]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/CodeGen/MachineBlockPlacement.cpp
Merge clang 7.0.1 and several follow-up changes
[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 /// Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
202 using BlockToChainMapType = DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *>;
203
204 /// 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   /// 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   /// 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   /// 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   /// Iterator over blocks within the chain.
243   using iterator = SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator;
244   using const_iterator = SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::const_iterator;
245
246   /// Beginning of blocks within the chain.
247   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
248   const_iterator begin() const { return Blocks.begin(); }
249
250   /// 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   /// 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   /// 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   /// 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   /// 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   /// 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   /// Machine Function
340   MachineFunction *F;
341
342   /// A handle to the branch probability pass.
343   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
344
345   /// A handle to the function-wide block frequency pass.
346   std::unique_ptr<BranchFolder::MBFIWrapper> MBFI;
347
348   /// A handle to the loop info.
349   MachineLoopInfo *MLI;
350
351   /// 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   /// A handle to the target's instruction info.
357   const TargetInstrInfo *TII;
358
359   /// A handle to the target's lowering info.
360   const TargetLoweringBase *TLI;
361
362   /// A handle to the post dominator tree.
363   MachinePostDominatorTree *MPDT;
364
365   /// 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   /// 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   /// 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 &DuplicatedToLPred);
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   /// 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 QProb,
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 /// 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 /// 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 /// 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         LLVM_DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ)
647                           << " -> Mid chain!\n");
648         continue;
649       }
650     }
651     if (SkipSucc)
652       AdjustedSumProb -= MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
653     else
654       Successors.push_back(Succ);
655   }
656
657   return AdjustedSumProb;
658 }
659
660 /// The helper function returns the branch probability that is adjusted
661 /// or normalized over the new total \p AdjustedSumProb.
662 static BranchProbability
663 getAdjustedProbability(BranchProbability OrigProb,
664                        BranchProbability AdjustedSumProb) {
665   BranchProbability SuccProb;
666   uint32_t SuccProbN = OrigProb.getNumerator();
667   uint32_t SuccProbD = AdjustedSumProb.getNumerator();
668   if (SuccProbN >= SuccProbD)
669     SuccProb = BranchProbability::getOne();
670   else
671     SuccProb = BranchProbability(SuccProbN, SuccProbD);
672
673   return SuccProb;
674 }
675
676 /// Check if \p BB has exactly the successors in \p Successors.
677 static bool
678 hasSameSuccessors(MachineBasicBlock &BB,
679                   SmallPtrSetImpl<const MachineBasicBlock *> &Successors) {
680   if (BB.succ_size() != Successors.size())
681     return false;
682   // We don't want to count self-loops
683   if (Successors.count(&BB))
684     return false;
685   for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors())
686     if (!Successors.count(Succ))
687       return false;
688   return true;
689 }
690
691 /// Check if a block should be tail duplicated to increase fallthrough
692 /// opportunities.
693 /// \p BB Block to check.
694 bool MachineBlockPlacement::shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB) {
695   // Blocks with single successors don't create additional fallthrough
696   // opportunities. Don't duplicate them. TODO: When conditional exits are
697   // analyzable, allow them to be duplicated.
698   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
699
700   if (BB->succ_size() == 1)
701     return false;
702   return TailDup.shouldTailDuplicate(IsSimple, *BB);
703 }
704
705 /// Compare 2 BlockFrequency's with a small penalty for \p A.
706 /// In order to be conservative, we apply a X% penalty to account for
707 /// increased icache pressure and static heuristics. For small frequencies
708 /// we use only the numerators to improve accuracy. For simplicity, we assume the
709 /// penalty is less than 100%
710 /// TODO(iteratee): Use 64-bit fixed point edge frequencies everywhere.
711 static bool greaterWithBias(BlockFrequency A, BlockFrequency B,
712                             uint64_t EntryFreq) {
713   BranchProbability ThresholdProb(TailDupPlacementPenalty, 100);
714   BlockFrequency Gain = A - B;
715   return (Gain / ThresholdProb).getFrequency() >= EntryFreq;
716 }
717
718 /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
719 /// fallthroughs. It only makes sense to call this function when
720 /// \p Succ would not be chosen otherwise. Tail duplication of \p Succ is
721 /// always locally profitable if we would have picked \p Succ without
722 /// considering duplication.
723 bool MachineBlockPlacement::isProfitableToTailDup(
724     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
725     BranchProbability QProb,
726     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
727   // We need to do a probability calculation to make sure this is profitable.
728   // First: does succ have a successor that post-dominates? This affects the
729   // calculation. The 2 relevant cases are:
730   //    BB         BB
731   //    | \Qout    | \Qout
732   //   P|  C       |P C
733   //    =   C'     =   C'
734   //    |  /Qin    |  /Qin
735   //    | /        | /
736   //    Succ       Succ
737   //    / \        | \  V
738   //  U/   =V      |U \
739   //  /     \      =   D
740   //  D      E     |  /
741   //               | /
742   //               |/
743   //               PDom
744   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
745   // In the second case, Placing Succ while duplicating it into C prevents the
746   // fallthrough of Succ into either D or PDom, because they now have C as an
747   // unplaced predecessor
748
749   // Start by figuring out which case we fall into
750   MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
751   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> SuccSuccs;
752   // Only scan the relevant successors
753   auto AdjustedSuccSumProb =
754       collectViableSuccessors(Succ, Chain, BlockFilter, SuccSuccs);
755   BranchProbability PProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
756   auto BBFreq = MBFI->getBlockFreq(BB);
757   auto SuccFreq = MBFI->getBlockFreq(Succ);
758   BlockFrequency P = BBFreq * PProb;
759   BlockFrequency Qout = BBFreq * QProb;
760   uint64_t EntryFreq = MBFI->getEntryFreq();
761   // If there are no more successors, it is profitable to copy, as it strictly
762   // increases fallthrough.
763   if (SuccSuccs.size() == 0)
764     return greaterWithBias(P, Qout, EntryFreq);
765
766   auto BestSuccSucc = BranchProbability::getZero();
767   // Find the PDom or the best Succ if no PDom exists.
768   for (MachineBasicBlock *SuccSucc : SuccSuccs) {
769     auto Prob = MBPI->getEdgeProbability(Succ, SuccSucc);
770     if (Prob > BestSuccSucc)
771       BestSuccSucc = Prob;
772     if (PDom == nullptr)
773       if (MPDT->dominates(SuccSucc, Succ)) {
774         PDom = SuccSucc;
775         break;
776       }
777   }
778   // For the comparisons, we need to know Succ's best incoming edge that isn't
779   // from BB.
780   auto SuccBestPred = BlockFrequency(0);
781   for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
782     if (SuccPred == Succ || SuccPred == BB
783         || BlockToChain[SuccPred] == &Chain
784         || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)))
785       continue;
786     auto Freq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred)
787         * MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
788     if (Freq > SuccBestPred)
789       SuccBestPred = Freq;
790   }
791   // Qin is Succ's best unplaced incoming edge that isn't BB
792   BlockFrequency Qin = SuccBestPred;
793   // If it doesn't have a post-dominating successor, here is the calculation:
794   //    BB        BB
795   //    | \Qout   |  \
796   //   P|  C      |   =
797   //    =   C'    |    C
798   //    |  /Qin   |     |
799   //    | /       |     C' (+Succ)
800   //    Succ      Succ /|
801   //    / \       |  \/ |
802   //  U/   =V     |  == |
803   //  /     \     | /  \|
804   //  D      E    D     E
805   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
806   //  Cost in the first case is: P + V
807   //  For this calculation, we always assume P > Qout. If Qout > P
808   //  The result of this function will be ignored at the caller.
809   //  Let F = SuccFreq - Qin
810   //  Cost in the second case is: Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
811
812   if (PDom == nullptr || !Succ->isSuccessor(PDom)) {
813     BranchProbability UProb = BestSuccSucc;
814     BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
815     BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
816     BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
817     BlockFrequency QinU = std::min(Qin, F) * UProb;
818     BlockFrequency BaseCost = P + V;
819     BlockFrequency DupCost = Qout + QinU + std::max(Qin, F) * VProb;
820     return greaterWithBias(BaseCost, DupCost, EntryFreq);
821   }
822   BranchProbability UProb = MBPI->getEdgeProbability(Succ, PDom);
823   BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
824   BlockFrequency U = SuccFreq * UProb;
825   BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
826   BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
827   // If there is a post-dominating successor, here is the calculation:
828   // BB         BB                 BB          BB
829   // | \Qout    |   \               | \Qout     |  \
830   // |P C       |    =              |P C        |   =
831   // =   C'     |P    C             =   C'      |P   C
832   // |  /Qin    |      |            |  /Qin     |     |
833   // | /        |      C' (+Succ)   | /         |     C' (+Succ)
834   // Succ       Succ  /|            Succ        Succ /|
835   // | \  V     |   \/ |            | \  V      |  \/ |
836   // |U \       |U  /\ =?           |U =        |U /\ |
837   // =   D      = =  =?|            |   D       | =  =|
838   // |  /       |/     D            |  /        |/    D
839   // | /        |     /             | =         |    /
840   // |/         |    /              |/          |   =
841   // Dom         Dom                Dom         Dom
842   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
843   // The cost for taken branches in the first case is P + U
844   // Let F = SuccFreq - Qin
845   // The cost in the second case (assuming independence), given the layout:
846   // BB, Succ, (C+Succ), D, Dom or the layout:
847   // BB, Succ, D, Dom, (C+Succ)
848   // is Qout + max(F, Qin) * U + min(F, Qin)
849   // compare P + U vs Qout + P * U + Qin.
850   //
851   // The 3rd and 4th cases cover when Dom would be chosen to follow Succ.
