lib/Transforms/Utils/LoopUnroll.cpp

   1 //===-- UnrollLoop.cpp - Loop unrolling utilities -------------------------===//
   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 file implements some loop unrolling utilities. It does not define any
  11 // actual pass or policy, but provides a single function to perform loop
  12 // unrolling.
  13 //
  14 // It works best when loops have been canonicalized by the -indvars pass,
  15 // allowing it to determine the trip counts of loops easily.
  16 //
  17 // The process of unrolling can produce extraneous basic blocks linked with
  18 // unconditional branches.  This will be corrected in the future.
  19 //===----------------------------------------------------------------------===//
  20
  21 #define DEBUG_TYPE "loop-unroll"
  22 #include "llvm/Transforms/Utils/UnrollLoop.h"
  23 #include "llvm/BasicBlock.h"
  24 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  25 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
  26 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  29 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  30 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
  31 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  32
  33 using namespace llvm;
  34
  35 // TODO: Should these be here or in LoopUnroll?
  36 STATISTIC(NumCompletelyUnrolled, "Number of loops completely unrolled");
  37 STATISTIC(NumUnrolled,    "Number of loops unrolled (completely or otherwise)");
  38
  39 /// RemapInstruction - Convert the instruction operands from referencing the
  40 /// current values into those specified by ValueMap.
  41 static inline void RemapInstruction(Instruction *I,
  42                                     DenseMap<const Value *, Value*> &ValueMap) {
  43   for (unsigned op = 0, E = I->getNumOperands(); op != E; ++op) {
  44     Value *Op = I->getOperand(op);
  45     DenseMap<const Value *, Value*>::iterator It = ValueMap.find(Op);
  46     if (It != ValueMap.end())
  47       I->setOperand(op, It->second);
  48   }
  49 }
  50
  51 /// FoldBlockIntoPredecessor - Folds a basic block into its predecessor if it
  52 /// only has one predecessor, and that predecessor only has one successor.
  53 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
  54 /// Returns the new combined block.
  55 static BasicBlock *FoldBlockIntoPredecessor(BasicBlock *BB, LoopInfo* LI) {
  56   // Merge basic blocks into their predecessor if there is only one distinct
  57   // pred, and if there is only one distinct successor of the predecessor, and
  58   // if there are no PHI nodes.
  59   BasicBlock *OnlyPred = BB->getSinglePredecessor();
  60   if (!OnlyPred) return 0;
  61
  62   if (OnlyPred->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
  63     return 0;
  64
  65   DEBUG(dbgs() << "Merging: " << *BB << "into: " << *OnlyPred);
  66
  67   // Resolve any PHI nodes at the start of the block.  They are all
  68   // guaranteed to have exactly one entry if they exist, unless there are
  69   // multiple duplicate (but guaranteed to be equal) entries for the
  70   // incoming edges.  This occurs when there are multiple edges from
  71   // OnlyPred to OnlySucc.
  72   FoldSingleEntryPHINodes(BB);
  73
  74   // Delete the unconditional branch from the predecessor...
  75   OnlyPred->getInstList().pop_back();
  76
  77   // Move all definitions in the successor to the predecessor...
  78   OnlyPred->getInstList().splice(OnlyPred->end(), BB->getInstList());
  79
  80   // Make all PHI nodes that referred to BB now refer to Pred as their
  81   // source...
  82   BB->replaceAllUsesWith(OnlyPred);
  83
  84   std::string OldName = BB->getName();
  85
  86   // Erase basic block from the function...
  87   LI->removeBlock(BB);
  88   BB->eraseFromParent();
  89
  90   // Inherit predecessor's name if it exists...
  91   if (!OldName.empty() && !OnlyPred->hasName())
  92     OnlyPred->setName(OldName);
  93
  94   return OnlyPred;
  95 }
  96
  97 /// Unroll the given loop by Count. The loop must be in LCSSA form. Returns true
  98 /// if unrolling was succesful, or false if the loop was unmodified. Unrolling
  99 /// can only fail when the loop's latch block is not terminated by a conditional
 100 /// branch instruction. However, if the trip count (and multiple) are not known,
 101 /// loop unrolling will mostly produce more code that is no faster.
