The preheader insertion pass only depends on the CFG. Mark it as such, which
[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 are built into LICM.
14 //
15 // Note that the simplifycfg pass will clean up blocks which are split out but
16 // end up being unnecessary, so usage of this pass does not necessarily
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                             true);
61 }
62
63 // Publically exposed interface to pass...
64 const PassInfo *LoopPreheadersID = X.getPassInfo();
65 Pass *createLoopPreheaderInsertionPass() { return new Preheaders(); }
66
67
68 /// runOnFunction - Run down all loops in the CFG (recursively, but we could do
69 /// it in any convenient order) inserting preheaders...
70 ///
71 bool Preheaders::runOnFunction(Function &F) {
72   bool Changed = false;
73   LoopInfo &LI = getAnalysis<LoopInfo>();
74
75   for (unsigned i = 0, e = LI.getTopLevelLoops().size(); i != e; ++i)
76     Changed |= ProcessLoop(LI.getTopLevelLoops()[i]);
77
78   return Changed;
79 }
80
81
82 /// ProcessLoop - Walk the loop structure in depth first order, ensuring that
83 /// all loops have preheaders.
84 ///
85 bool Preheaders::ProcessLoop(Loop *L) {
86   bool Changed = false;
87
88   // Does the loop already have a preheader?  If so, don't modify the loop...
89   if (L->getLoopPreheader() == 0) {
90     InsertPreheaderForLoop(L);
91     NumInserted++;
92     Changed = true;
93   }
94
95   // Regardless of whether or not we added a preheader to the loop we must
96   // guarantee that the preheader dominates all exit nodes.  If there are any
97   // exit nodes not dominated, split them now.
98   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
99   BasicBlock *Header = L->getHeader();
100   for (unsigned i = 0, e = L->getExitBlocks().size(); i != e; ++i)
101     if (!DS.dominates(Header, L->getExitBlocks()[i])) {
102       RewriteLoopExitBlock(L, L->getExitBlocks()[i]);
103       assert(DS.dominates(Header, L->getExitBlocks()[i]) &&
104              "RewriteLoopExitBlock failed?");
105       NumInserted++;
106       Changed = true;
107     }
108
109   const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
110   for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
111     Changed |= ProcessLoop(SubLoops[i]);
112   return Changed;
113 }
114
115 /// SplitBlockPredecessors - Split the specified block into two blocks.  We want
116 /// to move the predecessors specified in the Preds list to point to the new
117 /// block, leaving the remaining predecessors pointing to BB.  This method
118 /// updates the SSA PHINode's, but no other analyses.
119 ///
120 BasicBlock *Preheaders::SplitBlockPredecessors(BasicBlock *BB,
121                                                const char *Suffix,
122                                        const std::vector<BasicBlock*> &Preds) {
123   
124   // Create new basic block, insert right before the original block...
125   BasicBlock *NewBB = new BasicBlock(BB->getName()+Suffix, BB);
126
127   // The preheader first gets an unconditional branch to the loop header...
128   BranchInst *BI = new BranchInst(BB);
129   NewBB->getInstList().push_back(BI);
130   
131   // For every PHI node in the block, insert a PHI node into NewBB where the
132   // incoming values from the out of loop edges are moved to NewBB.  We have two
133   // possible cases here.  If the loop is dead, we just insert dummy entries
134   // into the PHI nodes for the new edge.  If the loop is not dead, we move the
135   // incoming edges in BB into new PHI nodes in NewBB.
136   //
137   if (!Preds.empty()) {  // Is the loop not obviously dead?
138     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
139          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
140       
141       // Create the new PHI node, insert it into NewBB at the end of the block
142       PHINode *NewPHI = new PHINode(PN->getType(), PN->getName()+".ph", BI);
143         
144       // Move all of the edges from blocks outside the loop to the new PHI
145       for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
146         Value *V = PN->removeIncomingValue(Preds[i]);
147         NewPHI->addIncoming(V, Preds[i]);
148       }
149       
150       // Add an incoming value to the PHI node in the loop for the preheader
151       // edge
152       PN->addIncoming(NewPHI, NewBB);
153     }
154     
155     // Now that the PHI nodes are updated, actually move the edges from
156     // Preds to point to NewBB instead of BB.