852   //
853   // For the 3rd case, the cost is P + 2 * V
854   // For the 4th case, the cost is Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V + V
855   // We choose 4 over 3 when (P + V) > Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
856   if (UProb > AdjustedSuccSumProb / 2 &&
857       !hasBetterLayoutPredecessor(Succ, PDom, *BlockToChain[PDom], UProb, UProb,
858                                   Chain, BlockFilter))
859     // Cases 3 & 4
860     return greaterWithBias(
861         (P + V), (Qout + std::max(Qin, F) * VProb + std::min(Qin, F) * UProb),
862         EntryFreq);
863   // Cases 1 & 2
864   return greaterWithBias((P + U),
865                          (Qout + std::min(Qin, F) * AdjustedSuccSumProb +
866                           std::max(Qin, F) * UProb),
867                          EntryFreq);
868 }
869
870 /// Check for a trellis layout. \p BB is the upper part of a trellis if its
871 /// successors form the lower part of a trellis. A successor set S forms the
872 /// lower part of a trellis if all of the predecessors of S are either in S or
873 /// have all of S as successors. We ignore trellises where BB doesn't have 2
874 /// successors because for fewer than 2, it's trivial, and for 3 or greater they
875 /// are very uncommon and complex to compute optimally. Allowing edges within S
876 /// is not strictly a trellis, but the same algorithm works, so we allow it.
877 bool MachineBlockPlacement::isTrellis(
878     const MachineBasicBlock *BB,
879     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
880     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
881   // Technically BB could form a trellis with branching factor higher than 2.
882   // But that's extremely uncommon.
883   if (BB->succ_size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
884     return false;
885
886   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 2> Successors(BB->succ_begin(),
887                                                        BB->succ_end());
888   // To avoid reviewing the same predecessors twice.
889   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 8> SeenPreds;
890
891   for (MachineBasicBlock *Succ : ViableSuccs) {
892     int PredCount = 0;
893     for (auto SuccPred : Succ->predecessors()) {
894       // Allow triangle successors, but don't count them.
895       if (Successors.count(SuccPred)) {
896         // Make sure that it is actually a triangle.
897         for (MachineBasicBlock *CheckSucc : SuccPred->successors())
898           if (!Successors.count(CheckSucc))
899             return false;
900         continue;
901       }
902       const BlockChain *PredChain = BlockToChain[SuccPred];
903       if (SuccPred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
904           PredChain == &Chain || PredChain == BlockToChain[Succ])
905         continue;
906       ++PredCount;
907       // Perform the successor check only once.
908       if (!SeenPreds.insert(SuccPred).second)
909         continue;
910       if (!hasSameSuccessors(*SuccPred, Successors))
911         return false;
912     }
913     // If one of the successors has only BB as a predecessor, it is not a
914     // trellis.
915     if (PredCount < 1)
916       return false;
917   }
918   return true;
919 }
920
921 /// Pick the highest total weight pair of edges that can both be laid out.
922 /// The edges in \p Edges[0] are assumed to have a different destination than
923 /// the edges in \p Edges[1]. Simple counting shows that the best pair is either
924 /// the individual highest weight edges to the 2 different destinations, or in
925 /// case of a conflict, one of them should be replaced with a 2nd best edge.
926 std::pair<MachineBlockPlacement::WeightedEdge,
927           MachineBlockPlacement::WeightedEdge>
928 MachineBlockPlacement::getBestNonConflictingEdges(
929     const MachineBasicBlock *BB,
930     MutableArrayRef<SmallVector<MachineBlockPlacement::WeightedEdge, 8>>
931         Edges) {
932   // Sort the edges, and then for each successor, find the best incoming
933   // predecessor. If the best incoming predecessors aren't the same,
934   // then that is clearly the best layout. If there is a conflict, one of the
935   // successors will have to fallthrough from the second best predecessor. We
936   // compare which combination is better overall.
937
938   // Sort for highest frequency.
939   auto Cmp = [](WeightedEdge A, WeightedEdge B) { return A.Weight > B.Weight; };
940
941   std::stable_sort(Edges[0].begin(), Edges[0].end(), Cmp);
942   std::stable_sort(Edges[1].begin(), Edges[1].end(), Cmp);
943   auto BestA = Edges[0].begin();
944   auto BestB = Edges[1].begin();
945   // Arrange for the correct answer to be in BestA and BestB
946   // If the 2 best edges don't conflict, the answer is already there.
947   if (BestA->Src == BestB->Src) {
948     // Compare the total fallthrough of (Best + Second Best) for both pairs
949     auto SecondBestA = std::next(BestA);
950     auto SecondBestB = std::next(BestB);
951     BlockFrequency BestAScore = BestA->Weight + SecondBestB->Weight;
952     BlockFrequency BestBScore = BestB->Weight + SecondBestA->Weight;
953     if (BestAScore < BestBScore)
954       BestA = SecondBestA;
955     else
956       BestB = SecondBestB;
957   }
958   // Arrange for the BB edge to be in BestA if it exists.
959   if (BestB->Src == BB)
960     std::swap(BestA, BestB);
961   return std::make_pair(*BestA, *BestB);
962 }
963
964 /// Get the best successor from \p BB based on \p BB being part of a trellis.
965 /// We only handle trellises with 2 successors, so the algorithm is
966 /// straightforward: Find the best pair of edges that don't conflict. We find
967 /// the best incoming edge for each successor in the trellis. If those conflict,
968 /// we consider which of them should be replaced with the second best.
969 /// Upon return the two best edges will be in \p BestEdges. If one of the edges
970 /// comes from \p BB, it will be in \p BestEdges[0]
971 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
972 MachineBlockPlacement::getBestTrellisSuccessor(
973     const MachineBasicBlock *BB,
974     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
975     BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
976     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
977
978   BlockAndTailDupResult Result = {nullptr, false};
979   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
980                                                        BB->succ_end());
981
982   // We assume size 2 because it's common. For general n, we would have to do
983   // the Hungarian algorithm, but it's not worth the complexity because more
984   // than 2 successors is fairly uncommon, and a trellis even more so.
985   if (Successors.size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
986     return Result;
987
988   // Collect the edge frequencies of all edges that form the trellis.
989   SmallVector<WeightedEdge, 8> Edges[2];
990   int SuccIndex = 0;
991   for (auto Succ : ViableSuccs) {
992     for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
993       // Skip any placed predecessors that are not BB
994       if (SuccPred != BB)
995         if ((BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
996             BlockToChain[SuccPred] == &Chain ||
997             BlockToChain[SuccPred] == BlockToChain[Succ])
998           continue;
999       BlockFrequency EdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred) *
1000                                 MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
1001       Edges[SuccIndex].push_back({EdgeFreq, SuccPred, Succ});
1002     }
1003     ++SuccIndex;
1004   }
1005
1006   // Pick the best combination of 2 edges from all the edges in the trellis.
1007   WeightedEdge BestA, BestB;
1008   std::tie(BestA, BestB) = getBestNonConflictingEdges(BB, Edges);
1009
1010   if (BestA.Src != BB) {
1011     // If we have a trellis, and BB doesn't have the best fallthrough edges,
1012     // we shouldn't choose any successor. We've already looked and there's a
1013     // better fallthrough edge for all the successors.
1014     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Trellis, but not one of the chosen edges.\n");
1015     return Result;
1016   }
1017
1018   // Did we pick the triangle edge? If tail-duplication is profitable, do
1019   // that instead. Otherwise merge the triangle edge now while we know it is
1020   // optimal.
1021   if (BestA.Dest == BestB.Src) {
1022     // The edges are BB->Succ1->Succ2, and we're looking to see if BB->Succ2
1023     // would be better.
1024     MachineBasicBlock *Succ1 = BestA.Dest;
1025     MachineBasicBlock *Succ2 = BestB.Dest;
1026     // Check to see if tail-duplication would be profitable.
1027     if (allowTailDupPlacement() && shouldTailDuplicate(Succ2) &&
1028         canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ2, Chain, BlockFilter) &&
1029         isProfitableToTailDup(BB, Succ2, MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ1),
1030                               Chain, BlockFilter)) {
1031       LLVM_DEBUG(BranchProbability Succ2Prob = getAdjustedProbability(
1032                      MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ2), AdjustedSumProb);
1033                  dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(Succ2)
1034                         << ", probability: " << Succ2Prob
1035                         << " (Tail Duplicate)\n");
1036       Result.BB = Succ2;
1037       Result.ShouldTailDup = true;
1038       return Result;
1039     }
1040   }
1041   // We have already computed the optimal edge for the other side of the
1042   // trellis.
1043   ComputedEdges[BestB.Src] = { BestB.Dest, false };
1044
1045   auto TrellisSucc = BestA.Dest;
1046   LLVM_DEBUG(BranchProbability SuccProb = getAdjustedProbability(
1047                  MBPI->getEdgeProbability(BB, TrellisSucc), AdjustedSumProb);
1048              dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(TrellisSucc)
1049                     << ", probability: " << SuccProb << " (Trellis)\n");
1050   Result.BB = TrellisSucc;
1051   return Result;
1052 }
1053
1054 /// When the option allowTailDupPlacement() is on, this method checks if the
1055 /// fallthrough candidate block \p Succ (of block \p BB) can be tail-duplicated
1056 /// into all of its unplaced, unfiltered predecessors, that are not BB.
1057 bool MachineBlockPlacement::canTailDuplicateUnplacedPreds(
1058     const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
1059     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1060   if (!shouldTailDuplicate(Succ))
1061     return false;
1062
1063   // For CFG checking.
1064   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
1065                                                        BB->succ_end());
1066   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1067     // Make sure all unplaced and unfiltered predecessors can be
1068     // tail-duplicated into.
1069     // Skip any blocks that are already placed or not in this loop.
1070     if (Pred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1071         || BlockToChain[Pred] == &Chain)
1072       continue;
1073     if (!TailDup.canTailDuplicate(Succ, Pred)) {
1074       if (Successors.size() > 1 && hasSameSuccessors(*Pred, Successors))
1075         // This will result in a trellis after tail duplication, so we don't
1076         // need to copy Succ into this predecessor. In the presence
1077         // of a trellis tail duplication can continue to be profitable.
1078         // For example:
1079         // A            A
1080         // |\           |\
1081         // | \          | \
1082         // |  C         |  C+BB
1083         // | /          |  |
1084         // |/           |  |
1085         // BB    =>     BB |
1086         // |\           |\/|
1087         // | \          |/\|
1088         // |  D         |  D
1089         // | /          | /
1090         // |/           |/
1091         // Succ         Succ
1092         //
1093         // After BB was duplicated into C, the layout looks like the one on the
1094         // right. BB and C now have the same successors. When considering
1095         // whether Succ can be duplicated into all its unplaced predecessors, we
1096         // ignore C.
1097         // We can do this because C already has a profitable fallthrough, namely
1098         // D. TODO(iteratee): ignore sufficiently cold predecessors for
1099         // duplication and for this test.
