, Y]', which should be replaced with 'Y'.
196   PHINode *PN;
197   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
198   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
199        (PN = dyn_cast<PHINode>(I++)); )
200     if (Value *V = PN->hasConstantValue()) {
201         PN->replaceAllUsesWith(V);
202         PN->eraseFromParent();
203       }
204
205   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
206     Changed |= ProcessLoop(*I);
207
208   return Changed;
209 }
210
211 /// SplitBlockPredecessors - Split the specified block into two blocks.  We want
212 /// to move the predecessors specified in the Preds list to point to the new
213 /// block, leaving the remaining predecessors pointing to BB.  This method
214 /// updates the SSA PHINode's, but no other analyses.
215 ///
216 BasicBlock *LoopSimplify::SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB,
217                                                  const char *Suffix,
218                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds) {
219
220   // Create new basic block, insert right before the original block...
221   BasicBlock *NewBB = new BasicBlock(BB->getName()+Suffix, BB->getParent(), BB);
222
223   // The preheader first gets an unconditional branch to the loop header...
224   BranchInst *BI = new BranchInst(BB, NewBB);
225
226   // For every PHI node in the block, insert a PHI node into NewBB where the
227   // incoming values from the out of loop edges are moved to NewBB.  We have two
228   // possible cases here.  If the loop is dead, we just insert dummy entries
229   // into the PHI nodes for the new edge.  If the loop is not dead, we move the
230   // incoming edges in BB into new PHI nodes in NewBB.
231   //
232   if (!Preds.empty()) {  // Is the loop not obviously dead?
233     // Check to see if the values being merged into the new block need PHI
234     // nodes.  If so, insert them.
235     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
236       PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
237       ++I;
238
239       // Check to see if all of the values coming in are the same.  If so, we
240       // don't need to create a new PHI node.
241       Value *InVal = PN->getIncomingValueForBlock(Preds[0]);
242       for (unsigned i = 1, e = Preds.size(); i != e; ++i)
243         if (InVal != PN->getIncomingValueForBlock(Preds[i])) {
244           InVal = 0;
245           break;
246         }
247
248       // If the values coming into the block are not the same, we need a PHI.
249       if (InVal == 0) {
250         // Create the new PHI node, insert it into NewBB at the end of the block
251         PHINode *NewPHI = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".ph", BI);
252         if (AA) AA->copyValue(PN, NewPHI);
253
254         // Move all of the edges from blocks outside the loop to the new PHI
255         for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
256           Value *V = PN->removeIncomingValue(Preds[i], false);
257           NewPHI->addIncoming(V, Preds[i]);
258         }
259         InVal = NewPHI;
260       } else {
261         // Remove all of the edges coming into the PHI nodes from outside of the
262         // block.
263         for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
264           PN->removeIncomingValue(Preds[i], false);
265       }
266
267       // Add an incoming value to the PHI node in the loop for the preheader
268       // edge.
269       PN->addIncoming(InVal, NewBB);
270
271       // Can we eliminate this phi node now?
272       if (Value *V = PN->hasConstantValue(true)) {
273         if (!isa<Instruction>(V) ||
274             getAnalysis<DominatorSet>().dominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
275           PN->replaceAllUsesWith(V);
276           if (AA) AA->deleteValue(PN);
277           BB->getInstList().erase(PN);
278         }
279       }
280     }
281
282     // Now that the PHI nodes are updated, actually move the edges from
283     // Preds to point to NewBB instead of BB.
284     //
285     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
286       TerminatorInst *TI = Preds[i]->getTerminator();
287       for (unsigned s = 0, e = TI->getNumSuccessors(); s != e; ++s)
288         if (TI->getSuccessor(s) == BB)
289           TI->setSuccessor(s, NewBB);
290     }
291
292   } else {                       // Otherwise the loop is dead...
293     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
294       PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
295       // Insert dummy values as the incoming value...