157     //
158     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i) {
159       TerminatorInst *TI = Preds[i]->getTerminator();
160       for (unsigned s = 0, e = TI->getNumSuccessors(); s != e; ++s)
161         if (TI->getSuccessor(s) == BB)
162           TI->setSuccessor(s, NewBB);
163     }
164     
165   } else {                       // Otherwise the loop is dead...
166     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin();
167          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
168       // Insert dummy values as the incoming value...
169       PN->addIncoming(Constant::getNullValue(PN->getType()), NewBB);
170   }  
171   return NewBB;
172 }
173
174 // ChangeExitBlock - This recursive function is used to change any exit blocks
175 // that use OldExit to use NewExit instead.  This is recursive because children
176 // may need to be processed as well.
177 //
178 static void ChangeExitBlock(Loop *L, BasicBlock *OldExit, BasicBlock *NewExit) {
179   if (L->hasExitBlock(OldExit)) {
180     L->changeExitBlock(OldExit, NewExit);
181     const std::vector<Loop*> &SubLoops = L->getSubLoops();
182     for (unsigned i = 0, e = SubLoops.size(); i != e; ++i)
183       ChangeExitBlock(SubLoops[i], OldExit, NewExit);
184   }
185 }
186
187
188 /// InsertPreheaderForLoop - Once we discover that a loop doesn't have a
189 /// preheader, this method is called to insert one.  This method has two phases:
190 /// preheader insertion and analysis updating.
191 ///
192 void Preheaders::InsertPreheaderForLoop(Loop *L) {
193   BasicBlock *Header = L->getHeader();
194
195   // Compute the set of predecessors of the loop that are not in the loop.
196   std::vector<BasicBlock*> OutsideBlocks;
197   for (pred_iterator PI = pred_begin(Header), PE = pred_end(Header);
198        PI != PE; ++PI)
199       if (!L->contains(*PI))           // Coming in from outside the loop?
200         OutsideBlocks.push_back(*PI);  // Keep track of it...
201   
202   // Split out the loop pre-header
203   BasicBlock *NewBB =
204     SplitBlockPredecessors(Header, ".preheader", OutsideBlocks);
205   
206   //===--------------------------------------------------------------------===//
207   //  Update analysis results now that we have performed the transformation
208   //
209   
210   // We know that we have loop information to update... update it now.
211   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
212     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
213
214   // If the header for the loop used to be an exit node for another loop, then
215   // we need to update this to know that the loop-preheader is now the exit
216   // node.  Note that the only loop that could have our header as an exit node
217   // is a sibling loop, ie, one with the same parent loop, or one if it's
218   // children.
219   //
220   const std::vector<Loop*> *ParentSubLoops;
221   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
222     ParentSubLoops = &Parent->getSubLoops();
223   else       // Must check top-level loops...
224     ParentSubLoops = &getAnalysis<LoopInfo>().getTopLevelLoops();
225
226   // Loop over all sibling loops, performing the substitution (recursively to
227   // include child loops)...
228   for (unsigned i = 0, e = ParentSubLoops->size(); i != e; ++i)
229     ChangeExitBlock((*ParentSubLoops)[i], Header, NewBB);
230   
231   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();  // Update dominator info
232   {
233     // The blocks that dominate NewBB are the blocks that dominate Header,
234     // minus Header, plus NewBB.
235     DominatorSet::DomSetType DomSet = DS.getDominators(Header);
236     DomSet.insert(NewBB);  // We dominate ourself
237     DomSet.erase(Header);  // Header does not dominate us...
238     DS.addBasicBlock(NewBB, DomSet);
239
240     // The newly created basic block dominates all nodes dominated by Header.