1100         //
1101         // This allows trellises to be laid out in 2 separate chains
1102         // (A,B,Succ,...) and later (C,D,...) This is a reasonable heuristic
1103         // because it allows the creation of 2 fallthrough paths with links
1104         // between them, and we correctly identify the best layout for these
1105         // CFGs. We want to extend trellises that the user created in addition
1106         // to trellises created by tail-duplication, so we just look for the
1107         // CFG.
1108         continue;
1109       return false;
1110     }
1111   }
1112   return true;
1113 }
1114
1115 /// Find chains of triangles where we believe it would be profitable to
1116 /// tail-duplicate them all, but a local analysis would not find them.
1117 /// There are 3 ways this can be profitable:
1118 /// 1) The post-dominators marked 50% are actually taken 55% (This shrinks with
1119 ///    longer chains)
1120 /// 2) The chains are statically correlated. Branch probabilities have a very
1121 ///    U-shaped distribution.
1122 ///    [http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:24015805]
1123 ///    If the branches in a chain are likely to be from the same side of the
1124 ///    distribution as their predecessor, but are independent at runtime, this
1125 ///    transformation is profitable. (Because the cost of being wrong is a small
1126 ///    fixed cost, unlike the standard triangle layout where the cost of being
1127 ///    wrong scales with the # of triangles.)
1128 /// 3) The chains are dynamically correlated. If the probability that a previous
1129 ///    branch was taken positively influences whether the next branch will be
1130 ///    taken
1131 /// We believe that 2 and 3 are common enough to justify the small margin in 1.
1132 void MachineBlockPlacement::precomputeTriangleChains() {
1133   struct TriangleChain {
1134     std::vector<MachineBasicBlock *> Edges;
1135
1136     TriangleChain(MachineBasicBlock *src, MachineBasicBlock *dst)
1137         : Edges({src, dst}) {}
1138
1139     void append(MachineBasicBlock *dst) {
1140       assert(getKey()->isSuccessor(dst) &&
1141              "Attempting to append a block that is not a successor.");
1142       Edges.push_back(dst);
1143     }
1144
1145     unsigned count() const { return Edges.size() - 1; }
1146
1147     MachineBasicBlock *getKey() const {
1148       return Edges.back();
1149     }
1150   };
1151
1152   if (TriangleChainCount == 0)
1153     return;
1154
1155   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Pre-computing triangle chains.\n");
1156   // Map from last block to the chain that contains it. This allows us to extend
1157   // chains as we find new triangles.
1158   DenseMap<const MachineBasicBlock *, TriangleChain> TriangleChainMap;
1159   for (MachineBasicBlock &BB : *F) {
1160     // If BB doesn't have 2 successors, it doesn't start a triangle.
1161     if (BB.succ_size() != 2)
1162       continue;
1163     MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
1164     for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors()) {
1165       if (!MPDT->dominates(Succ, &BB))
1166         continue;
1167       PDom = Succ;
1168       break;
1169     }
1170     // If BB doesn't have a post-dominating successor, it doesn't form a
1171     // triangle.
1172     if (PDom == nullptr)
1173       continue;
1174     // If PDom has a hint that it is low probability, skip this triangle.
1175     if (MBPI->getEdgeProbability(&BB, PDom) < BranchProbability(50, 100))
1176       continue;
1177     // If PDom isn't eligible for duplication, this isn't the kind of triangle
1178     // we're looking for.
1179     if (!shouldTailDuplicate(PDom))
1180       continue;
1181     bool CanTailDuplicate = true;
1182     // If PDom can't tail-duplicate into it's non-BB predecessors, then this
1183     // isn't the kind of triangle we're looking for.
1184     for (MachineBasicBlock* Pred : PDom->predecessors()) {
1185       if (Pred == &BB)
1186         continue;
1187       if (!TailDup.canTailDuplicate(PDom, Pred)) {
1188         CanTailDuplicate = false;
1189         break;
1190       }
1191     }
1192     // If we can't tail-duplicate PDom to its predecessors, then skip this
1193     // triangle.
1194     if (!CanTailDuplicate)
1195       continue;
1196
1197     // Now we have an interesting triangle. Insert it if it's not part of an
1198     // existing chain.
1199     // Note: This cannot be replaced with a call insert() or emplace() because
1200     // the find key is BB, but the insert/emplace key is PDom.
1201     auto Found = TriangleChainMap.find(&BB);
1202     // If it is, remove the chain from the map, grow it, and put it back in the
1203     // map with the end as the new key.
1204     if (Found != TriangleChainMap.end()) {
1205       TriangleChain Chain = std::move(Found->second);
1206       TriangleChainMap.erase(Found);
1207       Chain.append(PDom);
1208       TriangleChainMap.insert(std::make_pair(Chain.getKey(), std::move(Chain)));
1209     } else {
1210       auto InsertResult = TriangleChainMap.try_emplace(PDom, &BB, PDom);
1211       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1212       (void)InsertResult;
1213     }
1214   }
1215
1216   // Iterating over a DenseMap is safe here, because the only thing in the body
1217   // of the loop is inserting into another DenseMap (ComputedEdges).
1218   // ComputedEdges is never iterated, so this doesn't lead to non-determinism.
1219   for (auto &ChainPair : TriangleChainMap) {
1220     TriangleChain &Chain = ChainPair.second;
1221     // Benchmarking has shown that due to branch correlation duplicating 2 or
1222     // more triangles is profitable, despite the calculations assuming
1223     // independence.
1224     if (Chain.count() < TriangleChainCount)
1225       continue;
1226     MachineBasicBlock *dst = Chain.Edges.back();
1227     Chain.Edges.pop_back();
1228     for (MachineBasicBlock *src : reverse(Chain.Edges)) {
1229       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Marking edge: " << getBlockName(src) << "->"
1230                         << getBlockName(dst)
1231                         << " as pre-computed based on triangles.\n");
1232
1233       auto InsertResult = ComputedEdges.insert({src, {dst, true}});
1234       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1235       (void)InsertResult;
1236
1237       dst = src;
1238     }
1239   }
1240 }
1241
1242 // When profile is not present, return the StaticLikelyProb.
1243 // When profile is available, we need to handle the triangle-shape CFG.
1244 static BranchProbability getLayoutSuccessorProbThreshold(
1245       const MachineBasicBlock *BB) {
1246   if (!BB->getParent()->getFunction().hasProfileData())
1247     return BranchProbability(StaticLikelyProb, 100);
1248   if (BB->succ_size() == 2) {
1249     const MachineBasicBlock *Succ1 = *BB->succ_begin();
1250     const MachineBasicBlock *Succ2 = *(BB->succ_begin() + 1);
1251     if (Succ1->isSuccessor(Succ2) || Succ2->isSuccessor(Succ1)) {
1252       /* See case 1 below for the cost analysis. For BB->Succ to
1253        * be taken with smaller cost, the following needs to hold:
1254        *   Prob(BB->Succ) > 2 * Prob(BB->Pred)
1255        *   So the threshold T in the calculation below
1256        *   (1-T) * Prob(BB->Succ) > T * Prob(BB->Pred)
1257        *   So T / (1 - T) = 2, Yielding T = 2/3
1258        * Also adding user specified branch bias, we have
1259        *   T = (2/3)*(ProfileLikelyProb/50)
1260        *     = (2*ProfileLikelyProb)/150)
1261        */
1262       return BranchProbability(2 * ProfileLikelyProb, 150);
1263     }
1264   }
1265   return BranchProbability(ProfileLikelyProb, 100);
1266 }
1267
1268 /// Checks to see if the layout candidate block \p Succ has a better layout
1269 /// predecessor than \c BB. If yes, returns true.
1270 /// \p SuccProb: The probability adjusted for only remaining blocks.
1271 ///   Only used for logging
1272 /// \p RealSuccProb: The un-adjusted probability.
1273 /// \p Chain: The chain that BB belongs to and Succ is being considered for.
1274 /// \p BlockFilter: if non-null, the set of blocks that make up the loop being
1275 ///    considered
1276 bool MachineBlockPlacement::hasBetterLayoutPredecessor(
1277     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
1278     const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
1279     BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
1280     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1281
1282   // There isn't a better layout when there are no unscheduled predecessors.
1283   if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0)
1284     return false;
1285
1286   // There are two basic scenarios here:
1287   // -------------------------------------
1288   // Case 1: triangular shape CFG (if-then):
1289   //     BB
1290   //     | \
1291   //     |  \
1292   //     |   Pred
1293   //     |   /
1294   //     Succ
1295   // In this case, we are evaluating whether to select edge -> Succ, e.g.
1296   // set Succ as the layout successor of BB. Picking Succ as BB's
1297   // successor breaks the CFG constraints (FIXME: define these constraints).
1298   // With this layout, Pred BB
1299   // is forced to be outlined, so the overall cost will be cost of the
1300   // branch taken from BB to Pred, plus the cost of back taken branch
1301   // from Pred to Succ, as well as the additional cost associated
1302   // with the needed unconditional jump instruction from Pred To Succ.
1303
1304   // The cost of the topological order layout is the taken branch cost
1305   // from BB to Succ, so to make BB->Succ a viable candidate, the following
1306   // must hold:
1307   //     2 * freq(BB->Pred) * taken_branch_cost + unconditional_jump_cost
1308   //      < freq(BB->Succ) *  taken_branch_cost.
1309   // Ignoring unconditional jump cost, we get
1310   //    freq(BB->Succ) > 2 * freq(BB->Pred), i.e.,
1311   //    prob(BB->Succ) > 2 * prob(BB->Pred)
1312   //
1313   // When real profile data is available, we can precisely compute the
1314   // probability threshold that is needed for edge BB->Succ to be considered.
1315   // Without profile data, the heuristic requires the branch bias to be
1316   // a lot larger to make sure the signal is very strong (e.g. 80% default).
1317   // -----------------------------------------------------------------
1318   // Case 2: diamond like CFG (if-then-else):
1319   //     S
1320   //    / \
1321   //   |   \
1322   //  BB    Pred
1323   //   \    /
1324   //    Succ
1325   //    ..
1326   //
1327   // The current block is BB and edge BB->Succ is now being evaluated.
1328   // Note that edge S->BB was previously already selected because
1329   // prob(S->BB) > prob(S->Pred).