296       PN->addIncoming(Constant::getNullValue(PN->getType()), NewBB);
297     }
298   }
299   return NewBB;
300 }
301
302 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
303 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
304 /// preheader insertion and analysis updating.
305 ///
306 void LoopSimplify::InsertPreheaderForLoop(Loop *L) {
307   BasicBlock *Header = L->getHeader();
308
309   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
310   std::vector<BasicBlock*> OutsideBlocks;
311   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
312        PI != PE; ++PI)
313       if (!L->contains(*PI))           // Coming in from outside the loop?
314         OutsideBlocks.push_back(*PI);  // Keep track of it...
315
316   // Split out the loop pre-header
317   BasicBlock *NewBB =
318     SplitBlockPredecessors(Header, ".preheader", OutsideBlocks);
319
320   //===--------------------------------------------------------------------===//
321   //  Update analysis results now that we have performed the transformation
322   //
323
324   // We know that we have loop information to update... update it now.
325   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
326     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
327
328   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();  // Update dominator info
329   DominatorTree &DT = getAnalysis<DominatorTree>();
330
331
332   // Update the dominator tree information.
333   // The immediate dominator of the preheader is the immediate dominator of
334   // the old header.
335   DominatorTree::Node *PHDomTreeNode =
336     DT.createNewNode(NewBB, DT.getNode(Header)->getIDom());
337
338   // Change the header node so that PNHode is the new immediate dominator
339   DT.changeImmediateDominator(DT.getNode(Header), PHDomTreeNode);
340
341   {
342     // The blocks that dominate NewBB are the blocks that dominate Header,
343     // minus Header, plus NewBB.
344     DominatorSet::DomSetType DomSet = DS.getDominators(Header);
345     DomSet.erase(Header);  // Header does not dominate us...
346     DS.addBasicBlock(NewBB, DomSet);
347
348     // The newly created basic block dominates all nodes dominated by Header.
349     for (df_iterator<DominatorTree::Node*> DFI = df_begin(PHDomTreeNode),
350            E = df_end(PHDomTreeNode); DFI != E; ++DFI)
351       DS.addDominator((*DFI)->getBlock(), NewBB);
352   }
353
354   // Update immediate dominator information if we have it...
355   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
356     // Whatever i-dominated the header node now immediately dominates NewBB
357     ID->addNewBlock(NewBB, ID->get(Header));
358
359     // The preheader now is the immediate dominator for the header node...
360     ID->setImmediateDominator(Header, NewBB);
361   }
362
363   // Update dominance frontier information...
364   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
365     // The DF(NewBB) is just (DF(Header)-Header), because NewBB dominates
366     // everything that Header does, and it strictly dominates Header in
367     // addition.
368     assert(DF->find(Header) != DF->end() && "Header node doesn't have DF set?");
369     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet = DF->find(Header)->second;
370     NewDFSet.erase(Header);
371     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
372
373     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
374     // replacing occurrences of Header with NewBB in some cases.  If a block
375     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
376     // Header, it will have Header in it's DF set, but should now have NewBB in
377     // its set.
378     for (unsigned i = 0, e = OutsideBlocks.size(); i != e; ++i) {
379       // Get all of the dominators of the predecessor...
380       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =
381         DS.getDominators(OutsideBlocks[i]);
382       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
383              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
384         BasicBlock *PredDom = *PDI;
385         // If the loop header is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
386         // the header but did dominate a predecessor outside of the loop.  Now
387         // we change this entry to include the preheader in the DF instead of
388         // the header.
389         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
390         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
391         if (DFI->second.count(Header)) {
392           DF->removeFromFrontier(DFI, Header);
393           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
394         }
395       }
396     }
397   }
398 }
399
400 /// RewriteLoopExitBlock - Ensure that the loop preheader dominates all exit
401 /// blocks.  This method is used to split exit blocks that have predecessors
402 /// outside of the loop.