241     for (Function::iterator I = Header->getParent()->begin(),
242            E = Header->getParent()->end(); I != E; ++I)
243       if (DS.dominates(Header, I))
244         DS.addDominator(I, NewBB);
245   }
246   
247   // Update immediate dominator information if we have it...
248   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
249     // Whatever i-dominated the header node now immediately dominates NewBB
250     ID->addNewBlock(NewBB, ID->get(Header));
251     
252     // The preheader now is the immediate dominator for the header node...
253     ID->setImmediateDominator(Header, NewBB);
254   }
255   
256   // Update DominatorTree information if it is active.
257   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
258     // The immediate dominator of the preheader is the immediate dominator of
259     // the old header.
260     //
261     DominatorTree::Node *HeaderNode = DT->getNode(Header);
262     DominatorTree::Node *PHNode = DT->createNewNode(NewBB,
263                                                     HeaderNode->getIDom());
264     
265     // Change the header node so that PNHode is the new immediate dominator
266     DT->changeImmediateDominator(HeaderNode, PHNode);
267   }
268
269   // Update dominance frontier information...
270   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
271     // The DF(NewBB) is just (DF(Header)-Header), because NewBB dominates
272     // everything that Header does, and it strictly dominates Header in
273     // addition.
274     assert(DF->find(Header) != DF->end() && "Header node doesn't have DF set?");
275     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet = DF->find(Header)->second;
276     NewDFSet.erase(Header);
277     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
278
279     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
280     // replacing occurrences of Header with NewBB in some cases.  If a block
281     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
282     // Header, it will have Header in it's DF set, but should now have NewBB in
283     // its set.
284     for (unsigned i = 0, e = OutsideBlocks.size(); i != e; ++i) {
285       // Get all of the dominators of the predecessor...
286       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =
287         DS.getDominators(OutsideBlocks[i]);
288       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
289              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
290         BasicBlock *PredDom = *PDI;
291         // If the loop header is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
292         // the header but did dominate a predecessor outside of the loop.  Now
293         // we change this entry to include the preheader in the DF instead of
294         // the header.
295         DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
296         assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
297         if (DFI->second.count(Header)) {
298           DF->removeFromFrontier(DFI, Header);
299           DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
300         }
301       }
302     }
303   }
304 }
305
306 void Preheaders::RewriteLoopExitBlock(Loop *L, BasicBlock *Exit) {
307   DominatorSet &DS = getAnalysis<DominatorSet>();
308   assert(!DS.dominates(L->getHeader(), Exit) &&
309          "Loop already dominates exit block??");
310   assert(std::find(L->getExitBlocks().begin(), L->getExitBlocks().end(), Exit)
311          != L->getExitBlocks().end() && "Not a current exit block!");
312   
313   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks;
314   for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit); I != E; ++I)
315     if (L->contains(*I))
316       LoopBlocks.push_back(*I);
317
318   assert(!LoopBlocks.empty() && "No edges coming in from outside the loop?");
319   BasicBlock *NewBB = SplitBlockPredecessors(Exit, ".loopexit", LoopBlocks);
320
321   // Update Loop Information - we know that the new block will be in the parent
322   // loop of L.
323   if (Loop *Parent = L->getParentLoop())
324     Parent->addBasicBlockToLoop(NewBB, getAnalysis<LoopInfo>());
325
326   // Replace any instances of Exit with NewBB in this and any nested loops...
327   for (df_iterator<Loop*> I = df_begin(L), E = df_end(L); I != E; ++I)
328     if (I->hasExitBlock(Exit))
329       I->changeExitBlock(Exit, NewBB);   // Update exit block information
330
331   // Update dominator information...  The blocks that dominate NewBB are the
332   // intersection of the dominators of predecessors, plus the block itself.
333   // The newly created basic block does not dominate anything except itself.