1330   // At this point, 2 blocks can be placed after BB: Pred or Succ. If we
1331   // choose Pred, we will have a topological ordering as shown on the left
1332   // in the picture below. If we choose Succ, we have the solution as shown
1333   // on the right:
1334   //
1335   //   topo-order:
1336   //
1337   //       S-----                             ---S
1338   //       |    |                             |  |
1339   //    ---BB   |                             |  BB
1340   //    |       |                             |  |
1341   //    |  Pred--                             |  Succ--
1342   //    |  |                                  |       |
1343   //    ---Succ                               ---Pred--
1344   //
1345   // cost = freq(S->Pred) + freq(BB->Succ)    cost = 2 * freq (S->Pred)
1346   //      = freq(S->Pred) + freq(S->BB)
1347   //
1348   // If we have profile data (i.e, branch probabilities can be trusted), the
1349   // cost (number of taken branches) with layout S->BB->Succ->Pred is 2 *
1350   // freq(S->Pred) while the cost of topo order is freq(S->Pred) + freq(S->BB).
1351   // We know Prob(S->BB) > Prob(S->Pred), so freq(S->BB) > freq(S->Pred), which
1352   // means the cost of topological order is greater.
1353   // When profile data is not available, however, we need to be more
1354   // conservative. If the branch prediction is wrong, breaking the topo-order
1355   // will actually yield a layout with large cost. For this reason, we need
1356   // strong biased branch at block S with Prob(S->BB) in order to select
1357   // BB->Succ. This is equivalent to looking the CFG backward with backward
1358   // edge: Prob(Succ->BB) needs to >= HotProb in order to be selected (without
1359   // profile data).
1360   // --------------------------------------------------------------------------
1361   // Case 3: forked diamond
1362   //       S
1363   //      / \
1364   //     /   \
1365   //   BB    Pred
1366   //   | \   / |
1367   //   |  \ /  |
1368   //   |   X   |
1369   //   |  / \  |
1370   //   | /   \ |
1371   //   S1     S2
1372   //
1373   // The current block is BB and edge BB->S1 is now being evaluated.
1374   // As above S->BB was already selected because
1375   // prob(S->BB) > prob(S->Pred). Assume that prob(BB->S1) >= prob(BB->S2).
1376   //
1377   // topo-order:
1378   //
1379   //     S-------|                     ---S
1380   //     |       |                     |  |
1381   //  ---BB      |                     |  BB
1382   //  |          |                     |  |
1383   //  |  Pred----|                     |  S1----
1384   //  |  |                             |       |
1385   //  --(S1 or S2)                     ---Pred--
1386   //                                        |
1387   //                                       S2
1388   //
1389   // topo-cost = freq(S->Pred) + freq(BB->S1) + freq(BB->S2)
1390   //    + min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1391   // Non-topo-order cost:
1392   // non-topo-cost = 2 * freq(S->Pred) + freq(BB->S2).
1393   // To be conservative, we can assume that min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1394   // is 0. Then the non topo layout is better when
1395   // freq(S->Pred) < freq(BB->S1).
1396   // This is exactly what is checked below.
1397   // Note there are other shapes that apply (Pred may not be a single block,
1398   // but they all fit this general pattern.)
1399   BranchProbability HotProb = getLayoutSuccessorProbThreshold(BB);
1400
1401   // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
1402   // important predecessor.
1403   BlockFrequency CandidateEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * RealSuccProb;
1404   bool BadCFGConflict = false;
1405
1406   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1407     if (Pred == Succ || BlockToChain[Pred] == &SuccChain ||
1408         (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
1409         BlockToChain[Pred] == &Chain ||
1410         // This check is redundant except for look ahead. This function is
1411         // called for lookahead by isProfitableToTailDup when BB hasn't been
1412         // placed yet.
1413         (Pred == BB))
1414       continue;
1415     // Do backward checking.
1416     // For all cases above, we need a backward checking to filter out edges that
1417     // are not 'strongly' biased.
1418     // BB  Pred
1419     //  \ /
1420     //  Succ
1421     // We select edge BB->Succ if
1422     //      freq(BB->Succ) > freq(Succ) * HotProb
1423     //      i.e. freq(BB->Succ) > freq(BB->Succ) * HotProb + freq(Pred->Succ) *
1424     //      HotProb
1425     //      i.e. freq((BB->Succ) * (1 - HotProb) > freq(Pred->Succ) * HotProb
1426     // Case 1 is covered too, because the first equation reduces to:
1427     // prob(BB->Succ) > HotProb. (freq(Succ) = freq(BB) for a triangle)
1428     BlockFrequency PredEdgeFreq =
1429         MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
1430     if (PredEdgeFreq * HotProb >= CandidateEdgeFreq * HotProb.getCompl()) {
1431       BadCFGConflict = true;
1432       break;
1433     }
1434   }
1435
1436   if (BadCFGConflict) {
1437     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Not a candidate: " << getBlockName(Succ) << " -> "
1438                       << SuccProb << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
1439     return true;
1440   }
1441
1442   return false;
1443 }
1444
1445 /// Select the best successor for a block.
1446 ///
1447 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
1448 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
1449 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
1450 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
1451 /// very hot successor edges.
1452 ///
1453 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable, along
1454 /// with a boolean indicating if tail duplication is necessary.
1455 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
1456 MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
1457     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
1458     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1459   const BranchProbability HotProb(StaticLikelyProb, 100);
1460
1461   BlockAndTailDupResult BestSucc = { nullptr, false };
1462   auto BestProb = BranchProbability::getZero();
1463
1464   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Successors;
1465   auto AdjustedSumProb =
1466       collectViableSuccessors(BB, Chain, BlockFilter, Successors);
1467
1468   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Selecting best successor for: " << getBlockName(BB)
1469                     << "\n");
1470
1471   // if we already precomputed the best successor for BB, return that if still
1472   // applicable.
1473   auto FoundEdge = ComputedEdges.find(BB);
1474   if (FoundEdge != ComputedEdges.end()) {
1475     MachineBasicBlock *Succ = FoundEdge->second.BB;
1476     ComputedEdges.erase(FoundEdge);
1477     BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1478     if (BB->isSuccessor(Succ) && (!BlockFilter || BlockFilter->count(Succ)) &&
1479         SuccChain != &Chain && Succ == *SuccChain->begin())
1480       return FoundEdge->second;
1481   }
1482
1483   // if BB is part of a trellis, Use the trellis to determine the optimal
1484   // fallthrough edges
1485   if (isTrellis(BB, Successors, Chain, BlockFilter))
1486     return getBestTrellisSuccessor(BB, Successors, AdjustedSumProb, Chain,
1487                                    BlockFilter);
1488
1489   // For blocks with CFG violations, we may be able to lay them out anyway with
1490   // tail-duplication. We keep this vector so we can perform the probability
1491   // calculations the minimum number of times.
1492   SmallVector<std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *>, 4>
1493       DupCandidates;
1494   for (MachineBasicBlock *Succ : Successors) {
1495     auto RealSuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
1496     BranchProbability SuccProb =
1497         getAdjustedProbability(RealSuccProb, AdjustedSumProb);
1498
1499     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1500     // Skip the edge \c BB->Succ if block \c Succ has a better layout
1501     // predecessor that yields lower global cost.
1502     if (hasBetterLayoutPredecessor(BB, Succ, SuccChain, SuccProb, RealSuccProb,
1503                                    Chain, BlockFilter)) {
1504       // If tail duplication would make Succ profitable, place it.
1505       if (allowTailDupPlacement() && shouldTailDuplicate(Succ))
1506         DupCandidates.push_back(std::make_tuple(SuccProb, Succ));
1507       continue;
1508     }
1509
1510     LLVM_DEBUG(
1511         dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ)
1512                << ", probability: " << SuccProb
1513                << (SuccChain.UnscheduledPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
1514                << "\n");
1515
1516     if (BestSucc.BB && BestProb >= SuccProb) {
1517       LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Not the best candidate, continuing\n");
1518       continue;
1519     }
1520
1521     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Setting it as best candidate\n");
1522     BestSucc.BB = Succ;
1523     BestProb = SuccProb;
1524   }
1525   // Handle the tail duplication candidates in order of decreasing probability.
1526   // Stop at the first one that is profitable. Also stop if they are less
1527   // profitable than BestSucc. Position is important because we preserve it and
1528   // prefer first best match. Here we aren't comparing in order, so we capture
1529   // the position instead.
1530   if (DupCandidates.size() != 0) {
1531     auto cmp =
1532         [](const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &a,
1533            const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &b) {
1534           return std::get<0>(a) > std::get<0>(b);
1535         };
1536     std::stable_sort(DupCandidates.begin(), DupCandidates.end(), cmp);
1537   }
1538   for(auto &Tup : DupCandidates) {
1539     BranchProbability DupProb;
1540     MachineBasicBlock *Succ;
1541     std::tie(DupProb, Succ) = Tup;
1542     if (DupProb < BestProb)
1543       break;
1544     if (canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ, Chain, BlockFilter)
1545         && (isProfitableToTailDup(BB, Succ, BestProb, Chain, BlockFilter))) {
1546       LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ)
1547                         << ", probability: " << DupProb
1548                         << " (Tail Duplicate)\n");
1549       BestSucc.BB = Succ;
1550       BestSucc.ShouldTailDup = true;
1551       break;
1552     }
1553   }
1554
1555   if (BestSucc.BB)
1556     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(BestSucc.BB) << "\n");
1557
1558   return BestSucc;
1559 }
1560
1561 /// Select the best block from a worklist.
1562 ///
1563 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
1564 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
1565 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
1566 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
1567 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
1568 /// loop body in order to improve i-cache behavior.
1569 ///
1570 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
1571 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
1572     const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList) {
1573   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
1574   // worklist of already placed entries.
1575   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
1576   // some code complexity) into the loop below.
1577   WorkList.erase(llvm::remove_if(WorkList,
1578                                  [&](MachineBasicBlock *BB) {
1579                                    return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
1580                                  }),
1581                  WorkList.end());
1582
1583   if (WorkList.empty())
1584     return nullptr;
1585
1586   bool IsEHPad = WorkList[0]->isEHPad();
1587
1588   MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
1589   BlockFrequency BestFreq;
1590   for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
1591     assert(MBB->isEHPad() == IsEHPad &&
1592            "EHPad mismatch between block and work list.");
1593
1594     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
1595     if (&SuccChain == &Chain)
1596       continue;
1597
1598     assert(SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
1599            "Found CFG-violating block");
1600
1601     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
1602     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
1603                MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
1604
1605     // For ehpad, we layout the least probable first as to avoid jumping back
1606     // from least probable landingpads to more probable ones.