 102 ///
 103 /// The LoopInfo Analysis that is passed will be kept consistent.
 104 ///
 105 /// If a LoopPassManager is passed in, and the loop is fully removed, it will be
 106 /// removed from the LoopPassManager as well. LPM can also be NULL.
 107 bool llvm::UnrollLoop(Loop *L, unsigned Count, LoopInfo* LI, LPPassManager* LPM) {
 108   assert(L->isLCSSAForm());
 109
 110   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 111   if (!Preheader) {
 112     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop preheader-insertion failed.\n");
 113     return false;
 114   }
 115
 116   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
 117   if (!LatchBlock) {
 118     DEBUG(dbgs() << "  Can't unroll; loop exit-block-insertion failed.\n");
 119     return false;
 120   }
 121
 122   BasicBlock *Header = L->getHeader();
 123   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
 124
 125   if (!BI || BI->isUnconditional()) {
 126     // The loop-rotate pass can be helpful to avoid this in many cases.
 127     DEBUG(dbgs() <<
 128              "  Can't unroll; loop not terminated by a conditional branch.\n");
 129     return false;
 130   }
 131
 132   // Find trip count
 133   unsigned TripCount = L->getSmallConstantTripCount();
 134   // Find trip multiple if count is not available
 135   unsigned TripMultiple = 1;
 136   if (TripCount == 0)
 137     TripMultiple = L->getSmallConstantTripMultiple();
 138
 139   if (TripCount != 0)
 140     DEBUG(dbgs() << "  Trip Count = " << TripCount << "\n");
 141   if (TripMultiple != 1)
 142     DEBUG(dbgs() << "  Trip Multiple = " << TripMultiple << "\n");
 143
 144   // Effectively "DCE" unrolled iterations that are beyond the tripcount
 145   // and will never be executed.
 146   if (TripCount != 0 && Count > TripCount)
 147     Count = TripCount;
 148
 149   assert(Count > 0);
 150   assert(TripMultiple > 0);
 151   assert(TripCount == 0 || TripCount % TripMultiple == 0);
 152
 153   // Are we eliminating the loop control altogether?
 154   bool CompletelyUnroll = Count == TripCount;
 155
 156   // If we know the trip count, we know the multiple...
 157   unsigned BreakoutTrip = 0;
 158   if (TripCount != 0) {
 159     BreakoutTrip = TripCount % Count;
 160     TripMultiple = 0;
 161   } else {
 162     // Figure out what multiple to use.
 163     BreakoutTrip = TripMultiple =
 164       (unsigned)GreatestCommonDivisor64(Count, TripMultiple);
 165   }
 166
 167   if (CompletelyUnroll) {
 168     DEBUG(dbgs() << "COMPLETELY UNROLLING loop %" << Header->getName()
 169           << " with trip count " << TripCount << "!\n");
 170   } else {
 171     DEBUG(dbgs() << "UNROLLING loop %" << Header->getName()
 172           << " by " << Count);
 173     if (TripMultiple == 0 || BreakoutTrip != TripMultiple) {
 174       DEBUG(dbgs() << " with a breakout at trip " << BreakoutTrip);
 175     } else if (TripMultiple != 1) {
 176       DEBUG(dbgs() << " with " << TripMultiple << " trips per branch");
 177     }
 178     DEBUG(dbgs() << "!\n");
 179   }
 180
 181   std::vector<BasicBlock*> LoopBlocks = L->getBlocks();
 182
 183   bool ContinueOnTrue = L->contains(BI->getSuccessor(0));
 184   BasicBlock *LoopExit = BI->getSuccessor(ContinueOnTrue);
 185
 186   // For the first iteration of the loop, we should use the precloned values for
 187   // PHI nodes.  Insert associations now.