334   //
335   DominatorSet::DomSetType NewBBDomSet = DS.getDominators(LoopBlocks[0]);
336   for (unsigned i = 1, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i)
337     set_intersect(NewBBDomSet, DS.getDominators(LoopBlocks[i]));
338   NewBBDomSet.insert(NewBB);  // All blocks dominate themselves...
339   DS.addBasicBlock(NewBB, NewBBDomSet);
340
341   // Update immediate dominator information if we have it...
342   BasicBlock *NewBBIDom = 0;
343   if (ImmediateDominators *ID = getAnalysisToUpdate<ImmediateDominators>()) {
344     // This block does not strictly dominate anything, so it is not an immediate
345     // dominator.  To find the immediate dominator of the new exit node, we
346     // trace up the immediate dominators of a predecessor until we find a basic
347     // block that dominates the exit block.
348     //
349     BasicBlock *Dom = LoopBlocks[0];  // Some random predecessor...
350     while (!NewBBDomSet.count(Dom)) {  // Loop until we find a dominator...
351       assert(Dom != 0 && "No shared dominator found???");
352       Dom = ID->get(Dom);
353     }
354
355     // Set the immediate dominator now...
356     ID->addNewBlock(NewBB, Dom);
357     NewBBIDom = Dom;   // Reuse this if calculating DominatorTree info...
358   }
359
360   // Update DominatorTree information if it is active.
361   if (DominatorTree *DT = getAnalysisToUpdate<DominatorTree>()) {
362     // NewBB doesn't dominate anything, so just create a node and link it into
363     // its immediate dominator.  If we don't have ImmediateDominator info
364     // around, calculate the idom as above.
365     DominatorTree::Node *NewBBIDomNode;
366     if (NewBBIDom) {
367       NewBBIDomNode = DT->getNode(NewBBIDom);
368     } else {
369       NewBBIDomNode = DT->getNode(LoopBlocks[0]); // Random pred
370       while (!NewBBDomSet.count(NewBBIDomNode->getBlock())) {
371         NewBBIDomNode = NewBBIDomNode->getIDom();
372         assert(NewBBIDomNode && "No shared dominator found??");
373       }
374     }
375
376     // Create the new dominator tree node...
377     DT->createNewNode(NewBB, NewBBIDomNode);
378   }
379
380   // Update dominance frontier information...
381   if (DominanceFrontier *DF = getAnalysisToUpdate<DominanceFrontier>()) {
382     // DF(NewBB) is {Exit} because NewBB does not strictly dominate Exit, but it
383     // does dominate itself (and there is an edge (NewBB -> Exit)).
384     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
385     NewDFSet.insert(Exit);
386     DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
387
388     // Now we must loop over all of the dominance frontiers in the function,
389     // replacing occurrences of Exit with NewBB in some cases.  If a block
390     // dominates a (now) predecessor of NewBB, but did not strictly dominate
391     // Exit, it will have Exit in it's DF set, but should now have NewBB in its
392     // set.
393     for (unsigned i = 0, e = LoopBlocks.size(); i != e; ++i) {
394       // Get all of the dominators of the predecessor...
395       const DominatorSet::DomSetType &PredDoms =DS.getDominators(LoopBlocks[i]);
396       for (DominatorSet::DomSetType::const_iterator PDI = PredDoms.begin(),
397              PDE = PredDoms.end(); PDI != PDE; ++PDI) {
398         BasicBlock *PredDom = *PDI;
399         // Make sure to only rewrite blocks that are part of the loop...
400         if (L->contains(PredDom)) {
401           // If the exit node is in DF(PredDom), then PredDom didn't dominate
402           // Exit but did dominate a predecessor inside of the loop.  Now we
403           // change this entry to include NewBB in the DF instead of Exit.
404           DominanceFrontier::iterator DFI = DF->find(PredDom);
405           assert(DFI != DF->end() && "No dominance frontier for node?");
406           if (DFI->second.count(Exit)) {
407             DF->removeFromFrontier(DFI, Exit);
408             DF->addToFrontier(DFI, NewBB);
409           }
410         }
411       }
412     }
413   }
414 }