1607     //
1608     // FIXME: Using probability is probably (!) not the best way to achieve
1609     // this. We should probably have a more principled approach to layout
1610     // cleanup code.
1611     //
1612     // The goal is to get:
1613     //
1614     //                 +--------------------------+
1615     //                 |                          V
1616     // InnerLp -> InnerCleanup    OuterLp -> OuterCleanup -> Resume
1617     //
1618     // Rather than:
1619     //
1620     //                 +-------------------------------------+
1621     //                 V                                     |
1622     // OuterLp -> OuterCleanup -> Resume     InnerLp -> InnerCleanup
1623     if (BestBlock && (IsEHPad ^ (BestFreq >= CandidateFreq)))
1624       continue;
1625
1626     BestBlock = MBB;
1627     BestFreq = CandidateFreq;
1628   }
1629
1630   return BestBlock;
1631 }
1632
1633 /// Retrieve the first unplaced basic block.
1634 ///
1635 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
1636 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
1637 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
1638 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
1639 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
1640 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
1641     const BlockChain &PlacedChain,
1642     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
1643     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1644   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F->end(); I != E;
1645        ++I) {
1646     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(&*I))
1647       continue;
1648     if (BlockToChain[&*I] != &PlacedChain) {
1649       PrevUnplacedBlockIt = I;
1650       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
1651       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
1652       // and satisfies the requirements of merging chains.
1653       return *BlockToChain[&*I]->begin();
1654     }
1655   }
1656   return nullptr;
1657 }
1658
1659 void MachineBlockPlacement::fillWorkLists(
1660     const MachineBasicBlock *MBB,
1661     SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
1662     const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr) {
1663   BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1664   if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
1665     return;
1666
1667   assert(
1668       Chain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
1669       "Attempting to place block with unscheduled predecessors in worklist.");
1670   for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
1671     assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain &&
1672            "Block in chain doesn't match BlockToChain map.");
1673     for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
1674       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1675         continue;
1676       if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
1677         continue;
1678       ++Chain.UnscheduledPredecessors;
1679     }
1680   }
1681
1682   if (Chain.UnscheduledPredecessors != 0)
1683     return;
1684
1685   MachineBasicBlock *BB = *Chain.begin();
1686   if (BB->isEHPad())
1687     EHPadWorkList.push_back(BB);
1688   else
1689     BlockWorkList.push_back(BB);
1690 }
1691
1692 void MachineBlockPlacement::buildChain(
1693     const MachineBasicBlock *HeadBB, BlockChain &Chain,
1694     BlockFilterSet *BlockFilter) {
1695   assert(HeadBB && "BB must not be null.\n");
1696   assert(BlockToChain[HeadBB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match.\n");
1697   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F->begin();
1698
1699   const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = HeadBB;
1700   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1701   MachineBasicBlock *BB = *std::prev(Chain.end());
1702   while (true) {
1703     assert(BB && "null block found at end of chain in loop.");
1704     assert(BlockToChain[BB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match in loop.");
1705     assert(*std::prev(Chain.end()) == BB && "BB Not found at end of chain.");
1706
1707
1708     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
1709     // after this block.
1710     auto Result = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
1711     MachineBasicBlock* BestSucc = Result.BB;
1712     bool ShouldTailDup = Result.ShouldTailDup;
1713     if (allowTailDupPlacement())
1714       ShouldTailDup |= (BestSucc && shouldTailDuplicate(BestSucc));
1715
1716     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
1717     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
1718     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
1719     if (!BestSucc)
1720       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList);
1721     if (!BestSucc)
1722       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, EHPadWorkList);
1723
1724     if (!BestSucc) {
1725       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
1726       if (!BestSucc)
1727         break;
1728
1729       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
1730                            "layout successor until the CFG reduces\n");
1731     }
1732
1733     // Placement may have changed tail duplication opportunities.
1734     // Check for that now.
1735     if (allowTailDupPlacement() && BestSucc && ShouldTailDup) {
1736       // If the chosen successor was duplicated into all its predecessors,
1737       // don't bother laying it out, just go round the loop again with BB as
1738       // the chain end.
1739       if (repeatedlyTailDuplicateBlock(BestSucc, BB, LoopHeaderBB, Chain,
1740                                        BlockFilter, PrevUnplacedBlockIt))
1741         continue;
1742     }
1743
1744     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
1745     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
1746     // Zero out UnscheduledPredecessors for the successor we're about to merge in case
1747     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
1748     SuccChain.UnscheduledPredecessors = 0;
1749     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockName(BB) << " to "
1750                       << getBlockName(BestSucc) << "\n");
1751     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1752     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
1753     BB = *std::prev(Chain.end());
1754   }
1755
1756   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
1757                     << getBlockName(*Chain.begin()) << "\n");
1758 }
1759
1760 /// Find the best loop top block for layout.
1761 ///
1762 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
1763 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
1764 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
1765 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
1766 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
1767 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
1768 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
1769 /// header is always profitable.
1770 MachineBasicBlock *
1771 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(const MachineLoop &L,
1772                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1773   // Placing the latch block before the header may introduce an extra branch
1774   // that skips this block the first time the loop is executed, which we want
1775   // to avoid when optimising for size.
1776   // FIXME: in theory there is a case that does not introduce a new branch,
1777   // i.e. when the layout predecessor does not fallthrough to the loop header.
1778   // In practice this never happens though: there always seems to be a preheader
1779   // that can fallthrough and that is also placed before the header.
1780   if (F->getFunction().optForSize())
1781     return L.getHeader();
1782
1783   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
1784   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
1785   // prevent pulling the preheader into the loop body.
1786   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1787   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1788     return L.getHeader();
1789
1790   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: "
1791                     << getBlockName(L.getHeader()) << "\n");
1792
1793   BlockFrequency BestPredFreq;
1794   MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
1795   for (MachineBasicBlock *Pred : L.getHeader()->predecessors()) {
1796     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
1797       continue;
1798     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", has "
1799                       << Pred->succ_size() << " successors, ";
1800                MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
1801     if (Pred->succ_size() > 1)
1802       continue;
1803
1804     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
1805     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
1806         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
1807          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
1808       BestPred = Pred;
1809       BestPredFreq = PredFreq;
1810     }
1811   }
1812
1813   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
1814   if (!BestPred) {
1815     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    final top unchanged\n");
1816     return L.getHeader();
1817   }
1818
1819   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
1820   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
1821          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
1822          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
1823     BestPred = *BestPred->pred_begin();
1824
1825   LLVM_DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
1826   return BestPred;
1827 }
1828
1829 /// Find the best loop exiting block for layout.
1830 ///
1831 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
1832 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
1833 /// fallthrough opportunities.
1834 MachineBasicBlock *
1835 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(const MachineLoop &L,
1836                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1837   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
1838   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
1839   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
1840   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
1841   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
1842   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
1843   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
1844   // header and only rotate if safe.
1845   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1846   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1847     return nullptr;
1848
1849   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
1850   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
1851   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
1852   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
1853   // fallthrough opportunities unless it selects such an exit. Keep a set of
1854   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
1855   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
1856
1857   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: "
1858                     << getBlockName(L.getHeader()) << "\n");
1859   for (MachineBasicBlock *MBB : L.getBlocks()) {
1860     BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1861     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
1862     // mid-way through an inner loop or a successor of an unanalyzable branch.
1863     if (MBB != *std::prev(Chain.end()))
1864       continue;
1865
1866     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
1867     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
1868     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
1869     // successor isn't found.
1870     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
1871     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
1872     bool HasLoopingSucc = false;
1873     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
1874       if (Succ->isEHPad())
1875         continue;
1876       if (Succ == MBB)
1877         continue;
1878       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1879       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
1880       if (&Chain == &SuccChain) {
1881         LLVM_DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1882                           << getBlockName(Succ) << " (chain conflict)\n");
1883         continue;
1884       }
1885
1886       auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(MBB, Succ);
1887       if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
1888         LLVM_DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1889                           << getBlockName(Succ) << " (" << SuccProb << ")\n");
1890         HasLoopingSucc = true;
1891         continue;
1892       }
1893
1894       unsigned SuccLoopDepth = 0;
1895       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
1896         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
1897         if (ExitLoop->contains(&L))
1898           BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
1899       }
1900
1901       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB) * SuccProb;
1902       LLVM_DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1903                         << getBlockName(Succ) << " [L:" << SuccLoopDepth
1904                         << "] (";
1905                  MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
1906       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
1907       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
1908       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
1909       // the layout.
1910       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
1911       if (!ExitingBB || SuccLoopDepth > BestExitLoopDepth ||
1912           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
1913           (MBB->isLayoutSuccessor(Succ) &&
1914            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
1915         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
1916         ExitingBB = MBB;
1917       }
1918     }
1919
1920     if (!HasLoopingSucc) {
1921       // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
1922       ExitingBB = OldExitingBB;
1923       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
1924     }
1925   }
1926   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
1927   // loop, just use the loop header to layout the loop.
1928   if (!ExitingBB) {
1929     LLVM_DEBUG(
1930         dbgs() << "    No other candidate exit blocks, using loop header\n");
1931     return nullptr;
1932   }
1933   if (L.getNumBlocks() == 1) {
1934     LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Loop has 1 block, using loop header as exit\n");
1935     return nullptr;
1936   }
1937
1938   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
1939   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
1940   // rotation altogether.
1941   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
1942       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
1943     return nullptr;
1944
1945   LLVM_DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB)
1946                     << "\n");
1947   return ExitingBB;
1948 }
1949
1950 /// Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
1951 ///
1952 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
1953 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
1954 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
1955 /// of its bottom already, don't rotate it.
1956 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
1957                                        const MachineBasicBlock *ExitingBB,
1958                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1959   if (!ExitingBB)
1960     return;
1961
1962   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
1963   MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
1964
1965   // If ExitingBB is already the last one in a chain then nothing to do.
