]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/CodeGen/MachineBlockPlacement.cpp
MFC r335799:
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / CodeGen / MachineBlockPlacement.cpp
1 //===- MachineBlockPlacement.cpp - Basic Block Code Layout optimization ---===//
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 basic block placement transformations using the CFG
11 // structure and branch probability estimates.
12 //
13 // The pass strives to preserve the structure of the CFG (that is, retain
14 // a topological ordering of basic blocks) in the absence of a *strong* signal
15 // to the contrary from probabilities. However, within the CFG structure, it
16 // attempts to choose an ordering which favors placing more likely sequences of
17 // blocks adjacent to each other.
18 //
19 // The algorithm works from the inner-most loop within a function outward, and
20 // at each stage walks through the basic blocks, trying to coalesce them into
21 // sequential chains where allowed by the CFG (or demanded by heavy
22 // probabilities). Finally, it walks the blocks in topological order, and the
23 // first time it reaches a chain of basic blocks, it schedules them in the
24 // function in-order.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #include "BranchFolding.h"
29 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
34 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfoImpl.h"
37 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
38 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
39 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
40 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
41 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
42 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
43 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
44 #include "llvm/CodeGen/MachinePostDominators.h"
45 #include "llvm/CodeGen/TailDuplicator.h"
46 #include "llvm/CodeGen/TargetInstrInfo.h"
47 #include "llvm/CodeGen/TargetLowering.h"
48 #include "llvm/CodeGen/TargetPassConfig.h"
49 #include "llvm/CodeGen/TargetSubtargetInfo.h"
50 #include "llvm/IR/DebugLoc.h"
51 #include "llvm/IR/Function.h"
52 #include "llvm/Pass.h"
53 #include "llvm/Support/Allocator.h"
54 #include "llvm/Support/BlockFrequency.h"
55 #include "llvm/Support/BranchProbability.h"
56 #include "llvm/Support/CodeGen.h"
57 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
58 #include "llvm/Support/Compiler.h"
59 #include "llvm/Support/Debug.h"
60 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
61 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
62 #include <algorithm>
63 #include <cassert>
64 #include <cstdint>
65 #include <iterator>
66 #include <memory>
67 #include <string>
68 #include <tuple>
69 #include <utility>
70 #include <vector>
71
72 using namespace llvm;
73
74 #define DEBUG_TYPE "block-placement"
75
76 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
77 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of unconditional branches");
78 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
79           "Potential frequency of taking conditional branches");
80 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
81           "Potential frequency of taking unconditional branches");
82
83 static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
84                                        cl::desc("Force the alignment of all "
85                                                 "blocks in the function."),
86                                        cl::init(0), cl::Hidden);
87
88 static cl::opt<unsigned> AlignAllNonFallThruBlocks(
89     "align-all-nofallthru-blocks",
90     cl::desc("Force the alignment of all "
91              "blocks that have no fall-through predecessors (i.e. don't add "
92              "nops that are executed)."),
93     cl::init(0), cl::Hidden);
94
95 // FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
96 static cl::opt<unsigned> ExitBlockBias(
97     "block-placement-exit-block-bias",
98     cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
99              "over the original exit to be considered the new exit."),
100     cl::init(0), cl::Hidden);
101
102 // Definition:
103 // - Outlining: placement of a basic block outside the chain or hot path.
104
105 static cl::opt<unsigned> LoopToColdBlockRatio(
106     "loop-to-cold-block-ratio",
107     cl::desc("Outline loop blocks from loop chain if (frequency of loop) / "
108              "(frequency of block) is greater than this ratio"),
109     cl::init(5), cl::Hidden);
110
111 static cl::opt<bool> ForceLoopColdBlock(
112     "force-loop-cold-block",
113     cl::desc("Force outlining cold blocks from loops."),
114     cl::init(false), cl::Hidden);
115
116 static cl::opt<bool>
117     PreciseRotationCost("precise-rotation-cost",
118                         cl::desc("Model the cost of loop rotation more "
119                                  "precisely by using profile data."),
120                         cl::init(false), cl::Hidden);
121
122 static cl::opt<bool>
123     ForcePreciseRotationCost("force-precise-rotation-cost",
124                              cl::desc("Force the use of precise cost "
125                                       "loop rotation strategy."),
126                              cl::init(false), cl::Hidden);
127
128 static cl::opt<unsigned> MisfetchCost(
129     "misfetch-cost",
130     cl::desc("Cost that models the probabilistic risk of an instruction "
131              "misfetch due to a jump comparing to falling through, whose cost "
132              "is zero."),
133     cl::init(1), cl::Hidden);
134
135 static cl::opt<unsigned> JumpInstCost("jump-inst-cost",
136                                       cl::desc("Cost of jump instructions."),
137                                       cl::init(1), cl::Hidden);
138 static cl::opt<bool>
139 TailDupPlacement("tail-dup-placement",
140               cl::desc("Perform tail duplication during placement. "
141                        "Creates more fallthrough opportunites in "
142                        "outline branches."),
143               cl::init(true), cl::Hidden);
144
145 static cl::opt<bool>
146 BranchFoldPlacement("branch-fold-placement",
147               cl::desc("Perform branch folding during placement. "
148                        "Reduces code size."),
149               cl::init(true), cl::Hidden);
150
151 // Heuristic for tail duplication.
152 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementThreshold(
153     "tail-dup-placement-threshold",
154     cl::desc("Instruction cutoff for tail duplication during layout. "
155              "Tail merging during layout is forced to have a threshold "
156              "that won't conflict."), cl::init(2),
157     cl::Hidden);
158
159 // Heuristic for aggressive tail duplication.
160 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementAggressiveThreshold(
161     "tail-dup-placement-aggressive-threshold",
162     cl::desc("Instruction cutoff for aggressive tail duplication during "
163              "layout. Used at -O3. Tail merging during layout is forced to "
164              "have a threshold that won't conflict."), cl::init(4),
165     cl::Hidden);
166
167 // Heuristic for tail duplication.
168 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementPenalty(
169     "tail-dup-placement-penalty",
170     cl::desc("Cost penalty for blocks that can avoid breaking CFG by copying. "
171              "Copying can increase fallthrough, but it also increases icache "
172              "pressure. This parameter controls the penalty to account for that. "
173              "Percent as integer."),
174     cl::init(2),
175     cl::Hidden);
176
177 // Heuristic for triangle chains.
178 static cl::opt<unsigned> TriangleChainCount(
179     "triangle-chain-count",
180     cl::desc("Number of triangle-shaped-CFG's that need to be in a row for the "
181              "triangle tail duplication heuristic to kick in. 0 to disable."),
182     cl::init(2),
183     cl::Hidden);
184
185 extern cl::opt<unsigned> StaticLikelyProb;
186 extern cl::opt<unsigned> ProfileLikelyProb;
187
188 // Internal option used to control BFI display only after MBP pass.
189 // Defined in CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.cpp:
190 // -view-block-layout-with-bfi=
191 extern cl::opt<GVDAGType> ViewBlockLayoutWithBFI;
192
193 // Command line option to specify the name of the function for CFG dump
194 // Defined in Analysis/BlockFrequencyInfo.cpp:  -view-bfi-func-name=
195 extern cl::opt<std::string> ViewBlockFreqFuncName;
196
197 namespace {
198
199 class BlockChain;
200
201 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
202 using BlockToChainMapType = DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *>;
203
204 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
205 ///
206 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
207 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
208 /// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
209 /// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
210 /// requirement for sequential layout.
211 ///
212 /// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
213 /// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
214 /// automatically as chains are merged together.
215 class BlockChain {
216   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
217   ///
218   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
219   /// out in-order within the function.
220   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
221
222   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
223   ///
224   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
225   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
226   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
227   /// structure.
228   BlockToChainMapType &BlockToChain;
229
230 public:
231   /// \brief Construct a new BlockChain.
232   ///
233   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
234   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
235   /// in with the BlockToChain mapping.
236   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
237       : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain) {
238     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
239     BlockToChain[BB] = this;
240   }
241
242   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
243   using iterator = SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator;
244   using const_iterator = SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::const_iterator;
245
246   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
247   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
248   const_iterator begin() const { return Blocks.begin(); }
249
250   /// \brief End of blocks within the chain.
251   iterator end() { return Blocks.end(); }
252   const_iterator end() const { return Blocks.end(); }
253
254   bool remove(MachineBasicBlock* BB) {
255     for(iterator i = begin(); i != end(); ++i) {
256       if (*i == BB) {
257         Blocks.erase(i);
258         return true;
259       }
260     }
261     return false;
262   }
263
264   /// \brief Merge a block chain into this one.
265   ///
266   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
267   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
268   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
269   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
270   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
271     assert(BB && "Can't merge a null block.");
272     assert(!Blocks.empty() && "Can't merge into an empty chain.");
273
274     // Fast path in case we don't have a chain already.
275     if (!Chain) {
276       assert(!BlockToChain[BB] &&
277              "Passed chain is null, but BB has entry in BlockToChain.");
278       Blocks.push_back(BB);
279       BlockToChain[BB] = this;
280       return;
281     }
282
283     assert(BB == *Chain->begin() && "Passed BB is not head of Chain.");
284     assert(Chain->begin() != Chain->end());
285
286     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
287     // chain structure.
288     for (MachineBasicBlock *ChainBB : *Chain) {
289       Blocks.push_back(ChainBB);
290       assert(BlockToChain[ChainBB] == Chain && "Incoming blocks not in chain.");
291       BlockToChain[ChainBB] = this;
292     }
293   }
294
295 #ifndef NDEBUG
296   /// \brief Dump the blocks in this chain.
297   LLVM_DUMP_METHOD void dump() {
298     for (MachineBasicBlock *MBB : *this)
299       MBB->dump();
300   }
301 #endif // NDEBUG
302
303   /// \brief Count of predecessors of any block within the chain which have not
304   /// yet been scheduled.  In general, we will delay scheduling this chain
305   /// until those predecessors are scheduled (or we find a sufficiently good
306   /// reason to override this heuristic.)  Note that when forming loop chains,
307   /// blocks outside the loop are ignored and treated as if they were already
308   /// scheduled.
309   ///
310   /// Note: This field is reinitialized multiple times - once for each loop,
311   /// and then once for the function as a whole.
312   unsigned UnscheduledPredecessors = 0;
313 };
314
315 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
316   /// \brief A type for a block filter set.
317   using BlockFilterSet = SmallSetVector<const MachineBasicBlock *, 16>;
318
319   /// Pair struct containing basic block and taildup profitiability
320   struct BlockAndTailDupResult {
321     MachineBasicBlock *BB;
322     bool ShouldTailDup;
323   };
324
325   /// Triple struct containing edge weight and the edge.
326   struct WeightedEdge {
327     BlockFrequency Weight;
328     MachineBasicBlock *Src;
329     MachineBasicBlock *Dest;
330   };
331
332   /// \brief work lists of blocks that are ready to be laid out
333   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
334   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> EHPadWorkList;
335
336   /// Edges that have already been computed as optimal.
337   DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockAndTailDupResult> ComputedEdges;
338
339   /// \brief Machine Function
340   MachineFunction *F;
341
342   /// \brief A handle to the branch probability pass.
343   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
344
345   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
346   std::unique_ptr<BranchFolder::MBFIWrapper> MBFI;
347
348   /// \brief A handle to the loop info.
349   MachineLoopInfo *MLI;
350
351   /// \brief Preferred loop exit.
352   /// Member variable for convenience. It may be removed by duplication deep
353   /// in the call stack.
354   MachineBasicBlock *PreferredLoopExit;
355
356   /// \brief A handle to the target's instruction info.
357   const TargetInstrInfo *TII;
358
359   /// \brief A handle to the target's lowering info.
360   const TargetLoweringBase *TLI;
361
362   /// \brief A handle to the post dominator tree.
363   MachinePostDominatorTree *MPDT;
364
365   /// \brief Duplicator used to duplicate tails during placement.
366   ///
367   /// Placement decisions can open up new tail duplication opportunities, but
368   /// since tail duplication affects placement decisions of later blocks, it
369   /// must be done inline.
370   TailDuplicator TailDup;
371
372   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
373   ///
374   /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
375   /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
376   /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
377   /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
378   /// the chains.
379   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
380
381   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
382   ///
383   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
384   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
385   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
386   /// between basic blocks.
387   DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
388
389 #ifndef NDEBUG
390   /// The set of basic blocks that have terminators that cannot be fully
391   /// analyzed.  These basic blocks cannot be re-ordered safely by
392   /// MachineBlockPlacement, and we must preserve physical layout of these
393   /// blocks and their successors through the pass.
394   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksWithUnanalyzableExits;
395 #endif
396
397   /// Decrease the UnscheduledPredecessors count for all blocks in chain, and
398   /// if the count goes to 0, add them to the appropriate work list.
399   void markChainSuccessors(
400       const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
401       const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
402
403   /// Decrease the UnscheduledPredecessors count for a single block, and
404   /// if the count goes to 0, add them to the appropriate work list.