 188   typedef DenseMap<const Value*, Value*> ValueMapTy;
 189   ValueMapTy LastValueMap;
 190   std::vector<PHINode*> OrigPHINode;
 191   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 192     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
 193     OrigPHINode.push_back(PN);
 194     if (Instruction *I =
 195                 dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(LatchBlock)))
 196       if (L->contains(I))
 197         LastValueMap[I] = I;
 198   }
 199
 200   std::vector<BasicBlock*> Headers;
 201   std::vector<BasicBlock*> Latches;
 202   Headers.push_back(Header);
 203   Latches.push_back(LatchBlock);
 204
 205   for (unsigned It = 1; It != Count; ++It) {
 206     std::vector<BasicBlock*> NewBlocks;
 207
 208     for (std::vector<BasicBlock*>::iterator BB = LoopBlocks.begin(),
 209          E = LoopBlocks.end(); BB != E; ++BB) {
 210       ValueMapTy ValueMap;
 211       BasicBlock *New = CloneBasicBlock(*BB, ValueMap, "." + Twine(It));
 212       Header->getParent()->getBasicBlockList().push_back(New);
 213
 214       // Loop over all of the PHI nodes in the block, changing them to use the
 215       // incoming values from the previous block.
 216       if (*BB == Header)
 217         for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 218           PHINode *NewPHI = cast<PHINode>(ValueMap[OrigPHINode[i]]);
 219           Value *InVal = NewPHI->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
 220           if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal))
 221             if (It > 1 && L->contains(InValI))
 222               InVal = LastValueMap[InValI];
 223           ValueMap[OrigPHINode[i]] = InVal;
 224           New->getInstList().erase(NewPHI);
 225         }
 226
 227       // Update our running map of newest clones
 228       LastValueMap[*BB] = New;
 229       for (ValueMapTy::iterator VI = ValueMap.begin(), VE = ValueMap.end();
 230            VI != VE; ++VI)
 231         LastValueMap[VI->first] = VI->second;
 232
 233       L->addBasicBlockToLoop(New, LI->getBase());
 234
 235       // Add phi entries for newly created values to all exit blocks except
 236       // the successor of the latch block.  The successor of the exit block will
 237       // be updated specially after unrolling all the way.
 238       if (*BB != LatchBlock)
 239         for (Value::use_iterator UI = (*BB)->use_begin(), UE = (*BB)->use_end();
 240              UI != UE;) {
 241           Instruction *UseInst = cast<Instruction>(*UI);
 242           ++UI;
 243           if (isa<PHINode>(UseInst) && !L->contains(UseInst)) {
 244             PHINode *phi = cast<PHINode>(UseInst);
 245             Value *Incoming = phi->getIncomingValueForBlock(*BB);
 246             phi->addIncoming(Incoming, New);
 247           }
 248         }
 249
 250       // Keep track of new headers and latches as we create them, so that
 251       // we can insert the proper branches later.
 252       if (*BB == Header)
 253         Headers.push_back(New);
 254       if (*BB == LatchBlock) {
 255         Latches.push_back(New);
 256
 257         // Also, clear out the new latch's back edge so that it doesn't look
 258         // like a new loop, so that it's amenable to being merged with adjacent
 259         // blocks later on.
 260         TerminatorInst *Term = New->getTerminator();
 261         assert(L->contains(Term->getSuccessor(!ContinueOnTrue)));
 262         assert(Term->getSuccessor(ContinueOnTrue) == LoopExit);
 263         Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, NULL);
 264       }
 265
 266       NewBlocks.push_back(New);
 267     }
 268
 269     // Remap all instructions in the most recent iteration
 270     for (unsigned i = 0; i < NewBlocks.size(); ++i)
 271       for (BasicBlock::iterator I = NewBlocks[i]->begin(),
 272            E = NewBlocks[i]->end(); I != E; ++I)
 273         RemapInstruction(I, LastValueMap);
 274   }
 275
 276   // The latch block exits the loop.  If there are any PHI nodes in the
 277   // successor blocks, update them to use the appropriate values computed as the
 278   // last iteration of the loop.
 279   if (Count != 1) {
 280     SmallPtrSet<PHINode*, 8> Users;
 281     for (Value::use_iterator UI = LatchBlock->use_begin(),
 282          UE = LatchBlock->use_end(); UI != UE; ++UI)
 283       if (PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(*UI))
 284         Users.insert(phi);
 285
 286     BasicBlock *LastIterationBB = cast<BasicBlock>(LastValueMap[LatchBlock]);
 287     for (SmallPtrSet<PHINode*,8>::iterator SI = Users.begin(), SE = Users.end();
 288          SI != SE; ++SI) {
 289       PHINode *PN = *SI;
 290       Value *InVal = PN->removeIncomingValue(LatchBlock, false);
 291       // If this value was defined in the loop, take the value defined by the
 292       // last iteration of the loop.