403 BasicBlock *LoopSimplify::RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit) {
404   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
405
406   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
407   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I)
408     if (L->contains(*I))
409       LoopBlocks.push_back(*I);
410
411   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
412   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Exit, ".loopexit", LoopBlocks);
413
414   // Update Loop Information - we know that the new block will be in the parent
415   // loop of L.
416   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
417     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
418
419   // Update dominator information (set, immdom, domtree, and domfrontier)
420   UpdateDomInfoForRevectoredPreds(NewBB, LoopBlocks);
421   return NewBB;
422 }
423
424 /// AddBlockAndPredsToSet - Add the specified block, and all of its
425 /// predecessors, to the specified set, if it's not already in there.  Stop
426 /// predecessor traversal when we reach StopBlock.
427 static void AddBlockAndPredsToSet(BasicBlock *BB, BasicBlock *StopBlock,
428                                   std::set<BasicBlock*> &Blocks) {
429   if (!Blocks.insert(BB).second) return;  // already processed.
430   if (BB == StopBlock) return;  // Stop here!
431
432   for (pred_iterator I = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); I != E; ++I)
433     AddBlockAndPredsToSet(*I, StopBlock, Blocks);
434 }
435
436 /// FindPHIToPartitionLoops - The first part of loop-nestification is to find a
437 /// PHI node that tells us how to partition the loops.
438 static PHINode *FindPHIToPartitionLoops(Loop *L, DominatorSet &DS,
439                                         AliasAnalysis *AA) {
440   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ) {
441     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
442     ++I;
443     if (Value *V = PN->hasConstantValue())
444       if (!isa<Instruction>(V) || DS.dominates(cast<Instruction>(V), PN)) {
445         // This is a degenerate PHI already, don't modify it!
446         PN->replaceAllUsesWith(V);
447         if (AA) AA->deleteValue(PN);
448         PN->eraseFromParent();
449         continue;
450       }
451
452     // Scan this PHI node looking for a use of the PHI node by itself.
453     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
454       if (PN->getIncomingValue(i) == PN &&
455           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
456         // We found something tasty to remove.
457         return PN;
458   }
459   return 0;
460 }
461
462 /// SeparateNestedLoop - If this loop has multiple backedges, try to pull one of
463 /// them out into a nested loop.  This is important for code that looks like
464 /// this:
465 ///
466 ///  Loop:
467 ///     ...
468 ///     br cond, Loop, Next
469 ///     ...
470 ///     br cond2, Loop, Out
471 ///
472 /// To identify this common case, we look at the PHI nodes in the header of the
473 /// loop.  PHI nodes with unchanging values on one backedge correspond to values
474 /// that change in the "outer" loop, but not in the "inner" loop.
475 ///
476 /// If we are able to separate out a loop, return the new outer loop that was
477 /// created.
478 ///
479 Loop *LoopSimplify::SeparateNestedLoop(Loop *L) {
480   PHINode *PN = FindPHIToPartitionLoops(L, getAnalysis<DominatorSet>(), AA);
481   if (PN == 0) return 0;  // No known way to partition.
482
483   // Pull out all predecessors that have varying values in the loop.  This
484   // handles the case when a PHI node has multiple instances of itself as
485   // arguments.
486   std::vector<BasicBlock*> OuterLoopPreds;
487   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
488     if (PN->getIncomingValue(i) != PN ||
489         !L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
490       OuterLoopPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
491
492   BasicBlock *Header = L->getHeader();
493   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Header, ".outer", OuterLoopPreds);
494
495   // Update dominator information (set, immdom, domtree, and domfrontier)
496   UpdateDomInfoForRevectoredPreds(NewBB, OuterLoopPreds);
497
498   // Create the new outer loop.
499   Loop *NewOuter = new Loop();
500
501   LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
502
503   // Change the parent loop to use the outer loop as its child now.
504   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
505     Parent->replaceChildLoopWith(L, NewOuter);
506   else
507     LI.changeTopLevelLoop(L, NewOuter);
508
509   // This block is going to be our new header block: add it to this loop and all
510   // parent loops.