405   void markBlockSuccessors(
406       const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *BB,
407       const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
408       const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
409
410   BranchProbability
411   collectViableSuccessors(
412       const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
413       const BlockFilterSet *BlockFilter,
414       SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> &Successors);
415   bool shouldPredBlockBeOutlined(
416       const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
417       const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter,
418       BranchProbability SuccProb, BranchProbability HotProb);
419   bool repeatedlyTailDuplicateBlock(
420       MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
421       const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
422       BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
423       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt);
424   bool maybeTailDuplicateBlock(
425       MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
426       BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
427       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
428       bool &DuplicatedToPred);
429   bool hasBetterLayoutPredecessor(
430       const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
431       const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
432       BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
433       const BlockFilterSet *BlockFilter);
434   BlockAndTailDupResult selectBestSuccessor(
435       const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
436       const BlockFilterSet *BlockFilter);
437   MachineBasicBlock *selectBestCandidateBlock(
438       const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList);
439   MachineBasicBlock *getFirstUnplacedBlock(
440       const BlockChain &PlacedChain,
441       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
442       const BlockFilterSet *BlockFilter);
443
444   /// \brief Add a basic block to the work list if it is appropriate.
445   ///
446   /// If the optional parameter BlockFilter is provided, only MBB
447   /// present in the set will be added to the worklist. If nullptr
448   /// is provided, no filtering occurs.
449   void fillWorkLists(const MachineBasicBlock *MBB,
450                      SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
451                      const BlockFilterSet *BlockFilter);
452
453   void buildChain(const MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
454                   BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
455   MachineBasicBlock *findBestLoopTop(
456       const MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
457   MachineBasicBlock *findBestLoopExit(
458       const MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
459   BlockFilterSet collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L);
460   void buildLoopChains(const MachineLoop &L);
461   void rotateLoop(
462       BlockChain &LoopChain, const MachineBasicBlock *ExitingBB,
463       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
464   void rotateLoopWithProfile(
465       BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
466       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
467   void buildCFGChains();
468   void optimizeBranches();
469   void alignBlocks();
470   /// Returns true if a block should be tail-duplicated to increase fallthrough
471   /// opportunities.
472   bool shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB);
473   /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
474   /// fallthroughs.
475   bool isProfitableToTailDup(
476     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
477     BranchProbability AdjustedSumProb,
478     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
479
480   /// Check for a trellis layout.
481   bool isTrellis(const MachineBasicBlock *BB,
482                  const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
483                  const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
484
485   /// Get the best successor given a trellis layout.
486   BlockAndTailDupResult getBestTrellisSuccessor(
487       const MachineBasicBlock *BB,
488       const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
489       BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
490       const BlockFilterSet *BlockFilter);
491
492   /// Get the best pair of non-conflicting edges.
493   static std::pair<WeightedEdge, WeightedEdge> getBestNonConflictingEdges(
494       const MachineBasicBlock *BB,
495       MutableArrayRef<SmallVector<WeightedEdge, 8>> Edges);
496
497   /// Returns true if a block can tail duplicate into all unplaced
498   /// predecessors. Filters based on loop.
499   bool canTailDuplicateUnplacedPreds(
500       const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
501       const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
502
503   /// Find chains of triangles to tail-duplicate where a global analysis works,
504   /// but a local analysis would not find them.
505   void precomputeTriangleChains();
506
507 public:
508   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
509
510   MachineBlockPlacement() : MachineFunctionPass(ID) {
511     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
512   }
513
514   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
515
516   bool allowTailDupPlacement() const {
517     assert(F);
518     return TailDupPlacement && !F->getTarget().requiresStructuredCFG();
519   }
520
521   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
522     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
523     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
524     if (TailDupPlacement)
525       AU.addRequired<MachinePostDominatorTree>();
526     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
527     AU.addRequired<TargetPassConfig>();
528     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
529   }
530 };
531
532 } // end anonymous namespace
533
534 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
535
536 char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
537
538 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, DEBUG_TYPE,
539                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
540 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
541 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
542 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachinePostDominatorTree)
543 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
544 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, DEBUG_TYPE,
545                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
546
547 #ifndef NDEBUG
548 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
549 ///
550 /// Only used by debug logging.
551 static std::string getBlockName(const MachineBasicBlock *BB) {
552   std::string Result;
553   raw_string_ostream OS(Result);
554   OS << printMBBReference(*BB);
555   OS << " ('" << BB->getName() << "')";
556   OS.flush();
557   return Result;
558 }
559 #endif
560
561 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
562 ///
563 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
564 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
565 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
566 /// chain which reach the zero-predecessor state to the appropriate worklist.
567 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
568     const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
569     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
570   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
571   // a predecessor placed.
572   for (MachineBasicBlock *MBB : Chain) {
573     markBlockSuccessors(Chain, MBB, LoopHeaderBB, BlockFilter);
574   }
575 }
576
577 /// \brief Mark a single block's successors as having one fewer preds.
578 ///
579 /// Under normal circumstances, this is only called by markChainSuccessors,
580 /// but if a block that was to be placed is completely tail-duplicated away,
581 /// and was duplicated into the chain end, we need to redo markBlockSuccessors
582 /// for just that block.
583 void MachineBlockPlacement::markBlockSuccessors(
584     const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *MBB,
585     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
586   // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
587   // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
588   // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
589   // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
590   for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
591     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
592       continue;
593     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
594     // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
595     if (&Chain == &SuccChain || Succ == LoopHeaderBB)
596       continue;
597
598     // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
599     // loop predecessor count of the destination chain.
600     if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 ||
601         --SuccChain.UnscheduledPredecessors > 0)
602       continue;
603
604     auto *NewBB = *SuccChain.begin();
605     if (NewBB->isEHPad())
606       EHPadWorkList.push_back(NewBB);
607     else
608       BlockWorkList.push_back(NewBB);
609   }
610 }
611
612 /// This helper function collects the set of successors of block
613 /// \p BB that are allowed to be its layout successors, and return
614 /// the total branch probability of edges from \p BB to those
615 /// blocks.
616 BranchProbability MachineBlockPlacement::collectViableSuccessors(
617     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
618     const BlockFilterSet *BlockFilter,
619     SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> &Successors) {
620   // Adjust edge probabilities by excluding edges pointing to blocks that is
621   // either not in BlockFilter or is already in the current chain. Consider the
622   // following CFG:
623   //
624   //     --->A
625   //     |  / \
626   //     | B   C
627   //     |  \ / \
628   //     ----D   E
629   //
630   // Assume A->C is very hot (>90%), and C->D has a 50% probability, then after
631   // A->C is chosen as a fall-through, D won't be selected as a successor of C
632   // due to CFG constraint (the probability of C->D is not greater than
633   // HotProb to break topo-order). If we exclude E that is not in BlockFilter
634   // when calculating the probability of C->D, D will be selected and we
635   // will get A C D B as the layout of this loop.
636   auto AdjustedSumProb = BranchProbability::getOne();
637   for (MachineBasicBlock *Succ : BB->successors()) {
638     bool SkipSucc = false;
639     if (Succ->isEHPad() || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))) {
640       SkipSucc = true;
641     } else {
642       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
643       if (SuccChain == &Chain) {
644         SkipSucc = true;
645       } else if (Succ != *SuccChain->begin()) {
646         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Mid chain!\n");
647         continue;
648       }
649     }
650     if (SkipSucc)
651       AdjustedSumProb -= MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
652     else
653       Successors.push_back(Succ);
654   }
655
656   return AdjustedSumProb;
657 }
658
659 /// The helper function returns the branch probability that is adjusted
660 /// or normalized over the new total \p AdjustedSumProb.
661 static BranchProbability
662 getAdjustedProbability(BranchProbability OrigProb,
663                        BranchProbability AdjustedSumProb) {
664   BranchProbability SuccProb;
665   uint32_t SuccProbN = OrigProb.getNumerator();
666   uint32_t SuccProbD = AdjustedSumProb.getNumerator();
667   if (SuccProbN >= SuccProbD)
668     SuccProb = BranchProbability::getOne();
669   else
670     SuccProb = BranchProbability(SuccProbN, SuccProbD);
671
672   return SuccProb;
673 }
674
675 /// Check if \p BB has exactly the successors in \p Successors.
676 static bool
677 hasSameSuccessors(MachineBasicBlock &BB,
678                   SmallPtrSetImpl<const MachineBasicBlock *> &Successors) {
679   if (BB.succ_size() != Successors.size())
680     return false;
681   // We don't want to count self-loops
682   if (Successors.count(&BB))
683     return false;
684   for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors())
685     if (!Successors.count(Succ))
686       return false;
687   return true;
688 }
689
690 /// Check if a block should be tail duplicated to increase fallthrough
691 /// opportunities.
692 /// \p BB Block to check.
693 bool MachineBlockPlacement::shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB) {
694   // Blocks with single successors don't create additional fallthrough
695   // opportunities. Don't duplicate them. TODO: When conditional exits are
696   // analyzable, allow them to be duplicated.
697   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
698
699   if (BB->succ_size() == 1)
700     return false;
701   return TailDup.shouldTailDuplicate(IsSimple, *BB);
702 }
703
704 /// Compare 2 BlockFrequency's with a small penalty for \p A.
705 /// In order to be conservative, we apply a X% penalty to account for
706 /// increased icache pressure and static heuristics. For small frequencies
707 /// we use only the numerators to improve accuracy. For simplicity, we assume the
708 /// penalty is less than 100%
709 /// TODO(iteratee): Use 64-bit fixed point edge frequencies everywhere.
710 static bool greaterWithBias(BlockFrequency A, BlockFrequency B,
711                             uint64_t EntryFreq) {
712   BranchProbability ThresholdProb(TailDupPlacementPenalty, 100);
713   BlockFrequency Gain = A - B;
714   return (Gain / ThresholdProb).getFrequency() >= EntryFreq;
715 }
716
717 /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
718 /// fallthroughs. It only makes sense to call this function when
719 /// \p Succ would not be chosen otherwise. Tail duplication of \p Succ is
720 /// always locally profitable if we would have picked \p Succ without
721 /// considering duplication.
722 bool MachineBlockPlacement::isProfitableToTailDup(
723     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
724     BranchProbability QProb,
725     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
726   // We need to do a probability calculation to make sure this is profitable.
727   // First: does succ have a successor that post-dominates? This affects the
728   // calculation. The 2 relevant cases are:
729   //    BB         BB
730   //    | \Qout    | \Qout
731   //   P|  C       |P C
732   //    =   C'     =   C'
733   //    |  /Qin    |  /Qin
734   //    | /        | /
735   //    Succ       Succ
736   //    / \        | \  V
737   //  U/   =V      |U \
738   //  /     \      =   D
739   //  D      E     |  /
740   //               | /
741   //               |/
742   //               PDom
743   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
744   // In the second case, Placing Succ while duplicating it into C prevents the
745   // fallthrough of Succ into either D or PDom, because they now have C as an
746   // unplaced predecessor
747
748   // Start by figuring out which case we fall into
749   MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
750   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> SuccSuccs;
751   // Only scan the relevant successors
752   auto AdjustedSuccSumProb =
753       collectViableSuccessors(Succ, Chain, BlockFilter, SuccSuccs);
754   BranchProbability PProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
755   auto BBFreq = MBFI->getBlockFreq(BB);
756   auto SuccFreq = MBFI->getBlockFreq(Succ);
757   BlockFrequency P = BBFreq * PProb;
758   BlockFrequency Qout = BBFreq * QProb;
759   uint64_t EntryFreq = MBFI->getEntryFreq();
760   // If there are no more successors, it is profitable to copy, as it strictly
761   // increases fallthrough.
762   if (SuccSuccs.size() == 0)
763     return greaterWithBias(P, Qout, EntryFreq);
764
765   auto BestSuccSucc = BranchProbability::getZero();
766   // Find the PDom or the best Succ if no PDom exists.
767   for (MachineBasicBlock *SuccSucc : SuccSuccs) {
768     auto Prob = MBPI->getEdgeProbability(Succ, SuccSucc);
769     if (Prob > BestSuccSucc)
770       BestSuccSucc = Prob;
771     if (PDom == nullptr)
772       if (MPDT->dominates(SuccSucc, Succ)) {
773         PDom = SuccSucc;
774         break;
775       }
776   }
777   // For the comparisons, we need to know Succ's best incoming edge that isn't
778   // from BB.
779   auto SuccBestPred = BlockFrequency(0);
780   for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
781     if (SuccPred == Succ || SuccPred == BB
782         || BlockToChain[SuccPred] == &Chain
783         || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)))
784       continue;
785     auto Freq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred)
786         * MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
787     if (Freq > SuccBestPred)
788       SuccBestPred = Freq;
789   }
790   // Qin is Succ's best unplaced incoming edge that isn't BB
791   BlockFrequency Qin = SuccBestPred;
792   // If it doesn't have a post-dominating successor, here is the calculation:
793   //    BB        BB
794   //    | \Qout   |  \
795   //   P|  C      |   =
796   //    =   C'    |    C
797   //    |  /Qin   |     |
798   //    | /       |     C' (+Succ)
799   //    Succ      Succ /|
800   //    / \       |  \/ |
801   //  U/   =V     |  == |
802   //  /     \     | /  \|
803   //  D      E    D     E
804   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
805   //  Cost in the first case is: P + V
806   //  For this calculation, we always assume P > Qout. If Qout > P
807   //  The result of this function will be ignored at the caller.