1966   if (Bottom == ExitingBB)
1967     return;
1968
1969   bool ViableTopFallthrough = false;
1970   for (MachineBasicBlock *Pred : Top->predecessors()) {
1971     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
1972     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
1973         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
1974       ViableTopFallthrough = true;
1975       break;
1976     }
1977   }
1978
1979   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
1980   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
1981   // introduce an unnecessary branch.
1982   if (ViableTopFallthrough) {
1983     for (MachineBasicBlock *Succ : Bottom->successors()) {
1984       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1985       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
1986           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin()))
1987         return;
1988     }
1989   }
1990
1991   BlockChain::iterator ExitIt = llvm::find(LoopChain, ExitingBB);
1992   if (ExitIt == LoopChain.end())
1993     return;
1994
1995   // Rotating a loop exit to the bottom when there is a fallthrough to top
1996   // trades the entry fallthrough for an exit fallthrough.
1997   // If there is no bottom->top edge, but the chosen exit block does have
1998   // a fallthrough, we break that fallthrough for nothing in return.
1999
2000   // Let's consider an example. We have a built chain of basic blocks
2001   // B1, B2, ..., Bn, where Bk is a ExitingBB - chosen exit block.
2002   // By doing a rotation we get
2003   // Bk+1, ..., Bn, B1, ..., Bk
2004   // Break of fallthrough to B1 is compensated by a fallthrough from Bk.
2005   // If we had a fallthrough Bk -> Bk+1 it is broken now.
2006   // It might be compensated by fallthrough Bn -> B1.
2007   // So we have a condition to avoid creation of extra branch by loop rotation.
2008   // All below must be true to avoid loop rotation:
2009   //   If there is a fallthrough to top (B1)
2010   //   There was fallthrough from chosen exit block (Bk) to next one (Bk+1)
2011   //   There is no fallthrough from bottom (Bn) to top (B1).
2012   // Please note that there is no exit fallthrough from Bn because we checked it
2013   // above.
2014   if (ViableTopFallthrough) {
2015     assert(std::next(ExitIt) != LoopChain.end() &&
2016            "Exit should not be last BB");
2017     MachineBasicBlock *NextBlockInChain = *std::next(ExitIt);
2018     if (ExitingBB->isSuccessor(NextBlockInChain))
2019       if (!Bottom->isSuccessor(Top))
2020         return;
2021   }
2022
2023   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Rotating loop to put exit " << getBlockName(ExitingBB)
2024                     << " at bottom\n");
2025   std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
2026 }
2027
2028 /// Attempt to rotate a loop based on profile data to reduce branch cost.
2029 ///
2030 /// With profile data, we can determine the cost in terms of missed fall through
2031 /// opportunities when rotating a loop chain and select the best rotation.
2032 /// Basically, there are three kinds of cost to consider for each rotation:
2033 ///    1. The possibly missed fall through edge (if it exists) from BB out of
2034 ///    the loop to the loop header.
2035 ///    2. The possibly missed fall through edges (if they exist) from the loop
2036 ///    exits to BB out of the loop.
2037 ///    3. The missed fall through edge (if it exists) from the last BB to the
2038 ///    first BB in the loop chain.
2039 ///  Therefore, the cost for a given rotation is the sum of costs listed above.
2040 ///  We select the best rotation with the smallest cost.
2041 void MachineBlockPlacement::rotateLoopWithProfile(
2042     BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
2043     const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
2044   auto HeaderBB = L.getHeader();
2045   auto HeaderIter = llvm::find(LoopChain, HeaderBB);
2046   auto RotationPos = LoopChain.end();
2047
2048   BlockFrequency SmallestRotationCost = BlockFrequency::getMaxFrequency();
2049
2050   // A utility lambda that scales up a block frequency by dividing it by a
2051   // branch probability which is the reciprocal of the scale.
2052   auto ScaleBlockFrequency = [](BlockFrequency Freq,
2053                                 unsigned Scale) -> BlockFrequency {
2054     if (Scale == 0)
2055       return 0;
2056     // Use operator / between BlockFrequency and BranchProbability to implement
2057     // saturating multiplication.
2058     return Freq / BranchProbability(1, Scale);
2059   };
2060
2061   // Compute the cost of the missed fall-through edge to the loop header if the
2062   // chain head is not the loop header. As we only consider natural loops with
2063   // single header, this computation can be done only once.
2064   BlockFrequency HeaderFallThroughCost(0);
2065   for (auto *Pred : HeaderBB->predecessors()) {
2066     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
2067     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
2068         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
2069       auto EdgeFreq =
2070           MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, HeaderBB);
2071       auto FallThruCost = ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, MisfetchCost);
2072       // If the predecessor has only an unconditional jump to the header, we
2073       // need to consider the cost of this jump.
2074       if (Pred->succ_size() == 1)
2075         FallThruCost += ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, JumpInstCost);
2076       HeaderFallThroughCost = std::max(HeaderFallThroughCost, FallThruCost);
2077     }
2078   }
2079
2080   // Here we collect all exit blocks in the loop, and for each exit we find out
2081   // its hottest exit edge. For each loop rotation, we define the loop exit cost
2082   // as the sum of frequencies of exit edges we collect here, excluding the exit
2083   // edge from the tail of the loop chain.
2084   SmallVector<std::pair<MachineBasicBlock *, BlockFrequency>, 4> ExitsWithFreq;
2085   for (auto BB : LoopChain) {
2086     auto LargestExitEdgeProb = BranchProbability::getZero();
2087     for (auto *Succ : BB->successors()) {
2088       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
2089       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
2090           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin())) {
2091         auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
2092         LargestExitEdgeProb = std::max(LargestExitEdgeProb, SuccProb);
2093       }
2094     }
2095     if (LargestExitEdgeProb > BranchProbability::getZero()) {
2096       auto ExitFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * LargestExitEdgeProb;
2097       ExitsWithFreq.emplace_back(BB, ExitFreq);
2098     }
2099   }
2100
2101   // In this loop we iterate every block in the loop chain and calculate the
2102   // cost assuming the block is the head of the loop chain. When the loop ends,
2103   // we should have found the best candidate as the loop chain's head.
2104   for (auto Iter = LoopChain.begin(), TailIter = std::prev(LoopChain.end()),
2105             EndIter = LoopChain.end();
2106        Iter != EndIter; Iter++, TailIter++) {
2107     // TailIter is used to track the tail of the loop chain if the block we are
2108     // checking (pointed by Iter) is the head of the chain.
2109     if (TailIter == LoopChain.end())
2110       TailIter = LoopChain.begin();
2111
2112     auto TailBB = *TailIter;
2113
2114     // Calculate the cost by putting this BB to the top.
2115     BlockFrequency Cost = 0;
2116
2117     // If the current BB is the loop header, we need to take into account the
2118     // cost of the missed fall through edge from outside of the loop to the
2119     // header.
2120     if (Iter != HeaderIter)
2121       Cost += HeaderFallThroughCost;
2122
2123     // Collect the loop exit cost by summing up frequencies of all exit edges
2124     // except the one from the chain tail.
2125     for (auto &ExitWithFreq : ExitsWithFreq)
2126       if (TailBB != ExitWithFreq.first)
2127         Cost += ExitWithFreq.second;
2128
2129     // The cost of breaking the once fall-through edge from the tail to the top
2130     // of the loop chain. Here we need to consider three cases:
2131     // 1. If the tail node has only one successor, then we will get an
2132     //    additional jmp instruction. So the cost here is (MisfetchCost +
2133     //    JumpInstCost) * tail node frequency.
2134     // 2. If the tail node has two successors, then we may still get an
2135     //    additional jmp instruction if the layout successor after the loop
2136     //    chain is not its CFG successor. Note that the more frequently executed
2137     //    jmp instruction will be put ahead of the other one. Assume the
2138     //    frequency of those two branches are x and y, where x is the frequency
2139     //    of the edge to the chain head, then the cost will be
2140     //    (x * MisfetechCost + min(x, y) * JumpInstCost) * tail node frequency.
2141     // 3. If the tail node has more than two successors (this rarely happens),
2142     //    we won't consider any additional cost.
2143     if (TailBB->isSuccessor(*Iter)) {
2144       auto TailBBFreq = MBFI->getBlockFreq(TailBB);
2145       if (TailBB->succ_size() == 1)
2146         Cost += ScaleBlockFrequency(TailBBFreq.getFrequency(),
2147                                     MisfetchCost + JumpInstCost);
2148       else if (TailBB->succ_size() == 2) {
2149         auto TailToHeadProb = MBPI->getEdgeProbability(TailBB, *Iter);
2150         auto TailToHeadFreq = TailBBFreq * TailToHeadProb;
2151         auto ColderEdgeFreq = TailToHeadProb > BranchProbability(1, 2)
2152                                   ? TailBBFreq * TailToHeadProb.getCompl()
2153                                   : TailToHeadFreq;
2154         Cost += ScaleBlockFrequency(TailToHeadFreq, MisfetchCost) +
2155                 ScaleBlockFrequency(ColderEdgeFreq, JumpInstCost);
2156       }
2157     }
2158
2159     LLVM_DEBUG(dbgs() << "The cost of loop rotation by making "
2160                       << getBlockName(*Iter)
2161                       << " to the top: " << Cost.getFrequency() << "\n");
2162
2163     if (Cost < SmallestRotationCost) {
2164       SmallestRotationCost = Cost;
2165       RotationPos = Iter;
2166     }
2167   }
2168
2169   if (RotationPos != LoopChain.end()) {
2170     LLVM_DEBUG(dbgs() << "Rotate loop by making " << getBlockName(*RotationPos)
2171                       << " to the top\n");
2172     std::rotate(LoopChain.begin(), RotationPos, LoopChain.end());
2173   }
2174 }
2175
2176 /// Collect blocks in the given loop that are to be placed.
2177 ///
2178 /// When profile data is available, exclude cold blocks from the returned set;
2179 /// otherwise, collect all blocks in the loop.
2180 MachineBlockPlacement::BlockFilterSet
2181 MachineBlockPlacement::collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L) {
2182   BlockFilterSet LoopBlockSet;
2183
2184   // Filter cold blocks off from LoopBlockSet when profile data is available.