511   NewOuter->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
512
513   // L is now a subloop of our outer loop.
514   NewOuter->addChildLoop(L);
515
516   for (unsigned i = 0, e = L->getBlocks().size(); i != e; ++i)
517     NewOuter->addBlockEntry(L->getBlocks()[i]);
518
519   // Determine which blocks should stay in L and which should be moved out to
520   // the Outer loop now.
521   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
522   std::set<BasicBlock*> BlocksInL;
523   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); PI!=E; ++PI)
524     if (DS.dominates(Header, *PI))
525       AddBlockAndPredsToSet(*PI, Header, BlocksInL);
526
527
528   // Scan all of the loop children of L, moving them to OuterLoop if they are
529   // not part of the inner loop.
530   for (Loop::iterator I = L->begin(); I != L->end(); )
531     if (BlocksInL.count((*I)->getHeader()))
532       ++I;   // Loop remains in L
533     else
534       NewOuter->addChildLoop(L->removeChildLoop(I));
535
536   // Now that we know which blocks are in L and which need to be moved to
537   // OuterLoop, move any blocks that need it.
538   for (unsigned i = 0; i != L->getBlocks().size(); ++i) {
539     BasicBlock *BB = L->getBlocks()[i];
540     if (!BlocksInL.count(BB)) {
541       // Move this block to the parent, updating the exit blocks sets
542       L->removeBlockFromLoop(BB);
543       if (LI[BB] == L)
544         LI.changeLoopFor(BB, NewOuter);
545       --i;
546     }
547   }
548
549   return NewOuter;
550 }
551
552
553
554 /// InsertUniqueBackedgeBlock - This method is called when the specified loop
555 /// has more than one backedge in it.  If this occurs, revector all of these
556 /// backedges to target a new basic block and have that block branch to the loop
557 /// header.  This ensures that loops have exactly one backedge.
558 ///
559 void LoopSimplify::InsertUniqueBackedgeBlock(Loop *L) {
560   assert(L->getNumBackEdges() > 1 && "Must have > 1 backedge!");
561
562   // Get information about the loop
563   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
564   BasicBlock *Header = L->getHeader();
565   Function *F = Header->getParent();
566
567   // Figure out which basic blocks contain back-edges to the loop header.
568   std::vector<BasicBlock*> BackedgeBlocks;
569   for (pred_iterator I = pred_begin(Header), E = pred_end(Header); I != E; ++I)
570     if (*I != Preheader) BackedgeBlocks.push_back(*I);
571
572   // Create and insert the new backedge block...
573   BasicBlock *BEBlock = new BasicBlock(Header->getName()+".backedge", F);
574   BranchInst *BETerminator = new BranchInst(Header, BEBlock);
575
576   // Move the new backedge block to right after the last backedge block.
577   Function::iterator InsertPos = BackedgeBlocks.back(); ++InsertPos;
578   F->getBasicBlockList().splice(InsertPos, F->getBasicBlockList(), BEBlock);
579
580   // Now that the block has been inserted into the function, create PHI nodes in
581   // the backedge block which correspond to any PHI nodes in the header block.
582   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
583     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
584     PHINode *NewPN = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".be",
585                                  BETerminator);
586     NewPN->reserveOperandSpace(BackedgeBlocks.size());
587     if (AA) AA->copyValue(PN, NewPN);
588
589     // Loop over the PHI node, moving all entries except the one for the
590     // preheader over to the new PHI node.