808   //  Let F = SuccFreq - Qin
809   //  Cost in the second case is: Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
810
811   if (PDom == nullptr || !Succ->isSuccessor(PDom)) {
812     BranchProbability UProb = BestSuccSucc;
813     BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
814     BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
815     BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
816     BlockFrequency QinU = std::min(Qin, F) * UProb;
817     BlockFrequency BaseCost = P + V;
818     BlockFrequency DupCost = Qout + QinU + std::max(Qin, F) * VProb;
819     return greaterWithBias(BaseCost, DupCost, EntryFreq);
820   }
821   BranchProbability UProb = MBPI->getEdgeProbability(Succ, PDom);
822   BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
823   BlockFrequency U = SuccFreq * UProb;
824   BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
825   BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
826   // If there is a post-dominating successor, here is the calculation:
827   // BB         BB                 BB          BB
828   // | \Qout    |   \               | \Qout     |  \
829   // |P C       |    =              |P C        |   =
830   // =   C'     |P    C             =   C'      |P   C
831   // |  /Qin    |      |            |  /Qin     |     |
832   // | /        |      C' (+Succ)   | /         |     C' (+Succ)
833   // Succ       Succ  /|            Succ        Succ /|
834   // | \  V     |   \/ |            | \  V      |  \/ |
835   // |U \       |U  /\ =?           |U =        |U /\ |
836   // =   D      = =  =?|            |   D       | =  =|
837   // |  /       |/     D            |  /        |/    D
838   // | /        |     /             | =         |    /
839   // |/         |    /              |/          |   =
840   // Dom         Dom                Dom         Dom
841   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
842   // The cost for taken branches in the first case is P + U
843   // Let F = SuccFreq - Qin
844   // The cost in the second case (assuming independence), given the layout:
845   // BB, Succ, (C+Succ), D, Dom or the layout:
846   // BB, Succ, D, Dom, (C+Succ)
847   // is Qout + max(F, Qin) * U + min(F, Qin)
848   // compare P + U vs Qout + P * U + Qin.
849   //
850   // The 3rd and 4th cases cover when Dom would be chosen to follow Succ.
851   //
852   // For the 3rd case, the cost is P + 2 * V
853   // For the 4th case, the cost is Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V + V
854   // We choose 4 over 3 when (P + V) > Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
855   if (UProb > AdjustedSuccSumProb / 2 &&
856       !hasBetterLayoutPredecessor(Succ, PDom, *BlockToChain[PDom], UProb, UProb,
857                                   Chain, BlockFilter))
858     // Cases 3 & 4
859     return greaterWithBias(
860         (P + V), (Qout + std::max(Qin, F) * VProb + std::min(Qin, F) * UProb),
861         EntryFreq);
862   // Cases 1 & 2
863   return greaterWithBias((P + U),
864                          (Qout + std::min(Qin, F) * AdjustedSuccSumProb +
865                           std::max(Qin, F) * UProb),
866                          EntryFreq);
867 }
868
869 /// Check for a trellis layout. \p BB is the upper part of a trellis if its
870 /// successors form the lower part of a trellis. A successor set S forms the
871 /// lower part of a trellis if all of the predecessors of S are either in S or
872 /// have all of S as successors. We ignore trellises where BB doesn't have 2
873 /// successors because for fewer than 2, it's trivial, and for 3 or greater they
874 /// are very uncommon and complex to compute optimally. Allowing edges within S
875 /// is not strictly a trellis, but the same algorithm works, so we allow it.
876 bool MachineBlockPlacement::isTrellis(
877     const MachineBasicBlock *BB,
878     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
879     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
880   // Technically BB could form a trellis with branching factor higher than 2.
881   // But that's extremely uncommon.
882   if (BB->succ_size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
883     return false;
884
885   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 2> Successors(BB->succ_begin(),
886                                                        BB->succ_end());
887   // To avoid reviewing the same predecessors twice.
888   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 8> SeenPreds;
889
890   for (MachineBasicBlock *Succ : ViableSuccs) {
891     int PredCount = 0;
892     for (auto SuccPred : Succ->predecessors()) {
893       // Allow triangle successors, but don't count them.
894       if (Successors.count(SuccPred)) {
895         // Make sure that it is actually a triangle.
896         for (MachineBasicBlock *CheckSucc : SuccPred->successors())
897           if (!Successors.count(CheckSucc))
898             return false;
899         continue;
900       }
901       const BlockChain *PredChain = BlockToChain[SuccPred];
902       if (SuccPred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
903           PredChain == &Chain || PredChain == BlockToChain[Succ])
904         continue;
905       ++PredCount;
906       // Perform the successor check only once.
907       if (!SeenPreds.insert(SuccPred).second)
908         continue;
909       if (!hasSameSuccessors(*SuccPred, Successors))
910         return false;
911     }
912     // If one of the successors has only BB as a predecessor, it is not a
913     // trellis.
914     if (PredCount < 1)
915       return false;
916   }
917   return true;
918 }
919
920 /// Pick the highest total weight pair of edges that can both be laid out.
921 /// The edges in \p Edges[0] are assumed to have a different destination than
922 /// the edges in \p Edges[1]. Simple counting shows that the best pair is either
923 /// the individual highest weight edges to the 2 different destinations, or in
924 /// case of a conflict, one of them should be replaced with a 2nd best edge.
925 std::pair<MachineBlockPlacement::WeightedEdge,
926           MachineBlockPlacement::WeightedEdge>
927 MachineBlockPlacement::getBestNonConflictingEdges(
928     const MachineBasicBlock *BB,
929     MutableArrayRef<SmallVector<MachineBlockPlacement::WeightedEdge, 8>>
930         Edges) {
931   // Sort the edges, and then for each successor, find the best incoming
932   // predecessor. If the best incoming predecessors aren't the same,
933   // then that is clearly the best layout. If there is a conflict, one of the
934   // successors will have to fallthrough from the second best predecessor. We
935   // compare which combination is better overall.
936
937   // Sort for highest frequency.
938   auto Cmp = [](WeightedEdge A, WeightedEdge B) { return A.Weight > B.Weight; };
939
940   std::stable_sort(Edges[0].begin(), Edges[0].end(), Cmp);
941   std::stable_sort(Edges[1].begin(), Edges[1].end(), Cmp);
942   auto BestA = Edges[0].begin();
943   auto BestB = Edges[1].begin();
944   // Arrange for the correct answer to be in BestA and BestB
945   // If the 2 best edges don't conflict, the answer is already there.
946   if (BestA->Src == BestB->Src) {
947     // Compare the total fallthrough of (Best + Second Best) for both pairs
948     auto SecondBestA = std::next(BestA);
949     auto SecondBestB = std::next(BestB);
950     BlockFrequency BestAScore = BestA->Weight + SecondBestB->Weight;
951     BlockFrequency BestBScore = BestB->Weight + SecondBestA->Weight;
952     if (BestAScore < BestBScore)
953       BestA = SecondBestA;
954     else
955       BestB = SecondBestB;
956   }
957   // Arrange for the BB edge to be in BestA if it exists.
958   if (BestB->Src == BB)
959     std::swap(BestA, BestB);
960   return std::make_pair(*BestA, *BestB);
961 }
962
963 /// Get the best successor from \p BB based on \p BB being part of a trellis.
964 /// We only handle trellises with 2 successors, so the algorithm is
965 /// straightforward: Find the best pair of edges that don't conflict. We find
966 /// the best incoming edge for each successor in the trellis. If those conflict,
967 /// we consider which of them should be replaced with the second best.
968 /// Upon return the two best edges will be in \p BestEdges. If one of the edges
969 /// comes from \p BB, it will be in \p BestEdges[0]
970 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
971 MachineBlockPlacement::getBestTrellisSuccessor(
972     const MachineBasicBlock *BB,
973     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
974     BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
975     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
976
977   BlockAndTailDupResult Result = {nullptr, false};
978   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
979                                                        BB->succ_end());
980
981   // We assume size 2 because it's common. For general n, we would have to do
982   // the Hungarian algorithm, but it's not worth the complexity because more
983   // than 2 successors is fairly uncommon, and a trellis even more so.
984   if (Successors.size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
985     return Result;
986
987   // Collect the edge frequencies of all edges that form the trellis.
988   SmallVector<WeightedEdge, 8> Edges[2];
989   int SuccIndex = 0;
990   for (auto Succ : ViableSuccs) {
991     for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
992       // Skip any placed predecessors that are not BB
993       if (SuccPred != BB)
994         if ((BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
995             BlockToChain[SuccPred] == &Chain ||
996             BlockToChain[SuccPred] == BlockToChain[Succ])
997           continue;
998       BlockFrequency EdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred) *
999                                 MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
1000       Edges[SuccIndex].push_back({EdgeFreq, SuccPred, Succ});
1001     }
1002     ++SuccIndex;
1003   }
1004
1005   // Pick the best combination of 2 edges from all the edges in the trellis.
1006   WeightedEdge BestA, BestB;
1007   std::tie(BestA, BestB) = getBestNonConflictingEdges(BB, Edges);
1008
1009   if (BestA.Src != BB) {
1010     // If we have a trellis, and BB doesn't have the best fallthrough edges,
1011     // we shouldn't choose any successor. We've already looked and there's a
1012     // better fallthrough edge for all the successors.
1013     DEBUG(dbgs() << "Trellis, but not one of the chosen edges.\n");
1014     return Result;
1015   }
1016
1017   // Did we pick the triangle edge? If tail-duplication is profitable, do
1018   // that instead. Otherwise merge the triangle edge now while we know it is
1019   // optimal.
1020   if (BestA.Dest == BestB.Src) {
1021     // The edges are BB->Succ1->Succ2, and we're looking to see if BB->Succ2
1022     // would be better.
1023     MachineBasicBlock *Succ1 = BestA.Dest;
1024     MachineBasicBlock *Succ2 = BestB.Dest;
1025     // Check to see if tail-duplication would be profitable.
1026     if (allowTailDupPlacement() && shouldTailDuplicate(Succ2) &&
1027         canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ2, Chain, BlockFilter) &&
1028         isProfitableToTailDup(BB, Succ2, MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ1),
1029                               Chain, BlockFilter)) {
1030       DEBUG(BranchProbability Succ2Prob = getAdjustedProbability(
1031                 MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ2), AdjustedSumProb);
1032             dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(Succ2)
1033                    << ", probability: " << Succ2Prob << " (Tail Duplicate)\n");
1034       Result.BB = Succ2;
1035       Result.ShouldTailDup = true;
1036       return Result;
1037     }
1038   }
1039   // We have already computed the optimal edge for the other side of the
1040   // trellis.
1041   ComputedEdges[BestB.Src] = { BestB.Dest, false };
1042
1043   auto TrellisSucc = BestA.Dest;
1044   DEBUG(BranchProbability SuccProb = getAdjustedProbability(
1045             MBPI->getEdgeProbability(BB, TrellisSucc), AdjustedSumProb);
1046         dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(TrellisSucc)
1047                << ", probability: " << SuccProb << " (Trellis)\n");
1048   Result.BB = TrellisSucc;
1049   return Result;
1050 }
1051
1052 /// When the option allowTailDupPlacement() is on, this method checks if the
1053 /// fallthrough candidate block \p Succ (of block \p BB) can be tail-duplicated
1054 /// into all of its unplaced, unfiltered predecessors, that are not BB.
1055 bool MachineBlockPlacement::canTailDuplicateUnplacedPreds(
1056     const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
1057     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1058   if (!shouldTailDuplicate(Succ))
1059     return false;
1060
1061   // For CFG checking.
1062   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
1063                                                        BB->succ_end());
1064   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1065     // Make sure all unplaced and unfiltered predecessors can be
1066     // tail-duplicated into.
1067     // Skip any blocks that are already placed or not in this loop.
1068     if (Pred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1069         || BlockToChain[Pred] == &Chain)
1070       continue;
1071     if (!TailDup.canTailDuplicate(Succ, Pred)) {
1072       if (Successors.size() > 1 && hasSameSuccessors(*Pred, Successors))
1073         // This will result in a trellis after tail duplication, so we don't
1074         // need to copy Succ into this predecessor. In the presence
1075         // of a trellis tail duplication can continue to be profitable.
1076         // For example:
1077         // A            A
1078         // |\           |\
1079         // | \          | \
1080         // |  C         |  C+BB
1081         // | /          |  |
1082         // |/           |  |
1083         // BB    =>     BB |
1084         // |\           |\/|
1085         // | \          |/\|
1086         // |  D         |  D
1087         // | /          | /
1088         // |/           |/
1089         // Succ         Succ
1090         //
1091         // After BB was duplicated into C, the layout looks like the one on the
1092         // right. BB and C now have the same successors. When considering
1093         // whether Succ can be duplicated into all its unplaced predecessors, we
1094         // ignore C.