2185   // Collect the sum of frequencies of incoming edges to the loop header from
2186   // outside. If we treat the loop as a super block, this is the frequency of
2187   // the loop. Then for each block in the loop, we calculate the ratio between
2188   // its frequency and the frequency of the loop block. When it is too small,
2189   // don't add it to the loop chain. If there are outer loops, then this block
2190   // will be merged into the first outer loop chain for which this block is not
2191   // cold anymore. This needs precise profile data and we only do this when
2192   // profile data is available.
2193   if (F->getFunction().hasProfileData() || ForceLoopColdBlock) {
2194     BlockFrequency LoopFreq(0);
2195     for (auto LoopPred : L.getHeader()->predecessors())
2196       if (!L.contains(LoopPred))
2197         LoopFreq += MBFI->getBlockFreq(LoopPred) *
2198                     MBPI->getEdgeProbability(LoopPred, L.getHeader());
2199
2200     for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
2201       auto Freq = MBFI->getBlockFreq(LoopBB).getFrequency();
2202       if (Freq == 0 || LoopFreq.getFrequency() / Freq > LoopToColdBlockRatio)
2203         continue;
2204       LoopBlockSet.insert(LoopBB);
2205     }
2206   } else
2207     LoopBlockSet.insert(L.block_begin(), L.block_end());
2208
2209   return LoopBlockSet;
2210 }
2211
2212 /// Forms basic block chains from the natural loop structures.
2213 ///
2214 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
2215 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
2216 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
2217 /// branches.
2218 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(const MachineLoop &L) {
2219   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
2220   // loops.
2221   for (const MachineLoop *InnerLoop : L)
2222     buildLoopChains(*InnerLoop);
2223
2224   assert(BlockWorkList.empty() &&
2225          "BlockWorkList not empty when starting to build loop chains.");
2226   assert(EHPadWorkList.empty() &&
2227          "EHPadWorkList not empty when starting to build loop chains.");
2228   BlockFilterSet LoopBlockSet = collectLoopBlockSet(L);
2229
2230   // Check if we have profile data for this function. If yes, we will rotate
2231   // this loop by modeling costs more precisely which requires the profile data
2232   // for better layout.
2233   bool RotateLoopWithProfile =
2234       ForcePreciseRotationCost ||
2235       (PreciseRotationCost && F->getFunction().hasProfileData());
2236
2237   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
2238   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
2239   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
2240   // fewer branches in the loop body.
2241   // When we use profile data to rotate the loop, this is unnecessary.
2242   MachineBasicBlock *LoopTop =
2243       RotateLoopWithProfile ? L.getHeader() : findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
2244
2245   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
2246   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
2247   // branches by placing an exit edge at the bottom.
2248   //
2249   // Loops are processed innermost to uttermost, make sure we clear
2250   // PreferredLoopExit before processing a new loop.
2251   PreferredLoopExit = nullptr;
2252   if (!RotateLoopWithProfile && LoopTop == L.getHeader())
2253     PreferredLoopExit = findBestLoopExit(L, LoopBlockSet);
2254
2255   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
2256
2257   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
2258   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
2259   // twice.
2260   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2261   assert(LoopChain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
2262          "LoopChain should not have unscheduled predecessors.");
2263   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
2264
2265   for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2266     fillWorkLists(LoopBB, UpdatedPreds, &LoopBlockSet);
2267
2268   buildChain(LoopTop, LoopChain, &LoopBlockSet);
2269
2270   if (RotateLoopWithProfile)
2271     rotateLoopWithProfile(LoopChain, L, LoopBlockSet);
2272   else
2273     rotateLoop(LoopChain, PreferredLoopExit, LoopBlockSet);
2274
2275   LLVM_DEBUG({
2276     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2277     bool BadLoop = false;
2278     if (LoopChain.UnscheduledPredecessors) {
2279       BadLoop = true;
2280       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
2281              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2282              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
2283     }
2284     for (MachineBasicBlock *ChainBB : LoopChain) {
2285       dbgs() << "          ... " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2286       if (!LoopBlockSet.remove(ChainBB)) {
2287         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
2288         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
2289         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
2290         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
2291                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2292                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2293                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2294       }
2295     }
2296
2297     if (!LoopBlockSet.empty()) {
2298       BadLoop = true;
2299       for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2300         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
2301                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2302                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2303                << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
2304     }
2305     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
2306   });
2307
2308   BlockWorkList.clear();
2309   EHPadWorkList.clear();
2310 }
2311
2312 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains() {
2313   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
2314   // the assumptions of the remaining algorithm.
2315   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2316   for (MachineFunction::iterator FI = F->begin(), FE = F->end(); FI != FE;
2317        ++FI) {
2318     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
2319     BlockChain *Chain =
2320         new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
2321     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
2322     // the exact fallthrough behavior for.
2323     while (true) {
2324       Cond.clear();
2325       MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2326       if (!TII->analyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
2327         break;
2328
2329       MachineFunction::iterator NextFI = std::next(FI);
2330       MachineBasicBlock *NextBB = &*NextFI;
2331       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
2332       // fallthrough is a possibility.
2333       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
2334       LLVM_DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
2335                         << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
2336                         << "\n");
2337       Chain->merge(NextBB, nullptr);
2338 #ifndef NDEBUG
2339       BlocksWithUnanalyzableExits.insert(&*BB);
2340 #endif
2341       FI = NextFI;
2342       BB = NextBB;
2343     }
2344   }
2345
2346   // Build any loop-based chains.
2347   PreferredLoopExit = nullptr;
2348   for (MachineLoop *L : *MLI)
2349     buildLoopChains(*L);
2350
2351   assert(BlockWorkList.empty() &&
2352          "BlockWorkList should be empty before building final chain.");
2353   assert(EHPadWorkList.empty() &&
2354          "EHPadWorkList should be empty before building final chain.");
2355
2356   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2357   for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2358     fillWorkLists(&MBB, UpdatedPreds);
2359
2360   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2361   buildChain(&F->front(), FunctionChain);
2362
2363 #ifndef NDEBUG
2364   using FunctionBlockSetType = SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16>;
2365 #endif
2366   LLVM_DEBUG({
2367     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2368     bool BadFunc = false;
2369     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
2370     for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2371       FunctionBlockSet.insert(&MBB);
2372
2373     for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
2374       if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
2375         BadFunc = true;
2376         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
2377                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2378       }
2379
2380     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
2381       BadFunc = true;
2382       for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
2383         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
2384                << "  Bad block:    " << getBlockName(RemainingBB) << "\n";
2385     }
2386     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
2387   });
2388
2389   // Splice the blocks into place.
2390   MachineFunction::iterator InsertPos = F->begin();
2391   LLVM_DEBUG(dbgs() << "[MBP] Function: " << F->getName() << "\n");
2392   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2393     LLVM_DEBUG(dbgs() << (ChainBB == *FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
2394                                                             : "          ... ")
2395                       << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2396     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(ChainBB))
2397       F->splice(InsertPos, ChainBB);
2398     else
2399       ++InsertPos;
2400
2401     // Update the terminator of the previous block.
2402     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2403       continue;
2404     MachineBasicBlock *PrevBB = &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2405
2406     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
2407     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
2408     // boiler plate.
2409     Cond.clear();
2410     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2411
2412 #ifndef NDEBUG
2413     if (!BlocksWithUnanalyzableExits.count(PrevBB)) {
2414       // Given the exact block placement we chose, we may actually not _need_ to
2415       // be able to edit PrevBB's terminator sequence, but not being _able_ to
2416       // do that at this point is a bug.
2417       assert((!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond) ||
2418               !PrevBB->canFallThrough()) &&
2419              "Unexpected block with un-analyzable fallthrough!");
2420       Cond.clear();
2421       TBB = FBB = nullptr;
2422     }
2423 #endif
2424
2425     // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
2426     //   o. it may fall-through to a block without explicit "goto" instruction
2427     //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or
2428     //   o. just opposite.
2429     //
2430     // analyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
2431     // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set NULL;
2432     // for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL, is
2433     // mistakenly pointing to "*BI".
2434     // Thus, if the future change needs to use FBB before the layout is set, it
2435     // has to correct FBB first by using the code similar to the following:
2436     //
2437     // if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == ChainBB)) {
2438     //   PrevBB->updateTerminator();
2439     //   Cond.clear();
2440     //   TBB = FBB = nullptr;
2441     //   if (TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
2442     //     // FIXME: This should never take place.
2443     //     TBB = FBB = nullptr;
2444     //   }
2445     // }
2446     if (!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond))
2447       PrevBB->updateTerminator();
2448   }
2449
2450   // Fixup the last block.
2451   Cond.clear();
2452   MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2453   if (!TII->analyzeBranch(F->back(), TBB, FBB, Cond))
2454     F->back().updateTerminator();
2455
2456   BlockWorkList.clear();
2457   EHPadWorkList.clear();
2458 }
2459
2460 void MachineBlockPlacement::optimizeBranches() {
2461   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2462   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2463
2464   // Now that all the basic blocks in the chain have the proper layout,
2465   // make a final call to AnalyzeBranch with AllowModify set.
2466   // Indeed, the target may be able to optimize the branches in a way we
2467   // cannot because all branches may not be analyzable.
2468   // E.g., the target may be able to remove an unconditional branch to
2469   // a fallthrough when it occurs after predicated terminators.
2470   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2471     Cond.clear();
2472     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2473     if (!TII->analyzeBranch(*ChainBB, TBB, FBB, Cond, /*AllowModify*/ true)) {
2474       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
2475       // such that we branch to the successor with higher probability first.
2476       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
2477           MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) >
2478               MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) &&
2479           !TII->reverseBranchCondition(Cond)) {
2480         LLVM_DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
2481                           << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2482         LLVM_DEBUG(dbgs() << "    Edge probability: "
2483                           << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) << " vs "
2484                           << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) << "\n");
2485         DebugLoc dl; // FIXME: this is nowhere
2486         TII->removeBranch(*ChainBB);
2487         TII->insertBranch(*ChainBB, FBB, TBB, Cond, dl);
2488         ChainBB->updateTerminator();
2489       }
2490     }
2491   }
2492 }
2493
2494 void MachineBlockPlacement::alignBlocks() {
2495   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
2496   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
2497   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
2498   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
2499   // loop rotations done during this layout pass.
2500   if (F->getFunction().optForSize())
2501     return;
2502   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2503   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
2504     return; // Empty chain.