 293       if (Instruction *InValI = dyn_cast<Instruction>(InVal)) {
 294         if (L->contains(InValI))
 295           InVal = LastValueMap[InVal];
 296       }
 297       PN->addIncoming(InVal, LastIterationBB);
 298     }
 299   }
 300
 301   // Now, if we're doing complete unrolling, loop over the PHI nodes in the
 302   // original block, setting them to their incoming values.
 303   if (CompletelyUnroll) {
 304     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
 305     for (unsigned i = 0, e = OrigPHINode.size(); i != e; ++i) {
 306       PHINode *PN = OrigPHINode[i];
 307       PN->replaceAllUsesWith(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader));
 308       Header->getInstList().erase(PN);
 309     }
 310   }
 311
 312   // Now that all the basic blocks for the unrolled iterations are in place,
 313   // set up the branches to connect them.
 314   for (unsigned i = 0, e = Latches.size(); i != e; ++i) {
 315     // The original branch was replicated in each unrolled iteration.
 316     BranchInst *Term = cast<BranchInst>(Latches[i]->getTerminator());
 317
 318     // The branch destination.
 319     unsigned j = (i + 1) % e;
 320     BasicBlock *Dest = Headers[j];
 321     bool NeedConditional = true;
 322
 323     // For a complete unroll, make the last iteration end with a branch
 324     // to the exit block.
 325     if (CompletelyUnroll && j == 0) {
 326       Dest = LoopExit;
 327       NeedConditional = false;
 328     }
 329
 330     // If we know the trip count or a multiple of it, we can safely use an
 331     // unconditional branch for some iterations.
 332     if (j != BreakoutTrip && (TripMultiple == 0 || j % TripMultiple != 0)) {
 333       NeedConditional = false;
 334     }
 335
 336     if (NeedConditional) {
 337       // Update the conditional branch's successor for the following
 338       // iteration.
 339       Term->setSuccessor(!ContinueOnTrue, Dest);
 340     } else {
 341       Term->setUnconditionalDest(Dest);
 342       // Merge adjacent basic blocks, if possible.
 343       if (BasicBlock *Fold = FoldBlockIntoPredecessor(Dest, LI)) {
 344         std::replace(Latches.begin(), Latches.end(), Dest, Fold);
 345         std::replace(Headers.begin(), Headers.end(), Dest, Fold);
 346       }
 347     }
 348   }
 349
 350   // At this point, the code is well formed.  We now do a quick sweep over the
 351   // inserted code, doing constant propagation and dead code elimination as we
 352   // go.
 353   const std::vector<BasicBlock*> &NewLoopBlocks = L->getBlocks();
 354   for (std::vector<BasicBlock*>::const_iterator BB = NewLoopBlocks.begin(),
 355        BBE = NewLoopBlocks.end(); BB != BBE; ++BB)
 356     for (BasicBlock::iterator I = (*BB)->begin(), E = (*BB)->end(); I != E; ) {
 357       Instruction *Inst = I++;
 358
 359       if (isInstructionTriviallyDead(Inst))
 360         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 361       else if (Constant *C = ConstantFoldInstruction(Inst)) {
 362         Inst->replaceAllUsesWith(C);
 363         (*BB)->getInstList().erase(Inst);
 364       }
 365     }
 366
 367   NumCompletelyUnrolled += CompletelyUnroll;
 368   ++NumUnrolled;
 369   // Remove the loop from the LoopPassManager if it's completely removed.
 370   if (CompletelyUnroll && LPM != NULL)
 371     LPM->deleteLoopFromQueue(L);
 372
 373   // If we didn't completely unroll the loop, it should still be in LCSSA form.
 374   if (!CompletelyUnroll)
 375     assert(L->isLCSSAForm());
 376
 377   return true;
 378 }