1095         // We can do this because C already has a profitable fallthrough, namely
1096         // D. TODO(iteratee): ignore sufficiently cold predecessors for
1097         // duplication and for this test.
1098         //
1099         // This allows trellises to be laid out in 2 separate chains
1100         // (A,B,Succ,...) and later (C,D,...) This is a reasonable heuristic
1101         // because it allows the creation of 2 fallthrough paths with links
1102         // between them, and we correctly identify the best layout for these
1103         // CFGs. We want to extend trellises that the user created in addition
1104         // to trellises created by tail-duplication, so we just look for the
1105         // CFG.
1106         continue;
1107       return false;
1108     }
1109   }
1110   return true;
1111 }
1112
1113 /// Find chains of triangles where we believe it would be profitable to
1114 /// tail-duplicate them all, but a local analysis would not find them.
1115 /// There are 3 ways this can be profitable:
1116 /// 1) The post-dominators marked 50% are actually taken 55% (This shrinks with
1117 ///    longer chains)
1118 /// 2) The chains are statically correlated. Branch probabilities have a very
1119 ///    U-shaped distribution.
1120 ///    [http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:24015805]
1121 ///    If the branches in a chain are likely to be from the same side of the
1122 ///    distribution as their predecessor, but are independent at runtime, this
1123 ///    transformation is profitable. (Because the cost of being wrong is a small
1124 ///    fixed cost, unlike the standard triangle layout where the cost of being
1125 ///    wrong scales with the # of triangles.)
1126 /// 3) The chains are dynamically correlated. If the probability that a previous
1127 ///    branch was taken positively influences whether the next branch will be
1128 ///    taken
1129 /// We believe that 2 and 3 are common enough to justify the small margin in 1.
1130 void MachineBlockPlacement::precomputeTriangleChains() {
1131   struct TriangleChain {
1132     std::vector<MachineBasicBlock *> Edges;
1133
1134     TriangleChain(MachineBasicBlock *src, MachineBasicBlock *dst)
1135         : Edges({src, dst}) {}
1136
1137     void append(MachineBasicBlock *dst) {
1138       assert(getKey()->isSuccessor(dst) &&
1139              "Attempting to append a block that is not a successor.");
1140       Edges.push_back(dst);
1141     }
1142
1143     unsigned count() const { return Edges.size() - 1; }
1144
1145     MachineBasicBlock *getKey() const {
1146       return Edges.back();
1147     }
1148   };
1149
1150   if (TriangleChainCount == 0)
1151     return;
1152
1153   DEBUG(dbgs() << "Pre-computing triangle chains.\n");
1154   // Map from last block to the chain that contains it. This allows us to extend
1155   // chains as we find new triangles.
1156   DenseMap<const MachineBasicBlock *, TriangleChain> TriangleChainMap;
1157   for (MachineBasicBlock &BB : *F) {
1158     // If BB doesn't have 2 successors, it doesn't start a triangle.
1159     if (BB.succ_size() != 2)
1160       continue;
1161     MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
1162     for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors()) {
1163       if (!MPDT->dominates(Succ, &BB))
1164         continue;
1165       PDom = Succ;
1166       break;
1167     }
1168     // If BB doesn't have a post-dominating successor, it doesn't form a
1169     // triangle.
1170     if (PDom == nullptr)
1171       continue;
1172     // If PDom has a hint that it is low probability, skip this triangle.
1173     if (MBPI->getEdgeProbability(&BB, PDom) < BranchProbability(50, 100))
1174       continue;
1175     // If PDom isn't eligible for duplication, this isn't the kind of triangle
1176     // we're looking for.
1177     if (!shouldTailDuplicate(PDom))
1178       continue;
1179     bool CanTailDuplicate = true;
1180     // If PDom can't tail-duplicate into it's non-BB predecessors, then this
1181     // isn't the kind of triangle we're looking for.
1182     for (MachineBasicBlock* Pred : PDom->predecessors()) {
1183       if (Pred == &BB)
1184         continue;
1185       if (!TailDup.canTailDuplicate(PDom, Pred)) {
1186         CanTailDuplicate = false;
1187         break;
1188       }
1189     }
1190     // If we can't tail-duplicate PDom to its predecessors, then skip this
1191     // triangle.
1192     if (!CanTailDuplicate)
1193       continue;
1194
1195     // Now we have an interesting triangle. Insert it if it's not part of an
1196     // existing chain.
1197     // Note: This cannot be replaced with a call insert() or emplace() because
1198     // the find key is BB, but the insert/emplace key is PDom.
1199     auto Found = TriangleChainMap.find(&BB);
1200     // If it is, remove the chain from the map, grow it, and put it back in the
1201     // map with the end as the new key.
1202     if (Found != TriangleChainMap.end()) {
1203       TriangleChain Chain = std::move(Found->second);
1204       TriangleChainMap.erase(Found);
1205       Chain.append(PDom);
1206       TriangleChainMap.insert(std::make_pair(Chain.getKey(), std::move(Chain)));
1207     } else {
1208       auto InsertResult = TriangleChainMap.try_emplace(PDom, &BB, PDom);
1209       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1210       (void)InsertResult;
1211     }
1212   }
1213
1214   // Iterating over a DenseMap is safe here, because the only thing in the body
1215   // of the loop is inserting into another DenseMap (ComputedEdges).
1216   // ComputedEdges is never iterated, so this doesn't lead to non-determinism.
1217   for (auto &ChainPair : TriangleChainMap) {
1218     TriangleChain &Chain = ChainPair.second;
1219     // Benchmarking has shown that due to branch correlation duplicating 2 or
1220     // more triangles is profitable, despite the calculations assuming
1221     // independence.
1222     if (Chain.count() < TriangleChainCount)
1223       continue;
1224     MachineBasicBlock *dst = Chain.Edges.back();
1225     Chain.Edges.pop_back();
1226     for (MachineBasicBlock *src : reverse(Chain.Edges)) {
1227       DEBUG(dbgs() << "Marking edge: " << getBlockName(src) << "->" <<
1228             getBlockName(dst) << " as pre-computed based on triangles.\n");
1229
1230       auto InsertResult = ComputedEdges.insert({src, {dst, true}});
1231       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1232       (void)InsertResult;
1233
1234       dst = src;
1235     }
1236   }
1237 }
1238
1239 // When profile is not present, return the StaticLikelyProb.
1240 // When profile is available, we need to handle the triangle-shape CFG.
1241 static BranchProbability getLayoutSuccessorProbThreshold(
1242       const MachineBasicBlock *BB) {
1243   if (!BB->getParent()->getFunction().hasProfileData())
1244     return BranchProbability(StaticLikelyProb, 100);
1245   if (BB->succ_size() == 2) {
1246     const MachineBasicBlock *Succ1 = *BB->succ_begin();
1247     const MachineBasicBlock *Succ2 = *(BB->succ_begin() + 1);
1248     if (Succ1->isSuccessor(Succ2) || Succ2->isSuccessor(Succ1)) {
1249       /* See case 1 below for the cost analysis. For BB->Succ to
1250        * be taken with smaller cost, the following needs to hold:
1251        *   Prob(BB->Succ) > 2 * Prob(BB->Pred)
1252        *   So the threshold T in the calculation below
1253        *   (1-T) * Prob(BB->Succ) > T * Prob(BB->Pred)
1254        *   So T / (1 - T) = 2, Yielding T = 2/3
1255        * Also adding user specified branch bias, we have
1256        *   T = (2/3)*(ProfileLikelyProb/50)
1257        *     = (2*ProfileLikelyProb)/150)
1258        */
1259       return BranchProbability(2 * ProfileLikelyProb, 150);
1260     }
1261   }
1262   return BranchProbability(ProfileLikelyProb, 100);
1263 }
1264
1265 /// Checks to see if the layout candidate block \p Succ has a better layout
1266 /// predecessor than \c BB. If yes, returns true.
1267 /// \p SuccProb: The probability adjusted for only remaining blocks.
1268 ///   Only used for logging
1269 /// \p RealSuccProb: The un-adjusted probability.
1270 /// \p Chain: The chain that BB belongs to and Succ is being considered for.
1271 /// \p BlockFilter: if non-null, the set of blocks that make up the loop being
1272 ///    considered
1273 bool MachineBlockPlacement::hasBetterLayoutPredecessor(
1274     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
1275     const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
1276     BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
1277     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1278
1279   // There isn't a better layout when there are no unscheduled predecessors.
1280   if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0)
1281     return false;
1282
1283   // There are two basic scenarios here:
1284   // -------------------------------------
1285   // Case 1: triangular shape CFG (if-then):
1286   //     BB
1287   //     | \
1288   //     |  \
1289   //     |   Pred
1290   //     |   /
1291   //     Succ
1292   // In this case, we are evaluating whether to select edge -> Succ, e.g.
1293   // set Succ as the layout successor of BB. Picking Succ as BB's
1294   // successor breaks the CFG constraints (FIXME: define these constraints).
1295   // With this layout, Pred BB
1296   // is forced to be outlined, so the overall cost will be cost of the
1297   // branch taken from BB to Pred, plus the cost of back taken branch
1298   // from Pred to Succ, as well as the additional cost associated
1299   // with the needed unconditional jump instruction from Pred To Succ.
1300
1301   // The cost of the topological order layout is the taken branch cost
1302   // from BB to Succ, so to make BB->Succ a viable candidate, the following
1303   // must hold:
1304   //     2 * freq(BB->Pred) * taken_branch_cost + unconditional_jump_cost
1305   //      < freq(BB->Succ) *  taken_branch_cost.
1306   // Ignoring unconditional jump cost, we get
1307   //    freq(BB->Succ) > 2 * freq(BB->Pred), i.e.,
1308   //    prob(BB->Succ) > 2 * prob(BB->Pred)
1309   //
1310   // When real profile data is available, we can precisely compute the
1311   // probability threshold that is needed for edge BB->Succ to be considered.
1312   // Without profile data, the heuristic requires the branch bias to be
1313   // a lot larger to make sure the signal is very strong (e.g. 80% default).
1314   // -----------------------------------------------------------------
1315   // Case 2: diamond like CFG (if-then-else):
1316   //     S
1317   //    / \
1318   //   |   \
1319   //  BB    Pred
1320   //   \    /
1321   //    Succ
1322   //    ..
1323   //
1324   // The current block is BB and edge BB->Succ is now being evaluated.
1325   // Note that edge S->BB was previously already selected because
1326   // prob(S->BB) > prob(S->Pred).
1327   // At this point, 2 blocks can be placed after BB: Pred or Succ. If we
1328   // choose Pred, we will have a topological ordering as shown on the left
1329   // in the picture below. If we choose Succ, we have the solution as shown
1330   // on the right:
1331   //
1332   //   topo-order:
1333   //
1334   //       S-----                             ---S
1335   //       |    |                             |  |
1336   //    ---BB   |                             |  BB
1337   //    |       |                             |  |
1338   //    |  Pred--                             |  Succ--
1339   //    |  |                                  |       |
1340   //    ---Succ                               ---Pred--
1341   //
1342   // cost = freq(S->Pred) + freq(BB->Succ)    cost = 2 * freq (S->Pred)
1343   //      = freq(S->Pred) + freq(S->BB)
1344   //
1345   // If we have profile data (i.e, branch probabilities can be trusted), the
1346   // cost (number of taken branches) with layout S->BB->Succ->Pred is 2 *
1347   // freq(S->Pred) while the cost of topo order is freq(S->Pred) + freq(S->BB).
1348   // We know Prob(S->BB) > Prob(S->Pred), so freq(S->BB) > freq(S->Pred), which
1349   // means the cost of topological order is greater.
1350   // When profile data is not available, however, we need to be more
1351   // conservative. If the branch prediction is wrong, breaking the topo-order
1352   // will actually yield a layout with large cost. For this reason, we need
1353   // strong biased branch at block S with Prob(S->BB) in order to select
1354   // BB->Succ. This is equivalent to looking the CFG backward with backward
1355   // edge: Prob(Succ->BB) needs to >= HotProb in order to be selected (without
1356   // profile data).
1357   // --------------------------------------------------------------------------
1358   // Case 3: forked diamond
1359   //       S
1360   //      / \
1361   //     /   \
1362   //   BB    Pred
1363   //   | \   / |
1364   //   |  \ /  |
1365   //   |   X   |
1366   //   |  / \  |
1367   //   | /   \ |
1368   //   S1     S2
1369   //
1370   // The current block is BB and edge BB->S1 is now being evaluated.
1371   // As above S->BB was already selected because
1372   // prob(S->BB) > prob(S->Pred). Assume that prob(BB->S1) >= prob(BB->S2).
1373   //
1374   // topo-order:
1375   //
1376   //     S-------|                     ---S
1377   //     |       |                     |  |
1378   //  ---BB      |                     |  BB
1379   //  |          |                     |  |
1380   //  |  Pred----|                     |  S1----
1381   //  |  |                             |       |
1382   //  --(S1 or S2)                     ---Pred--
1383   //                                        |
1384   //                                       S2
1385   //
1386   // topo-cost = freq(S->Pred) + freq(BB->S1) + freq(BB->S2)
1387   //    + min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1388   // Non-topo-order cost:
1389   // non-topo-cost = 2 * freq(S->Pred) + freq(BB->S2).