591     unsigned PreheaderIdx = ~0U;
592     bool HasUniqueIncomingValue = true;
593     Value *UniqueValue = 0;
594     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
595       BasicBlock *IBB = PN->getIncomingBlock(i);
596       Value *IV = PN->getIncomingValue(i);
597       if (IBB == Preheader) {
598         PreheaderIdx = i;
599       } else {
600         NewPN->addIncoming(IV, IBB);
601         if (HasUniqueIncomingValue) {
602           if (UniqueValue == 0)
603             UniqueValue = IV;
604           else if (UniqueValue != IV)
605             HasUniqueIncomingValue = false;
606         }
607       }
608     }
609
610     // Delete all of the incoming values from the old PN except the preheader's
611     assert(PreheaderIdx != ~0U && "PHI has no preheader entry??");
612     if (PreheaderIdx != 0) {
613       PN->setIncomingValue(0, PN->getIncomingValue(PreheaderIdx));
614       PN->setIncomingBlock(0, PN->getIncomingBlock(PreheaderIdx));
615     }
616     // Nuke all entries except the zero'th.
617     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues()-1; i != e; ++i)
618       PN->removeIncomingValue(e-i, false);
619
620     // Finally, add the newly constructed PHI node as the entry for the BEBlock.
621     PN->addIncoming(NewPN, BEBlock);
622
623     // As an optimization, if all incoming values in the new PhiNode (which is a
624     // subset of the incoming values of the old PHI node) have the same value,
625     // eliminate the PHI Node.
626     if (HasUniqueIncomingValue) {
627       NewPN->replaceAllUsesWith(UniqueValue);
628       if (AA) AA->deleteValue(NewPN);
629       BEBlock->getInstList().erase(NewPN);
630     }
631   }
632
633   // Now that all of the PHI nodes have been inserted and adjusted, modify the
634   // backedge blocks to just to the BEBlock instead of the header.
635   for (unsigned i = 0, e = BackedgeBlocks.size(); i != e; ++i) {
636     TerminatorInst *TI = BackedgeBlocks[i]->getTerminator();
637     for (unsigned Op = 0, e = TI->getNumSuccessors(); Op != e; ++Op)
638       if (TI->getSuccessor(Op) == Header)
639         TI->setSuccessor(Op, BEBlock);
640   }
641
642   //===--- Update all analyses which we must preserve now -----------------===//
643
644   // Update Loop Information - we know that this block is now in the current
645   // loop and all parent loops.
646   L->addBasicBlockToLoop(BEBlock, getAnalysis<LoopInfo>());
647
648   // Update dominator information (set, immdom, domtree, and domfrontier)
649   UpdateDomInfoForRevectoredPreds(BEBlock, BackedgeBlocks);
650 }
651
652 /// UpdateDomInfoForRevectoredPreds - This method is used to update the four
653 /// different kinds of dominator information (dominator sets, immediate
654 /// dominators, dominator trees, and dominance frontiers) after a new block has
655 /// been added to the CFG.
656 ///
657 /// This only supports the case when an existing block (known as "NewBBSucc"),
658 /// had some of its predecessors factored into a new basic block.  This
659 /// transformation inserts a new basic block ("NewBB"), with a single
660 /// unconditional branch to NewBBSucc, and moves some predecessors of
661 /// "NewBBSucc" to now branch to NewBB.  These predecessors are listed in
662 /// PredBlocks, even though they are the same as
663 /// pred_begin(NewBB)/pred_end(NewBB).
664 ///
665 void LoopSimplify::UpdateDomInfoForRevectoredPreds(BasicBlock *NewBB,
666                                          std::vector<BasicBlock*> &PredBlocks) {
667   assert(!PredBlocks.empty() && "No predblocks??");
668   assert(succ_begin(NewBB) != succ_end(NewBB) &&
669          ++succ_begin(NewBB) == succ_end(NewBB) &&
670          "NewBB should have a single successor!");
671   BasicBlock *NewBBSucc = *succ_begin(NewBB);
672   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
673
674   // Update dominator information...  The blocks that dominate NewBB are the
675   // intersection of the dominators of predecessors, plus the block itself.