1390   // To be conservative, we can assume that min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1391   // is 0. Then the non topo layout is better when
1392   // freq(S->Pred) < freq(BB->S1).
1393   // This is exactly what is checked below.
1394   // Note there are other shapes that apply (Pred may not be a single block,
1395   // but they all fit this general pattern.)
1396   BranchProbability HotProb = getLayoutSuccessorProbThreshold(BB);
1397
1398   // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
1399   // important predecessor.
1400   BlockFrequency CandidateEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * RealSuccProb;
1401   bool BadCFGConflict = false;
1402
1403   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1404     if (Pred == Succ || BlockToChain[Pred] == &SuccChain ||
1405         (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
1406         BlockToChain[Pred] == &Chain ||
1407         // This check is redundant except for look ahead. This function is
1408         // called for lookahead by isProfitableToTailDup when BB hasn't been
1409         // placed yet.
1410         (Pred == BB))
1411       continue;
1412     // Do backward checking.
1413     // For all cases above, we need a backward checking to filter out edges that
1414     // are not 'strongly' biased.
1415     // BB  Pred
1416     //  \ /
1417     //  Succ
1418     // We select edge BB->Succ if
1419     //      freq(BB->Succ) > freq(Succ) * HotProb
1420     //      i.e. freq(BB->Succ) > freq(BB->Succ) * HotProb + freq(Pred->Succ) *
1421     //      HotProb
1422     //      i.e. freq((BB->Succ) * (1 - HotProb) > freq(Pred->Succ) * HotProb
1423     // Case 1 is covered too, because the first equation reduces to:
1424     // prob(BB->Succ) > HotProb. (freq(Succ) = freq(BB) for a triangle)
1425     BlockFrequency PredEdgeFreq =
1426         MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
1427     if (PredEdgeFreq * HotProb >= CandidateEdgeFreq * HotProb.getCompl()) {
1428       BadCFGConflict = true;
1429       break;
1430     }
1431   }
1432
1433   if (BadCFGConflict) {
1434     DEBUG(dbgs() << "    Not a candidate: " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
1435                  << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
1436     return true;
1437   }
1438
1439   return false;
1440 }
1441
1442 /// \brief Select the best successor for a block.
1443 ///
1444 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
1445 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
1446 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
1447 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
1448 /// very hot successor edges.
1449 ///
1450 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable, along
1451 /// with a boolean indicating if tail duplication is necessary.
1452 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
1453 MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
1454     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
1455     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1456   const BranchProbability HotProb(StaticLikelyProb, 100);
1457
1458   BlockAndTailDupResult BestSucc = { nullptr, false };
1459   auto BestProb = BranchProbability::getZero();
1460
1461   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Successors;
1462   auto AdjustedSumProb =
1463       collectViableSuccessors(BB, Chain, BlockFilter, Successors);
1464
1465   DEBUG(dbgs() << "Selecting best successor for: " << getBlockName(BB) << "\n");
1466
1467   // if we already precomputed the best successor for BB, return that if still
1468   // applicable.
1469   auto FoundEdge = ComputedEdges.find(BB);
1470   if (FoundEdge != ComputedEdges.end()) {
1471     MachineBasicBlock *Succ = FoundEdge->second.BB;
1472     ComputedEdges.erase(FoundEdge);
1473     BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1474     if (BB->isSuccessor(Succ) && (!BlockFilter || BlockFilter->count(Succ)) &&
1475         SuccChain != &Chain && Succ == *SuccChain->begin())
1476       return FoundEdge->second;
1477   }
1478
1479   // if BB is part of a trellis, Use the trellis to determine the optimal
1480   // fallthrough edges
1481   if (isTrellis(BB, Successors, Chain, BlockFilter))
1482     return getBestTrellisSuccessor(BB, Successors, AdjustedSumProb, Chain,
1483                                    BlockFilter);
1484
1485   // For blocks with CFG violations, we may be able to lay them out anyway with
1486   // tail-duplication. We keep this vector so we can perform the probability
1487   // calculations the minimum number of times.
1488   SmallVector<std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *>, 4>
1489       DupCandidates;
1490   for (MachineBasicBlock *Succ : Successors) {
1491     auto RealSuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
1492     BranchProbability SuccProb =
1493         getAdjustedProbability(RealSuccProb, AdjustedSumProb);
1494
1495     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1496     // Skip the edge \c BB->Succ if block \c Succ has a better layout
1497     // predecessor that yields lower global cost.
1498     if (hasBetterLayoutPredecessor(BB, Succ, SuccChain, SuccProb, RealSuccProb,
1499                                    Chain, BlockFilter)) {
1500       // If tail duplication would make Succ profitable, place it.
1501       if (allowTailDupPlacement() && shouldTailDuplicate(Succ))
1502         DupCandidates.push_back(std::make_tuple(SuccProb, Succ));
1503       continue;
1504     }
1505
1506     DEBUG(
1507         dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ) << ", probability: "
1508                << SuccProb
1509                << (SuccChain.UnscheduledPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
1510                << "\n");
1511
1512     if (BestSucc.BB && BestProb >= SuccProb) {
1513       DEBUG(dbgs() << "    Not the best candidate, continuing\n");
1514       continue;
1515     }
1516
1517     DEBUG(dbgs() << "    Setting it as best candidate\n");
1518     BestSucc.BB = Succ;
1519     BestProb = SuccProb;
1520   }
1521   // Handle the tail duplication candidates in order of decreasing probability.
1522   // Stop at the first one that is profitable. Also stop if they are less
1523   // profitable than BestSucc. Position is important because we preserve it and
1524   // prefer first best match. Here we aren't comparing in order, so we capture
1525   // the position instead.
1526   if (DupCandidates.size() != 0) {
1527     auto cmp =
1528         [](const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &a,
1529            const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &b) {
1530           return std::get<0>(a) > std::get<0>(b);
1531         };
1532     std::stable_sort(DupCandidates.begin(), DupCandidates.end(), cmp);
1533   }
1534   for(auto &Tup : DupCandidates) {
1535     BranchProbability DupProb;
1536     MachineBasicBlock *Succ;
1537     std::tie(DupProb, Succ) = Tup;
1538     if (DupProb < BestProb)
1539       break;
1540     if (canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ, Chain, BlockFilter)
1541         && (isProfitableToTailDup(BB, Succ, BestProb, Chain, BlockFilter))) {
1542       DEBUG(
1543           dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ) << ", probability: "
1544                  << DupProb
1545                  << " (Tail Duplicate)\n");
1546       BestSucc.BB = Succ;
1547       BestSucc.ShouldTailDup = true;
1548       break;
1549     }
1550   }
1551
1552   if (BestSucc.BB)
1553     DEBUG(dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(BestSucc.BB) << "\n");
1554
1555   return BestSucc;
1556 }
1557
1558 /// \brief Select the best block from a worklist.
1559 ///
1560 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
1561 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
1562 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
1563 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
1564 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
1565 /// loop body in order to improve i-cache behavior.
1566 ///
1567 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
1568 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
1569     const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList) {
1570   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
1571   // worklist of already placed entries.
1572   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
1573   // some code complexity) into the loop below.
1574   WorkList.erase(llvm::remove_if(WorkList,
1575                                  [&](MachineBasicBlock *BB) {
1576                                    return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
1577                                  }),
1578                  WorkList.end());
1579
1580   if (WorkList.empty())
1581     return nullptr;
1582
1583   bool IsEHPad = WorkList[0]->isEHPad();
1584
1585   MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
1586   BlockFrequency BestFreq;
1587   for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
1588     assert(MBB->isEHPad() == IsEHPad &&
1589            "EHPad mismatch between block and work list.");
1590
1591     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
1592     if (&SuccChain == &Chain)
1593       continue;
1594
1595     assert(SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
1596            "Found CFG-violating block");
1597
1598     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
1599     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
1600           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
1601
1602     // For ehpad, we layout the least probable first as to avoid jumping back
1603     // from least probable landingpads to more probable ones.
1604     //
1605     // FIXME: Using probability is probably (!) not the best way to achieve
1606     // this. We should probably have a more principled approach to layout
1607     // cleanup code.
1608     //
1609     // The goal is to get:
1610     //
1611     //                 +--------------------------+
1612     //                 |                          V
1613     // InnerLp -> InnerCleanup    OuterLp -> OuterCleanup -> Resume
1614     //
1615     // Rather than:
1616     //
1617     //                 +-------------------------------------+
1618     //                 V                                     |
1619     // OuterLp -> OuterCleanup -> Resume     InnerLp -> InnerCleanup
1620     if (BestBlock && (IsEHPad ^ (BestFreq >= CandidateFreq)))
1621       continue;
1622
1623     BestBlock = MBB;
1624     BestFreq = CandidateFreq;
1625   }
1626
1627   return BestBlock;
1628 }
1629
1630 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
1631 ///
1632 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
1633 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
1634 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
1635 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
1636 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
1637 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
1638     const BlockChain &PlacedChain,
1639     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
1640     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1641   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F->end(); I != E;
1642        ++I) {
1643     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(&*I))
1644       continue;
1645     if (BlockToChain[&*I] != &PlacedChain) {
1646       PrevUnplacedBlockIt = I;
1647       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
1648       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
1649       // and satisfies the requirements of merging chains.
1650       return *BlockToChain[&*I]->begin();
1651     }
1652   }
1653   return nullptr;
1654 }
1655
1656 void MachineBlockPlacement::fillWorkLists(
1657     const MachineBasicBlock *MBB,
1658     SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
1659     const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr) {
1660   BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1661   if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
1662     return;
1663
1664   assert(
1665       Chain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
1666       "Attempting to place block with unscheduled predecessors in worklist.");
1667   for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
1668     assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain &&
1669            "Block in chain doesn't match BlockToChain map.");
1670     for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
1671       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1672         continue;
1673       if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
1674         continue;
1675       ++Chain.UnscheduledPredecessors;
1676     }
1677   }
1678
1679   if (Chain.UnscheduledPredecessors != 0)
1680     return;
1681
1682   MachineBasicBlock *BB = *Chain.begin();
1683   if (BB->isEHPad())
1684     EHPadWorkList.push_back(BB);
1685   else
1686     BlockWorkList.push_back(BB);
1687 }
1688
1689 void MachineBlockPlacement::buildChain(
1690     const MachineBasicBlock *HeadBB, BlockChain &Chain,
1691     BlockFilterSet *BlockFilter) {
1692   assert(HeadBB && "BB must not be null.\n");
1693   assert(BlockToChain[HeadBB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match.\n");
1694   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F->begin();
1695
1696   const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = HeadBB;
1697   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1698   MachineBasicBlock *BB = *std::prev(Chain.end());
1699   while (true) {
1700     assert(BB && "null block found at end of chain in loop.");
1701     assert(BlockToChain[BB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match in loop.");
1702     assert(*std::prev(Chain.end()) == BB && "BB Not found at end of chain.");
1703
1704
1705     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
1706     // after this block.
1707     auto Result = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
1708     MachineBasicBlock* BestSucc = Result.BB;
1709     bool ShouldTailDup = Result.ShouldTailDup;
1710     if (allowTailDupPlacement())
1711       ShouldTailDup |= (BestSucc && shouldTailDuplicate(BestSucc));
1712
1713     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
1714     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
1715     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
1716     if (!BestSucc)
1717       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList);
1718     if (!BestSucc)
1719       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, EHPadWorkList);
1720
1721     if (!BestSucc) {
1722       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
1723       if (!BestSucc)
1724         break;
1725
1726       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
1727                       "layout successor until the CFG reduces\n");
1728     }
1729
1730     // Placement may have changed tail duplication opportunities.
1731     // Check for that now.
1732     if (allowTailDupPlacement() && BestSucc && ShouldTailDup) {
1733       // If the chosen successor was duplicated into all its predecessors,
1734       // don't bother laying it out, just go round the loop again with BB as
1735       // the chain end.
1736       if (repeatedlyTailDuplicateBlock(BestSucc, BB, LoopHeaderBB, Chain,
1737                                        BlockFilter, PrevUnplacedBlockIt))
1738         continue;
1739     }
1740
1741     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
1742     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
1743     // Zero out UnscheduledPredecessors for the successor we're about to merge in case
1744     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
1745     SuccChain.UnscheduledPredecessors = 0;
1746     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockName(BB) << " to "
1747                  << getBlockName(BestSucc) << "\n");
1748     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1749     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
1750     BB = *std::prev(Chain.end());
1751   }
1752
1753   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
1754                << getBlockName(*Chain.begin()) << "\n");
1755 }
1756
1757 /// \brief Find the best loop top block for layout.
1758 ///
1759 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
1760 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
1761 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
1762 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
1763 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
1764 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
1765 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
1766 /// header is always profitable.
1767 MachineBasicBlock *
1768 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(const MachineLoop &L,
1769                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1770   // Placing the latch block before the header may introduce an extra branch
1771   // that skips this block the first time the loop is executed, which we want
1772   // to avoid when optimising for size.
1773   // FIXME: in theory there is a case that does not introduce a new branch,
1774   // i.e. when the layout predecessor does not fallthrough to the loop header.
1775   // In practice this never happens though: there always seems to be a preheader
1776   // that can fallthrough and that is also placed before the header.
1777   if (F->getFunction().optForSize())
1778     return L.getHeader();
1779
1780   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
1781   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
1782   // prevent pulling the preheader into the loop body.
1783   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1784   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1785     return L.getHeader();
1786
1787   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: " << getBlockName(L.getHeader())
1788                << "\n");
1789
1790   BlockFrequency BestPredFreq;
1791   MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
1792   for (MachineBasicBlock *Pred : L.getHeader()->predecessors()) {
1793     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
1794       continue;
1795     DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", has "
1796                  << Pred->succ_size() << " successors, ";
1797           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
1798     if (Pred->succ_size() > 1)
1799       continue;
1800
1801     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
1802     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
1803         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
1804          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
1805       BestPred = Pred;
1806       BestPredFreq = PredFreq;
1807     }
1808   }
1809
1810   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
1811   if (!BestPred) {
1812     DEBUG(dbgs() << "    final top unchanged\n");
1813     return L.getHeader();
1814   }
1815
1816   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
1817   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
1818          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
1819          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
1820     BestPred = *BestPred->pred_begin();
1821
1822   DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
1823   return BestPred;
1824 }
1825
1826 /// \brief Find the best loop exiting block for layout.
1827 ///
1828 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
1829 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
1830 /// fallthrough opportunities.
1831 MachineBasicBlock *
1832 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(const MachineLoop &L,
1833                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1834   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
1835   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
1836   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
1837   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
1838   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
1839   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
1840   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
1841   // header and only rotate if safe.
1842   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1843   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1844     return nullptr;
1845
1846   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
1847   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
1848   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
1849   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
1850   // fallthrough opportunities unless it selects such an exit. Keep a set of
1851   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
1852   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
1853
1854   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: " << getBlockName(L.getHeader())
1855                << "\n");
1856   for (MachineBasicBlock *MBB : L.getBlocks()) {
1857     BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1858     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
1859     // mid-way through an inner loop or a successor of an unanalyzable branch.
1860     if (MBB != *std::prev(Chain.end()))
1861       continue;
1862
1863     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
1864     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
1865     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
1866     // successor isn't found.
1867     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
1868     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
1869     bool HasLoopingSucc = false;
1870     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
1871       if (Succ->isEHPad())
1872         continue;
1873       if (Succ == MBB)
1874         continue;
1875       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1876       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
1877       if (&Chain == &SuccChain) {
1878         DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1879                      << getBlockName(Succ) << " (chain conflict)\n");
1880         continue;
1881       }
1882
1883       auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(MBB, Succ);
1884       if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
1885         DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1886                      << getBlockName(Succ) << " (" << SuccProb << ")\n");
1887         HasLoopingSucc = true;
1888         continue;
1889       }
1890
1891       unsigned SuccLoopDepth = 0;
1892       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
1893         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
1894         if (ExitLoop->contains(&L))
1895           BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
1896       }
1897
1898       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB) * SuccProb;
1899       DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1900                    << getBlockName(Succ) << " [L:" << SuccLoopDepth << "] (";
1901             MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
1902       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
1903       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
1904       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
1905       // the layout.
1906       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
1907       if (!ExitingBB || SuccLoopDepth > BestExitLoopDepth ||
1908           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
1909           (MBB->isLayoutSuccessor(Succ) &&
1910            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
1911         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
1912         ExitingBB = MBB;
1913       }
1914     }
1915
1916     if (!HasLoopingSucc) {
1917       // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
1918       ExitingBB = OldExitingBB;
1919       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
1920     }
1921   }
1922   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
1923   // loop, just use the loop header to layout the loop.
1924   if (!ExitingBB) {
1925     DEBUG(dbgs() << "    No other candidate exit blocks, using loop header\n");
1926     return nullptr;
1927   }
1928   if (L.getNumBlocks() == 1) {
1929     DEBUG(dbgs() << "    Loop has 1 block, using loop header as exit\n");
1930     return nullptr;
1931   }
1932
1933   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
1934   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
1935   // rotation altogether.
1936   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
1937       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
1938     return nullptr;
1939
1940   DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
1941   return ExitingBB;
1942 }
1943
1944 /// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
1945 ///
1946 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
1947 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
1948 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
1949 /// of its bottom already, don't rotate it.
1950 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
1951                                        const MachineBasicBlock *ExitingBB,
1952                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1953   if (!ExitingBB)
1954     return;
1955
1956   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
1957   MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
1958
1959   // If ExitingBB is already the last one in a chain then nothing to do.
1960   if (Bottom == ExitingBB)
1961     return;
1962
1963   bool ViableTopFallthrough = false;
1964   for (MachineBasicBlock *Pred : Top->predecessors()) {
1965     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
1966     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
1967         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
1968       ViableTopFallthrough = true;
1969       break;
1970     }
1971   }
1972
1973   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
1974   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
1975   // introduce an unnecessary branch.
1976   if (ViableTopFallthrough) {
1977     for (MachineBasicBlock *Succ : Bottom->successors()) {
1978       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1979       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
1980           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin()))
1981         return;
1982     }
1983   }
1984
1985   BlockChain::iterator ExitIt = llvm::find(LoopChain, ExitingBB);
1986   if (ExitIt == LoopChain.end())
1987     return;
1988
1989   // Rotating a loop exit to the bottom when there is a fallthrough to top
1990   // trades the entry fallthrough for an exit fallthrough.
1991   // If there is no bottom->top edge, but the chosen exit block does have
1992   // a fallthrough, we break that fallthrough for nothing in return.
1993
1994   // Let's consider an example. We have a built chain of basic blocks
1995   // B1, B2, ..., Bn, where Bk is a ExitingBB - chosen exit block.
1996   // By doing a rotation we get
1997   // Bk+1, ..., Bn, B1, ..., Bk
1998   // Break of fallthrough to B1 is compensated by a fallthrough from Bk.
1999   // If we had a fallthrough Bk -> Bk+1 it is broken now.
2000   // It might be compensated by fallthrough Bn -> B1.
2001   // So we have a condition to avoid creation of extra branch by loop rotation.
2002   // All below must be true to avoid loop rotation:
2003   //   If there is a fallthrough to top (B1)
2004   //   There was fallthrough from chosen exit block (Bk) to next one (Bk+1)
2005   //   There is no fallthrough from bottom (Bn) to top (B1).
2006   // Please note that there is no exit fallthrough from Bn because we checked it
2007   // above.
2008   if (ViableTopFallthrough) {
2009     assert(std::next(ExitIt) != LoopChain.end() &&
2010            "Exit should not be last BB");
2011     MachineBasicBlock *NextBlockInChain = *std::next(ExitIt);
2012     if (ExitingBB->isSuccessor(NextBlockInChain))
2013       if (!Bottom->isSuccessor(Top))
2014         return;
2015   }
2016
2017   DEBUG(dbgs() << "Rotating loop to put exit " << getBlockName(ExitingBB)
2018                << " at bottom\n");
2019   std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
2020 }
2021
2022 /// \brief Attempt to rotate a loop based on profile data to reduce branch cost.
2023 ///
2024 /// With profile data, we can determine the cost in terms of missed fall through
2025 /// opportunities when rotating a loop chain and select the best rotation.
2026 /// Basically, there are three kinds of cost to consider for each rotation:
2027 ///    1. The possibly missed fall through edge (if it exists) from BB out of
2028 ///    the loop to the loop header.
2029 ///    2. The possibly missed fall through edges (if they exist) from the loop
2030 ///    exits to BB out of the loop.
2031 ///    3. The missed fall through edge (if it exists) from the last BB to the
2032 ///    first BB in the loop chain.
2033 ///  Therefore, the cost for a given rotation is the sum of costs listed above.
2034 ///  We select the best rotation with the smallest cost.
2035 void MachineBlockPlacement::rotateLoopWithProfile(
2036     BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
2037     const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
2038   auto HeaderBB = L.getHeader();
2039   auto HeaderIter = llvm::find(LoopChain, HeaderBB);
2040   auto RotationPos = LoopChain.end();
2041
2042   BlockFrequency SmallestRotationCost = BlockFrequency::getMaxFrequency();
2043
2044   // A utility lambda that scales up a block frequency by dividing it by a
2045   // branch probability which is the reciprocal of the scale.
2046   auto ScaleBlockFrequency = [](BlockFrequency Freq,
2047                                 unsigned Scale) -> BlockFrequency {
2048     if (Scale == 0)
2049       return 0;
2050     // Use operator / between BlockFrequency and BranchProbability to implement
2051     // saturating multiplication.
2052     return Freq / BranchProbability(1, Scale);
2053   };
2054
2055   // Compute the cost of the missed fall-through edge to the loop header if the
2056   // chain head is not the loop header. As we only consider natural loops with
2057   // single header, this computation can be done only once.
2058   BlockFrequency HeaderFallThroughCost(0);
2059   for (auto *Pred : HeaderBB->predecessors()) {
2060     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
2061     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
2062         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
2063       auto EdgeFreq =
2064           MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, HeaderBB);
2065       auto FallThruCost = ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, MisfetchCost);
2066       // If the predecessor has only an unconditional jump to the header, we
2067       // need to consider the cost of this jump.
2068       if (Pred->succ_size() == 1)
2069         FallThruCost += ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, JumpInstCost);
2070       HeaderFallThroughCost = std::max(HeaderFallThroughCost, FallThruCost);
2071     }
2072   }
2073
2074   // Here we collect all exit blocks in the loop, and for each exit we find out
2075   // its hottest exit edge. For each loop rotation, we define the loop exit cost
2076   // as the sum of frequencies of exit edges we collect here, excluding the exit
2077   // edge from the tail of the loop chain.
2078   SmallVector<std::pair<MachineBasicBlock *, BlockFrequency>, 4> ExitsWithFreq;
2079   for (auto BB : LoopChain) {
2080     auto LargestExitEdgeProb = BranchProbability::getZero();
2081     for (auto *Succ : BB->successors()) {
2082       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
2083       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
2084           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin())) {
2085         auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
2086         LargestExitEdgeProb = std::max(LargestExitEdgeProb, SuccProb);
2087       }
2088     }
2089     if (LargestExitEdgeProb > BranchProbability::getZero()) {
2090       auto ExitFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * LargestExitEdgeProb;
2091       ExitsWithFreq.emplace_back(BB, ExitFreq);
2092     }
2093   }
2094
2095   // In this loop we iterate every block in the loop chain and calculate the
2096   // cost assuming the block is the head of the loop chain. When the loop ends,
2097   // we should have found the best candidate as the loop chain's head.
2098   for (auto Iter = LoopChain.begin(), TailIter = std::prev(LoopChain.end()),
2099             EndIter = LoopChain.end();
2100        Iter != EndIter; Iter++, TailIter++) {
2101     // TailIter is used to track the tail of the loop chain if the block we are
2102     // checking (pointed by Iter) is the head of the chain.
2103     if (TailIter == LoopChain.end())
2104       TailIter = LoopChain.begin();
2105
2106     auto TailBB = *TailIter;
2107
2108     // Calculate the cost by putting this BB to the top.
2109     BlockFrequency Cost = 0;
2110
2111     // If the current BB is the loop header, we need to take into account the
2112     // cost of the missed fall through edge from outside of the loop to the
2113     // header.
2114     if (Iter != HeaderIter)
2115       Cost += HeaderFallThroughCost;
2116
2117     // Collect the loop exit cost by summing up frequencies of all exit edges
2118     // except the one from the chain tail.
2119     for (auto &ExitWithFreq : ExitsWithFreq)
2120       if (TailBB != ExitWithFreq.first)
2121         Cost += ExitWithFreq.second;
2122
2123     // The cost of breaking the once fall-through edge from the tail to the top
2124     // of the loop chain. Here we need to consider three cases:
2125     // 1. If the tail node has only one successor, then we will get an
2126     //    additional jmp instruction. So the cost here is (MisfetchCost +
2127     //    JumpInstCost) * tail node frequency.
2128     // 2. If the tail node has two successors, then we may still get an
2129     //    additional jmp instruction if the layout successor after the loop
2130     //    chain is not its CFG successor. Note that the more frequently executed
2131     //    jmp instruction will be put ahead of the other one. Assume the
2132     //    frequency of those two branches are x and y, where x is the frequency
2133     //    of the edge to the chain head, then the cost will be
2134     //    (x * MisfetechCost + min(x, y) * JumpInstCost) * tail node frequency.
2135     // 3. If the tail node has more than two successors (this rarely happens),
2136     //    we won't consider any additional cost.