676   //
677   DominatorSet::DomSetType NewBBDomSet = DS.getDominators(PredBlocks[0]);
678   for (unsigned i = 1, e = PredBlocks.size(); i != e; ++i)
679     set_intersect(NewBBDomSet, DS.getDominators(PredBlocks[i]));
680   NewBBDomSet.insert(NewBB);  // All blocks dominate themselves...
681   DS.addBasicBlock(NewBB, NewBBDomSet);
682
683   // The newly inserted basic block will dominate existing basic blocks iff the
684   // PredBlocks dominate all of the non-pred blocks.  If all predblocks dominate
685   // the non-pred blocks, then they all must be the same block!
686   //
687   bool NewBBDominatesNewBBSucc = true;
688   {
689     BasicBlock *OnePred = PredBlocks[0];
690     for (unsigned i = 1, e = PredBlocks.size(); i != e; ++i)
691       if (PredBlocks[i] != OnePred) {
692         NewBBDominatesNewBBSucc = false;
693         break;
694       }
695
696     if (NewBBDominatesNewBBSucc)
697       for (pred_iterator PI = pred_begin(NewBBSucc), E = pred_end(NewBBSucc);
698            PI != E; ++PI)
699         if (*PI != NewBB && !DS.dominates(NewBBSucc, *PI)) {
700           NewBBDominatesNewBBSucc = false;
701           break;
702         }
703   }
704
705   // The other scenario where the new block can dominate its successors are when
706   // all predecessors of NewBBSucc that are not NewBB are dominated by NewBBSucc
707   // already.
708   if (!NewBBDominatesNewBBSucc) {
709     NewBBDominatesNewBBSucc = true;
710     for (pred_iterator PI = pred_begin(NewBBSucc), E = pred_end(NewBBSucc);
711          PI != E; ++PI)
712       if (*PI != NewBB && !DS.dominates(NewBBSucc, *PI)) {
713         NewBBDominatesNewBBSucc = false;
714         break;
715       }
716   }
717
718   // If NewBB dominates some blocks, then it will dominate all blocks that
719   // NewBBSucc does.
720   if (NewBBDominatesNewBBSucc) {
721     BasicBlock *PredBlock = PredBlocks[0];
722     Function *F = NewBB->getParent();
723     for (Function::iterator I = F->begin(), E = F->end(); I != E; ++I)
724       if (DS.dominates(NewBBSucc, I))
725         DS.addDominator(I, NewBB);
726   }
727
728   // Update immediate dominator information if we have it...
729   BasicBlock *NewBBIDom = 0;
730   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
731     // To find the immediate dominator of the new exit node, we trace up the
732     // immediate dominators of a predecessor until we find a basic block that
733     // dominates the exit block.
734     //
735     BasicBlock *Dom = PredBlocks[0];  // Some random predecessor...
736     while (!NewBBDomSet.count(Dom)) {  // Loop until we find a dominator...
737       assert(Dom != 0 && "No shared dominator found???");
738       Dom = ID->get(Dom);
739     }
740
741     // Set the immediate dominator now...
742     ID->addNewBlock(NewBB, Dom);
743     NewBBIDom = Dom;   // Reuse this if calculating DominatorTree info...
744
745     // If NewBB strictly dominates other blocks, we need to update their idom's
746     // now.  The only block that need adjustment is the NewBBSucc block, whose
747     // idom should currently be set to PredBlocks[0].
748     if (NewBBDominatesNewBBSucc)
749       ID->setImmediateDominator(NewBBSucc, NewBB);
750   }
751
752   // Update DominatorTree information if it is active.
753   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
754     // If we don't have ImmediateDominator info around, calculate the idom as
755     // above.
756     DominatorTree::Node *NewBBIDomNode;
757     if (NewBBIDom) {
758       NewBBIDomNode = DT->getNode(NewBBIDom);
759     } else {
760       NewBBIDomNode = DT->getNode(PredBlocks[0]); // Random pred
761       while (!NewBBDomSet.count(NewBBIDomNode->getBlock())) {
762         NewBBIDomNode = NewBBIDomNode->getIDom();
763         assert(NewBBIDomNode && "No shared dominator found??");
764       }
765     }
766
767     // Create the new dominator tree node... and set the idom of NewBB.