2137     if (TailBB->isSuccessor(*Iter)) {
2138       auto TailBBFreq = MBFI->getBlockFreq(TailBB);
2139       if (TailBB->succ_size() == 1)
2140         Cost += ScaleBlockFrequency(TailBBFreq.getFrequency(),
2141                                     MisfetchCost + JumpInstCost);
2142       else if (TailBB->succ_size() == 2) {
2143         auto TailToHeadProb = MBPI->getEdgeProbability(TailBB, *Iter);
2144         auto TailToHeadFreq = TailBBFreq * TailToHeadProb;
2145         auto ColderEdgeFreq = TailToHeadProb > BranchProbability(1, 2)
2146                                   ? TailBBFreq * TailToHeadProb.getCompl()
2147                                   : TailToHeadFreq;
2148         Cost += ScaleBlockFrequency(TailToHeadFreq, MisfetchCost) +
2149                 ScaleBlockFrequency(ColderEdgeFreq, JumpInstCost);
2150       }
2151     }
2152
2153     DEBUG(dbgs() << "The cost of loop rotation by making " << getBlockName(*Iter)
2154                  << " to the top: " << Cost.getFrequency() << "\n");
2155
2156     if (Cost < SmallestRotationCost) {
2157       SmallestRotationCost = Cost;
2158       RotationPos = Iter;
2159     }
2160   }
2161
2162   if (RotationPos != LoopChain.end()) {
2163     DEBUG(dbgs() << "Rotate loop by making " << getBlockName(*RotationPos)
2164                  << " to the top\n");
2165     std::rotate(LoopChain.begin(), RotationPos, LoopChain.end());
2166   }
2167 }
2168
2169 /// \brief Collect blocks in the given loop that are to be placed.
2170 ///
2171 /// When profile data is available, exclude cold blocks from the returned set;
2172 /// otherwise, collect all blocks in the loop.
2173 MachineBlockPlacement::BlockFilterSet
2174 MachineBlockPlacement::collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L) {
2175   BlockFilterSet LoopBlockSet;
2176
2177   // Filter cold blocks off from LoopBlockSet when profile data is available.
2178   // Collect the sum of frequencies of incoming edges to the loop header from
2179   // outside. If we treat the loop as a super block, this is the frequency of
2180   // the loop. Then for each block in the loop, we calculate the ratio between
2181   // its frequency and the frequency of the loop block. When it is too small,
2182   // don't add it to the loop chain. If there are outer loops, then this block
2183   // will be merged into the first outer loop chain for which this block is not
2184   // cold anymore. This needs precise profile data and we only do this when
2185   // profile data is available.
2186   if (F->getFunction().hasProfileData() || ForceLoopColdBlock) {
2187     BlockFrequency LoopFreq(0);
2188     for (auto LoopPred : L.getHeader()->predecessors())
2189       if (!L.contains(LoopPred))
2190         LoopFreq += MBFI->getBlockFreq(LoopPred) *
2191                     MBPI->getEdgeProbability(LoopPred, L.getHeader());
2192
2193     for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
2194       auto Freq = MBFI->getBlockFreq(LoopBB).getFrequency();
2195       if (Freq == 0 || LoopFreq.getFrequency() / Freq > LoopToColdBlockRatio)
2196         continue;
2197       LoopBlockSet.insert(LoopBB);
2198     }
2199   } else
2200     LoopBlockSet.insert(L.block_begin(), L.block_end());
2201
2202   return LoopBlockSet;
2203 }
2204
2205 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
2206 ///
2207 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
2208 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
2209 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
2210 /// branches.
2211 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(const MachineLoop &L) {
2212   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
2213   // loops.
2214   for (const MachineLoop *InnerLoop : L)
2215     buildLoopChains(*InnerLoop);
2216
2217   assert(BlockWorkList.empty() &&
2218          "BlockWorkList not empty when starting to build loop chains.");
2219   assert(EHPadWorkList.empty() &&
2220          "EHPadWorkList not empty when starting to build loop chains.");
2221   BlockFilterSet LoopBlockSet = collectLoopBlockSet(L);
2222
2223   // Check if we have profile data for this function. If yes, we will rotate
2224   // this loop by modeling costs more precisely which requires the profile data
2225   // for better layout.
2226   bool RotateLoopWithProfile =
2227       ForcePreciseRotationCost ||
2228       (PreciseRotationCost && F->getFunction().hasProfileData());
2229
2230   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
2231   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
2232   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
2233   // fewer branches in the loop body.
2234   // When we use profile data to rotate the loop, this is unnecessary.
2235   MachineBasicBlock *LoopTop =
2236       RotateLoopWithProfile ? L.getHeader() : findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
2237
2238   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
2239   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
2240   // branches by placing an exit edge at the bottom.
2241   //
2242   // Loops are processed innermost to uttermost, make sure we clear
2243   // PreferredLoopExit before processing a new loop.
2244   PreferredLoopExit = nullptr;
2245   if (!RotateLoopWithProfile && LoopTop == L.getHeader())
2246     PreferredLoopExit = findBestLoopExit(L, LoopBlockSet);
2247
2248   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
2249
2250   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
2251   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
2252   // twice.
2253   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2254   assert(LoopChain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
2255          "LoopChain should not have unscheduled predecessors.");
2256   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
2257
2258   for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2259     fillWorkLists(LoopBB, UpdatedPreds, &LoopBlockSet);
2260
2261   buildChain(LoopTop, LoopChain, &LoopBlockSet);
2262
2263   if (RotateLoopWithProfile)
2264     rotateLoopWithProfile(LoopChain, L, LoopBlockSet);
2265   else
2266     rotateLoop(LoopChain, PreferredLoopExit, LoopBlockSet);
2267
2268   DEBUG({
2269     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2270     bool BadLoop = false;
2271     if (LoopChain.UnscheduledPredecessors) {
2272       BadLoop = true;
2273       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
2274              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2275              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
2276     }
2277     for (MachineBasicBlock *ChainBB : LoopChain) {
2278       dbgs() << "          ... " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2279       if (!LoopBlockSet.remove(ChainBB)) {
2280         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
2281         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
2282         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
2283         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
2284                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2285                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2286                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2287       }
2288     }
2289
2290     if (!LoopBlockSet.empty()) {
2291       BadLoop = true;
2292       for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2293         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
2294                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2295                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2296                << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
2297     }
2298     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
2299   });
2300
2301   BlockWorkList.clear();
2302   EHPadWorkList.clear();
2303 }
2304
2305 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains() {
2306   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
2307   // the assumptions of the remaining algorithm.
2308   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2309   for (MachineFunction::iterator FI = F->begin(), FE = F->end(); FI != FE;
2310        ++FI) {
2311     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
2312     BlockChain *Chain =
2313         new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
2314     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
2315     // the exact fallthrough behavior for.
2316     while (true) {
2317       Cond.clear();
2318       MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2319       if (!TII->analyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
2320         break;
2321
2322       MachineFunction::iterator NextFI = std::next(FI);
2323       MachineBasicBlock *NextBB = &*NextFI;
2324       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
2325       // fallthrough is a possibility.
2326       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
2327       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
2328                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
2329                    << "\n");
2330       Chain->merge(NextBB, nullptr);
2331 #ifndef NDEBUG
2332       BlocksWithUnanalyzableExits.insert(&*BB);
2333 #endif
2334       FI = NextFI;
2335       BB = NextBB;
2336     }
2337   }
2338
2339   // Build any loop-based chains.
2340   PreferredLoopExit = nullptr;
2341   for (MachineLoop *L : *MLI)
2342     buildLoopChains(*L);
2343
2344   assert(BlockWorkList.empty() &&
2345          "BlockWorkList should be empty before building final chain.");
2346   assert(EHPadWorkList.empty() &&
2347          "EHPadWorkList should be empty before building final chain.");
2348
2349   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2350   for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2351     fillWorkLists(&MBB, UpdatedPreds);
2352
2353   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2354   buildChain(&F->front(), FunctionChain);
2355
2356 #ifndef NDEBUG
2357   using FunctionBlockSetType = SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16>;
2358 #endif
2359   DEBUG({
2360     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2361     bool BadFunc = false;
2362     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
2363     for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2364       FunctionBlockSet.insert(&MBB);
2365
2366     for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
2367       if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
2368         BadFunc = true;
2369         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
2370                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2371       }
2372
2373     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
2374       BadFunc = true;
2375       for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
2376         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
2377                << "  Bad block:    " << getBlockName(RemainingBB) << "\n";
2378     }
2379     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
2380   });
2381
2382   // Splice the blocks into place.
2383   MachineFunction::iterator InsertPos = F->begin();
2384   DEBUG(dbgs() << "[MBP] Function: "<< F->getName() << "\n");
2385   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2386     DEBUG(dbgs() << (ChainBB == *FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
2387                                                        : "          ... ")
2388                  << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2389     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(ChainBB))
2390       F->splice(InsertPos, ChainBB);
2391     else
2392       ++InsertPos;
2393
2394     // Update the terminator of the previous block.
2395     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2396       continue;
2397     MachineBasicBlock *PrevBB = &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2398
2399     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
2400     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
2401     // boiler plate.
2402     Cond.clear();
2403     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2404
2405 #ifndef NDEBUG
2406     if (!BlocksWithUnanalyzableExits.count(PrevBB)) {
2407       // Given the exact block placement we chose, we may actually not _need_ to
2408       // be able to edit PrevBB's terminator sequence, but not being _able_ to
2409       // do that at this point is a bug.
2410       assert((!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond) ||
2411               !PrevBB->canFallThrough()) &&
2412              "Unexpected block with un-analyzable fallthrough!");
2413       Cond.clear();
2414       TBB = FBB = nullptr;
2415     }
2416 #endif
2417
2418     // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
2419     //   o. it may fall-through to a block without explicit "goto" instruction
2420     //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or
2421     //   o. just opposite.
2422     //
2423     // analyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
2424     // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set NULL;
2425     // for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL, is
2426     // mistakenly pointing to "*BI".
2427     // Thus, if the future change needs to use FBB before the layout is set, it
2428     // has to correct FBB first by using the code similar to the following:
2429     //
2430     // if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == ChainBB)) {
2431     //   PrevBB->updateTerminator();
2432     //   Cond.clear();
2433     //   TBB = FBB = nullptr;
2434     //   if (TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
2435     //     // FIXME: This should never take place.
2436     //     TBB = FBB = nullptr;
2437     //   }
2438     // }
2439     if (!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond))
2440       PrevBB->updateTerminator();
2441   }
2442
2443   // Fixup the last block.
2444   Cond.clear();
2445   MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2446   if (!TII->analyzeBranch(F->back(), TBB, FBB, Cond))
2447     F->back().updateTerminator();
2448
2449   BlockWorkList.clear();
2450   EHPadWorkList.clear();
2451 }
2452
2453 void MachineBlockPlacement::optimizeBranches() {
2454   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2455   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2456
2457   // Now that all the basic blocks in the chain have the proper layout,
2458   // make a final call to AnalyzeBranch with AllowModify set.
2459   // Indeed, the target may be able to optimize the branches in a way we
2460   // cannot because all branches may not be analyzable.
2461   // E.g., the target may be able to remove an unconditional branch to
2462   // a fallthrough when it occurs after predicated terminators.
2463   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2464     Cond.clear();
2465     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2466     if (!TII->analyzeBranch(*ChainBB, TBB, FBB, Cond, /*AllowModify*/ true)) {
2467       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
2468       // such that we branch to the successor with higher probability first.
2469       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
2470           MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) >
2471               MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) &&
2472           !TII->reverseBranchCondition(Cond)) {
2473         DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
2474                      << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2475         DEBUG(dbgs() << "    Edge probability: "
2476                      << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) << " vs "
2477                      << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) << "\n");
2478         DebugLoc dl; // FIXME: this is nowhere
2479         TII->removeBranch(*ChainBB);
2480         TII->insertBranch(*ChainBB, FBB, TBB, Cond, dl);
2481         ChainBB->updateTerminator();
2482       }
2483     }
2484   }
2485 }
2486
2487 void MachineBlockPlacement::alignBlocks() {
2488   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
2489   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
2490   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
2491   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
2492   // loop rotations done during this layout pass.
2493   if (F->getFunction().optForSize())
2494     return;
2495   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2496   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
2497     return; // Empty chain.
2498
2499   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
2500   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(&F->front());
2501   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
2502   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2503     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2504       continue;
2505
2506     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
2507     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
2508     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
2509     // rotated loops.
2510     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(ChainBB);
2511     if (!L)
2512       continue;
2513
2514     unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
2515     if (!Align)
2516       continue; // Don't care about loop alignment.
2517
2518     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
2519     // aligning it.
2520     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(ChainBB);
2521     if (Freq < WeightedEntryFreq)
2522       continue;
2523
2524     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
2525     // regardless of what edges into the block exist.
2526     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2527     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
2528     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
2529       continue;
2530
2531     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
2532     // from aligning this block.
2533     MachineBasicBlock *LayoutPred =
2534         &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2535
2536     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
2537     // that the block isn't cold above.
2538     if (!LayoutPred->isSuccessor(ChainBB)) {
2539       ChainBB->setAlignment(Align);
2540       continue;
2541     }
2542
2543     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
2544     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
2545     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
2546     // important.