768     DominatorTree::Node *NewBBNode = DT->createNewNode(NewBB, NewBBIDomNode);
769
770     // If NewBB strictly dominates other blocks, then it is now the immediate
771     // dominator of NewBBSucc.  Update the dominator tree as appropriate.
772     if (NewBBDominatesNewBBSucc) {
773       DominatorTree::Node *NewBBSuccNode = DT->getNode(NewBBSucc);
774       DT->changeImmediateDominator(NewBBSuccNode, NewBBNode);
775     }
776   }
777
778   // Update dominance frontier information...
779   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
780     // If NewBB dominates NewBBSucc, then DF(NewBB) is now going to be the
781     // DF(PredBlocks[0]) without the stuff that the new block does not dominate
782     // a predecessor of.
783     if (NewBBDominatesNewBBSucc) {
784       DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredBlocks[0]);
785       if (DFI != DF->end()) {
786         DominanceFrontier::DomSetType Set = DFI->second;
787         // Filter out stuff in Set that we do not dominate a predecessor of.
788         for (DominanceFrontier::DomSetType::iterator SetI = Set.begin(),
789                E = Set.end(); SetI != E;) {
790           bool DominatesPred = false;
791           for (pred_iterator PI = pred_begin(*SetI), E = pred_end(*SetI);
792                PI != E; ++PI)
793             if (DS.dominates(NewBB, *PI))
794               DominatesPred = true;
795           if (!DominatesPred)
796             Set.erase(SetI++);
797           else
798             ++SetI;
799         }
800
801         DF->addBasicBlock(NewBB, Set);
802       }
803
804     } else {
805       // DF(NewBB) is {NewBBSucc} because NewBB does not strictly dominate
806       // NewBBSucc, but it does dominate itself (and there is an edge (NewBB ->
807       // NewBBSucc)).  NewBBSucc is the single successor of NewBB.
808       DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
809       NewDFSet.insert(NewBBSucc);
810       DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
811     }
812
813     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
814     // replacing occurrences of NewBBSucc with NewBB in some cases.  All
815     // blocks that dominate a block in PredBlocks and contained NewBBSucc in
816     // their dominance frontier must be updated to contain NewBB instead.
817     //
818     for (unsigned i = 0, e = PredBlocks.size(); i != e; ++i) {
819       BasicBlock *Pred = PredBlocks[i];
820       // Get all of the dominators of the predecessor...
821       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms = DS.getDominators(Pred);
822       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
823              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
824         BasicBlock *PredDom = *PDI;
825
826         // If the NewBBSucc node is in DF(PredDom), then PredDom didn't
827         // dominate NewBBSucc but did dominate a predecessor of it.  Now we
828         // change this entry to include NewBB in the DF instead of NewBBSucc.
829         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
830         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
831         if (DFI->second.count(NewBBSucc)) {
832           // If NewBBSucc should not stay in our dominator frontier, remove it.
833           // We remove it unless there is a predecessor of NewBBSucc that we
834           // dominate, but we don't strictly dominate NewBBSucc.
835           bool ShouldRemove = true;
836           if (PredDom == NewBBSucc || !DS.dominates(PredDom, NewBBSucc)) {
837             // Okay, we know that PredDom does not strictly dominate NewBBSucc.
838             // Check to see if it dominates any predecessors of NewBBSucc.
839             for (pred_iterator PI = pred_begin(NewBBSucc),
840                    E = pred_end(NewBBSucc); PI != E; ++PI)
841               if (DS.dominates(PredDom, *PI)) {
842                 ShouldRemove = false;
843                 break;
844               }
845           }
846
847           if (ShouldRemove)
848             DF->removeFromFrontier(DFI, NewBBSucc);
849           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
850         }
851       }
852     }
853   }
854 }
855