2547     BranchProbability LayoutProb =
2548         MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, ChainBB);
2549     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
2550     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
2551       ChainBB->setAlignment(Align);
2552   }
2553 }
2554
2555 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable, repeating if
2556 /// it was duplicated into its chain predecessor and removed.
2557 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated.
2558 ///
2559 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB.
2560 ///            Updated to be the chain end if LPred is removed.
2561 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2562 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2563 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2564 ///                  counts.
2565 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2566 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2567 ///                          only needed if \p BB is removed and
2568 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2569 /// @return true if \p BB was removed.
2570 bool MachineBlockPlacement::repeatedlyTailDuplicateBlock(
2571     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
2572     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
2573     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2574     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt) {
2575   bool Removed, DuplicatedToLPred;
2576   bool DuplicatedToOriginalLPred;
2577   Removed = maybeTailDuplicateBlock(BB, LPred, Chain, BlockFilter,
2578                                     PrevUnplacedBlockIt,
2579                                     DuplicatedToLPred);
2580   if (!Removed)
2581     return false;
2582   DuplicatedToOriginalLPred = DuplicatedToLPred;
2583   // Iteratively try to duplicate again. It can happen that a block that is
2584   // duplicated into is still small enough to be duplicated again.
2585   // No need to call markBlockSuccessors in this case, as the blocks being
2586   // duplicated from here on are already scheduled.
2587   // Note that DuplicatedToLPred always implies Removed.
2588   while (DuplicatedToLPred) {
2589     assert(Removed && "Block must have been removed to be duplicated into its "
2590            "layout predecessor.");
2591     MachineBasicBlock *DupBB, *DupPred;
2592     // The removal callback causes Chain.end() to be updated when a block is
2593     // removed. On the first pass through the loop, the chain end should be the
2594     // same as it was on function entry. On subsequent passes, because we are
2595     // duplicating the block at the end of the chain, if it is removed the
2596     // chain will have shrunk by one block.
2597     BlockChain::iterator ChainEnd = Chain.end();
2598     DupBB = *(--ChainEnd);
2599     // Now try to duplicate again.
2600     if (ChainEnd == Chain.begin())
2601       break;
2602     DupPred = *std::prev(ChainEnd);
2603     Removed = maybeTailDuplicateBlock(DupBB, DupPred, Chain, BlockFilter,
2604                                       PrevUnplacedBlockIt,
2605                                       DuplicatedToLPred);
2606   }
2607   // If BB was duplicated into LPred, it is now scheduled. But because it was
2608   // removed, markChainSuccessors won't be called for its chain. Instead we
2609   // call markBlockSuccessors for LPred to achieve the same effect. This must go
2610   // at the end because repeating the tail duplication can increase the number
2611   // of unscheduled predecessors.
2612   LPred = *std::prev(Chain.end());
2613   if (DuplicatedToOriginalLPred)
2614     markBlockSuccessors(Chain, LPred, LoopHeaderBB, BlockFilter);
2615   return true;
2616 }
2617
2618 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable.
2619 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated
2620 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB
2621 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2622 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2623 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2624 ///                  counts.
2625 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2626 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2627 ///                          only needed if \p BB is removed and
2628 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2629 /// \p DuplicatedToLPred - True if the block was duplicated into LPred. Will
2630 ///                        only be true if the block was removed.
2631 /// \return  - True if the block was duplicated into all preds and removed.
2632 bool MachineBlockPlacement::maybeTailDuplicateBlock(
2633     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
2634     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2635     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
2636     bool &DuplicatedToLPred) {
2637   DuplicatedToLPred = false;
2638   if (!shouldTailDuplicate(BB))
2639     return false;
2640
2641   DEBUG(dbgs() << "Redoing tail duplication for Succ#"
2642         << BB->getNumber() << "\n");
2643
2644   // This has to be a callback because none of it can be done after
2645   // BB is deleted.
2646   bool Removed = false;
2647   auto RemovalCallback =
2648       [&](MachineBasicBlock *RemBB) {
2649         // Signal to outer function
2650         Removed = true;
2651
2652         // Conservative default.
2653         bool InWorkList = true;
2654         // Remove from the Chain and Chain Map
2655         if (BlockToChain.count(RemBB)) {
2656           BlockChain *Chain = BlockToChain[RemBB];
2657           InWorkList = Chain->UnscheduledPredecessors == 0;
2658           Chain->remove(RemBB);
2659           BlockToChain.erase(RemBB);
2660         }
2661
2662         // Handle the unplaced block iterator
2663         if (&(*PrevUnplacedBlockIt) == RemBB) {
2664           PrevUnplacedBlockIt++;
2665         }
2666
2667         // Handle the Work Lists
2668         if (InWorkList) {
2669           SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &RemoveList = BlockWorkList;
2670           if (RemBB->isEHPad())
2671             RemoveList = EHPadWorkList;
2672           RemoveList.erase(
2673               llvm::remove_if(RemoveList,
2674                               [RemBB](MachineBasicBlock *BB) {
2675                                 return BB == RemBB;
2676                               }),
2677               RemoveList.end());
2678         }
2679
2680         // Handle the filter set
2681         if (BlockFilter) {
2682           BlockFilter->remove(RemBB);
2683         }
2684
2685         // Remove the block from loop info.
2686         MLI->removeBlock(RemBB);
2687         if (RemBB == PreferredLoopExit)
2688           PreferredLoopExit = nullptr;
2689
2690         DEBUG(dbgs() << "TailDuplicator deleted block: "
2691               << getBlockName(RemBB) << "\n");
2692       };
2693   auto RemovalCallbackRef =
2694       function_ref<void(MachineBasicBlock*)>(RemovalCallback);
2695
2696   SmallVector<MachineBasicBlock *, 8> DuplicatedPreds;
2697   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
2698   TailDup.tailDuplicateAndUpdate(IsSimple, BB, LPred,
2699                                  &DuplicatedPreds, &RemovalCallbackRef);
2700
2701   // Update UnscheduledPredecessors to reflect tail-duplication.
2702   DuplicatedToLPred = false;
2703   for (MachineBasicBlock *Pred : DuplicatedPreds) {
2704     // We're only looking for unscheduled predecessors that match the filter.
2705     BlockChain* PredChain = BlockToChain[Pred];
2706     if (Pred == LPred)
2707       DuplicatedToLPred = true;
2708     if (Pred == LPred || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
2709         || PredChain == &Chain)
2710       continue;
2711     for (MachineBasicBlock *NewSucc : Pred->successors()) {
2712       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(NewSucc))
2713         continue;
2714       BlockChain *NewChain = BlockToChain[NewSucc];
2715       if (NewChain != &Chain && NewChain != PredChain)
2716         NewChain->UnscheduledPredecessors++;
2717     }
2718   }
2719   return Removed;
2720 }
2721
2722 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
2723   if (skipFunction(MF.getFunction()))
2724     return false;
2725
2726   // Check for single-block functions and skip them.
2727   if (std::next(MF.begin()) == MF.end())
2728     return false;
2729
2730   F = &MF;
2731   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2732   MBFI = llvm::make_unique<BranchFolder::MBFIWrapper>(
2733       getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>());
2734   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
2735   TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
2736   TLI = MF.getSubtarget().getTargetLowering();
2737   MPDT = nullptr;
2738
2739   // Initialize PreferredLoopExit to nullptr here since it may never be set if
2740   // there are no MachineLoops.
2741   PreferredLoopExit = nullptr;
2742
2743   assert(BlockToChain.empty() &&
2744          "BlockToChain map should be empty before starting placement.");
2745   assert(ComputedEdges.empty() &&
2746          "Computed Edge map should be empty before starting placement.");
2747
2748   unsigned TailDupSize = TailDupPlacementThreshold;
2749   // If only the aggressive threshold is explicitly set, use it.
2750   if (TailDupPlacementAggressiveThreshold.getNumOccurrences() != 0 &&
2751       TailDupPlacementThreshold.getNumOccurrences() == 0)
2752     TailDupSize = TailDupPlacementAggressiveThreshold;
2753
2754   TargetPassConfig *PassConfig = &getAnalysis<TargetPassConfig>();
2755   // For agressive optimization, we can adjust some thresholds to be less
2756   // conservative.
2757   if (PassConfig->getOptLevel() >= CodeGenOpt::Aggressive) {
2758     // At O3 we should be more willing to copy blocks for tail duplication. This
2759     // increases size pressure, so we only do it at O3
2760     // Do this unless only the regular threshold is explicitly set.
2761     if (TailDupPlacementThreshold.getNumOccurrences() == 0 ||
2762         TailDupPlacementAggressiveThreshold.getNumOccurrences() != 0)
2763       TailDupSize = TailDupPlacementAggressiveThreshold;
2764   }
2765
2766   if (allowTailDupPlacement()) {
2767     MPDT = &getAnalysis<MachinePostDominatorTree>();
2768     if (MF.getFunction().optForSize())
2769       TailDupSize = 1;
2770     bool PreRegAlloc = false;
2771     TailDup.initMF(MF, PreRegAlloc, MBPI, /* LayoutMode */ true, TailDupSize);
2772     precomputeTriangleChains();
2773   }
2774
2775   buildCFGChains();
2776
2777   // Changing the layout can create new tail merging opportunities.
2778   // TailMerge can create jump into if branches that make CFG irreducible for
2779   // HW that requires structured CFG.
2780   bool EnableTailMerge = !MF.getTarget().requiresStructuredCFG() &&
2781                          PassConfig->getEnableTailMerge() &&
2782                          BranchFoldPlacement;
2783   // No tail merging opportunities if the block number is less than four.
2784   if (MF.size() > 3 && EnableTailMerge) {
2785     unsigned TailMergeSize = TailDupSize + 1;
2786     BranchFolder BF(/*EnableTailMerge=*/true, /*CommonHoist=*/false, *MBFI,
2787                     *MBPI, TailMergeSize);
2788
2789     if (BF.OptimizeFunction(MF, TII, MF.getSubtarget().getRegisterInfo(),
2790                             getAnalysisIfAvailable<MachineModuleInfo>(), MLI,
2791                             /*AfterBlockPlacement=*/true)) {
2792       // Redo the layout if tail merging creates/removes/moves blocks.
2793       BlockToChain.clear();
2794       ComputedEdges.clear();
2795       // Must redo the post-dominator tree if blocks were changed.
2796       if (MPDT)
2797         MPDT->runOnMachineFunction(MF);
2798       ChainAllocator.DestroyAll();
2799       buildCFGChains();
2800     }
2801   }
2802
2803   optimizeBranches();
2804   alignBlocks();
2805
2806   BlockToChain.clear();
2807   ComputedEdges.clear();
2808   ChainAllocator.DestroyAll();
2809
2810   if (AlignAllBlock)
2811     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
2812     for (MachineBasicBlock &MBB : MF)
2813       MBB.setAlignment(AlignAllBlock);
2814   else if (AlignAllNonFallThruBlocks) {
2815     // Align all of the blocks that have no fall-through predecessors to a
2816     // specific alignment.
2817     for (auto MBI = std::next(MF.begin()), MBE = MF.end(); MBI != MBE; ++MBI) {
2818       auto LayoutPred = std::prev(MBI);
2819       if (!LayoutPred->isSuccessor(&*MBI))
2820         MBI->setAlignment(AlignAllNonFallThruBlocks);
2821     }
2822   }
2823   if (ViewBlockLayoutWithBFI != GVDT_None &&
2824       (ViewBlockFreqFuncName.empty() ||
2825        F->getFunction().getName().equals(ViewBlockFreqFuncName))) {
2826     MBFI->view("MBP." + MF.getName(), false);
2827   }
2828
2829
2830   // We always return true as we have no way to track whether the final order
2831   // differs from the original order.
2832   return true;
2833 }
2834
2835 namespace {
2836
2837 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
2838 ///
2839 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
2840 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
2841 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
2842 /// alternative placement strategies.
2843 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
2844   /// \brief A handle to the branch probability pass.
2845   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
2846
2847   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
2848   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
2849
2850 public:
2851   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2852
2853   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
2854     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2855   }
2856
2857   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
2858
2859   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2860     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
2861     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
2862     AU.setPreservesAll();
2863     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
2864   }
2865 };
2866
2867 } // end anonymous namespace
2868
2869 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
2870
2871 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
2872
2873 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2874                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
2875 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
2876 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
2877 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2878                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
2879
2880 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
2881   // Check for single-block functions and skip them.
2882   if (std::next(F.begin()) == F.end())
2883     return false;
2884
2885   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2886   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
2887
2888   for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
2889     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(&MBB);
2890     Statistic &NumBranches =
2891         (MBB.succ_size() > 1) ? NumCondBranches : NumUncondBranches;
2892     Statistic &BranchTakenFreq =
2893         (MBB.succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq : UncondBranchTakenFreq;
2894     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB.successors()) {
2895       // Skip if this successor is a fallthrough.
2896       if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
2897         continue;
2898
2899       BlockFrequency EdgeFreq =
2900           BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
2901       ++NumBranches;
2902       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
2903     }
2904   }
2905
2906   return false;
2907 }