2505
2506   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
2507   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(&F->front());
2508   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
2509   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2510     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2511       continue;
2512
2513     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
2514     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
2515     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
2516     // rotated loops.
2517     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(ChainBB);
2518     if (!L)
2519       continue;
2520
2521     unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
2522     if (!Align)
2523       continue; // Don't care about loop alignment.
2524
2525     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
2526     // aligning it.
2527     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(ChainBB);
2528     if (Freq < WeightedEntryFreq)
2529       continue;
2530
2531     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
2532     // regardless of what edges into the block exist.
2533     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2534     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
2535     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
2536       continue;
2537
2538     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
2539     // from aligning this block.
2540     MachineBasicBlock *LayoutPred =
2541         &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2542
2543     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
2544     // that the block isn't cold above.
2545     if (!LayoutPred->isSuccessor(ChainBB)) {
2546       ChainBB->setAlignment(Align);
2547       continue;
2548     }
2549
2550     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
2551     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
2552     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
2553     // important.
2554     BranchProbability LayoutProb =
2555         MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, ChainBB);
2556     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
2557     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
2558       ChainBB->setAlignment(Align);
2559   }
2560 }
2561
2562 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable, repeating if
2563 /// it was duplicated into its chain predecessor and removed.
2564 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated.
2565 ///
2566 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB.
2567 ///            Updated to be the chain end if LPred is removed.
2568 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2569 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2570 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2571 ///                  counts.
2572 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2573 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2574 ///                          only needed if \p BB is removed and
2575 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2576 /// @return true if \p BB was removed.
2577 bool MachineBlockPlacement::repeatedlyTailDuplicateBlock(
2578     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
2579     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
2580     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2581     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt) {
2582   bool Removed, DuplicatedToLPred;
2583   bool DuplicatedToOriginalLPred;
2584   Removed = maybeTailDuplicateBlock(BB, LPred, Chain, BlockFilter,
2585                                     PrevUnplacedBlockIt,
2586                                     DuplicatedToLPred);
2587   if (!Removed)
2588     return false;
2589   DuplicatedToOriginalLPred = DuplicatedToLPred;
2590   // Iteratively try to duplicate again. It can happen that a block that is
2591   // duplicated into is still small enough to be duplicated again.
2592   // No need to call markBlockSuccessors in this case, as the blocks being
2593   // duplicated from here on are already scheduled.
2594   // Note that DuplicatedToLPred always implies Removed.
2595   while (DuplicatedToLPred) {
2596     assert(Removed && "Block must have been removed to be duplicated into its "
2597            "layout predecessor.");
2598     MachineBasicBlock *DupBB, *DupPred;
2599     // The removal callback causes Chain.end() to be updated when a block is
2600     // removed. On the first pass through the loop, the chain end should be the
2601     // same as it was on function entry. On subsequent passes, because we are
2602     // duplicating the block at the end of the chain, if it is removed the
2603     // chain will have shrunk by one block.
2604     BlockChain::iterator ChainEnd = Chain.end();
2605     DupBB = *(--ChainEnd);
2606     // Now try to duplicate again.
2607     if (ChainEnd == Chain.begin())
2608       break;
2609     DupPred = *std::prev(ChainEnd);
2610     Removed = maybeTailDuplicateBlock(DupBB, DupPred, Chain, BlockFilter,
2611                                       PrevUnplacedBlockIt,
2612                                       DuplicatedToLPred);
2613   }
2614   // If BB was duplicated into LPred, it is now scheduled. But because it was
2615   // removed, markChainSuccessors won't be called for its chain. Instead we
2616   // call markBlockSuccessors for LPred to achieve the same effect. This must go
2617   // at the end because repeating the tail duplication can increase the number
2618   // of unscheduled predecessors.
2619   LPred = *std::prev(Chain.end());
2620   if (DuplicatedToOriginalLPred)
2621     markBlockSuccessors(Chain, LPred, LoopHeaderBB, BlockFilter);
2622   return true;
2623 }
2624
2625 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable.
2626 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated
2627 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB
2628 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2629 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2630 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2631 ///                  counts.
2632 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2633 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2634 ///                          only needed if \p BB is removed and
2635 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2636 /// \p DuplicatedToLPred - True if the block was duplicated into LPred. Will
2637 ///                        only be true if the block was removed.
2638 /// \return  - True if the block was duplicated into all preds and removed.
2639 bool MachineBlockPlacement::maybeTailDuplicateBlock(
2640     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
2641     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2642     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
2643     bool &DuplicatedToLPred) {
2644   DuplicatedToLPred = false;
2645   if (!shouldTailDuplicate(BB))
2646     return false;
2647
2648   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Redoing tail duplication for Succ#" << BB->getNumber()
2649                     << "\n");
2650
2651   // This has to be a callback because none of it can be done after
2652   // BB is deleted.
2653   bool Removed = false;
2654   auto RemovalCallback =
2655       [&](MachineBasicBlock *RemBB) {
2656         // Signal to outer function
2657         Removed = true;
2658
2659         // Conservative default.
2660         bool InWorkList = true;
2661         // Remove from the Chain and Chain Map
2662         if (BlockToChain.count(RemBB)) {
2663           BlockChain *Chain = BlockToChain[RemBB];
2664           InWorkList = Chain->UnscheduledPredecessors == 0;
2665           Chain->remove(RemBB);
2666           BlockToChain.erase(RemBB);
2667         }
2668
2669         // Handle the unplaced block iterator
2670         if (&(*PrevUnplacedBlockIt) == RemBB) {
2671           PrevUnplacedBlockIt++;
2672         }
2673
2674         // Handle the Work Lists
2675         if (InWorkList) {
2676           SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &RemoveList = BlockWorkList;
2677           if (RemBB->isEHPad())
2678             RemoveList = EHPadWorkList;
2679           RemoveList.erase(
2680               llvm::remove_if(RemoveList,
2681                               [RemBB](MachineBasicBlock *BB) {
2682                                 return BB == RemBB;
2683                               }),
2684               RemoveList.end());
2685         }
2686
2687         // Handle the filter set
2688         if (BlockFilter) {
2689           BlockFilter->remove(RemBB);
2690         }
2691
2692         // Remove the block from loop info.
2693         MLI->removeBlock(RemBB);
2694         if (RemBB == PreferredLoopExit)
2695           PreferredLoopExit = nullptr;
2696
2697         LLVM_DEBUG(dbgs() << "TailDuplicator deleted block: "
2698                           << getBlockName(RemBB) << "\n");
2699       };
2700   auto RemovalCallbackRef =
2701       function_ref<void(MachineBasicBlock*)>(RemovalCallback);
2702
2703   SmallVector<MachineBasicBlock *, 8> DuplicatedPreds;
2704   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
2705   TailDup.tailDuplicateAndUpdate(IsSimple, BB, LPred,
2706                                  &DuplicatedPreds, &RemovalCallbackRef);
2707
2708   // Update UnscheduledPredecessors to reflect tail-duplication.
2709   DuplicatedToLPred = false;
2710   for (MachineBasicBlock *Pred : DuplicatedPreds) {
2711     // We're only looking for unscheduled predecessors that match the filter.
2712     BlockChain* PredChain = BlockToChain[Pred];
2713     if (Pred == LPred)
2714       DuplicatedToLPred = true;
2715     if (Pred == LPred || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
2716         || PredChain == &Chain)
2717       continue;
2718     for (MachineBasicBlock *NewSucc : Pred->successors()) {
2719       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(NewSucc))
2720         continue;
2721       BlockChain *NewChain = BlockToChain[NewSucc];
2722       if (NewChain != &Chain && NewChain != PredChain)
2723         NewChain->UnscheduledPredecessors++;
2724     }
2725   }
2726   return Removed;
2727 }
2728
2729 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
2730   if (skipFunction(MF.getFunction()))
2731     return false;
2732
2733   // Check for single-block functions and skip them.
2734   if (std::next(MF.begin()) == MF.end())
2735     return false;
2736
2737   F = &MF;
2738   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2739   MBFI = llvm::make_unique<BranchFolder::MBFIWrapper>(
2740       getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>());
2741   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
2742   TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
2743   TLI = MF.getSubtarget().getTargetLowering();
2744   MPDT = nullptr;
2745
2746   // Initialize PreferredLoopExit to nullptr here since it may never be set if
2747   // there are no MachineLoops.
2748   PreferredLoopExit = nullptr;
2749
2750   assert(BlockToChain.empty() &&
2751          "BlockToChain map should be empty before starting placement.");
2752   assert(ComputedEdges.empty() &&
2753          "Computed Edge map should be empty before starting placement.");
2754
2755   unsigned TailDupSize = TailDupPlacementThreshold;
2756   // If only the aggressive threshold is explicitly set, use it.
2757   if (TailDupPlacementAggressiveThreshold.getNumOccurrences() != 0 &&
2758       TailDupPlacementThreshold.getNumOccurrences() == 0)
2759     TailDupSize = TailDupPlacementAggressiveThreshold;
2760
2761   TargetPassConfig *PassConfig = &getAnalysis<TargetPassConfig>();
2762   // For aggressive optimization, we can adjust some thresholds to be less
2763   // conservative.
2764   if (PassConfig->getOptLevel() >= CodeGenOpt::Aggressive) {
2765     // At O3 we should be more willing to copy blocks for tail duplication. This
2766     // increases size pressure, so we only do it at O3
2767     // Do this unless only the regular threshold is explicitly set.
2768     if (TailDupPlacementThreshold.getNumOccurrences() == 0 ||
2769         TailDupPlacementAggressiveThreshold.getNumOccurrences() != 0)
2770       TailDupSize = TailDupPlacementAggressiveThreshold;
2771   }
2772
2773   if (allowTailDupPlacement()) {
2774     MPDT = &getAnalysis<MachinePostDominatorTree>();
2775     if (MF.getFunction().optForSize())
2776       TailDupSize = 1;
2777     bool PreRegAlloc = false;
2778     TailDup.initMF(MF, PreRegAlloc, MBPI, /* LayoutMode */ true, TailDupSize);
2779     precomputeTriangleChains();
2780   }
2781
2782   buildCFGChains();
2783
2784   // Changing the layout can create new tail merging opportunities.
2785   // TailMerge can create jump into if branches that make CFG irreducible for
2786   // HW that requires structured CFG.
2787   bool EnableTailMerge = !MF.getTarget().requiresStructuredCFG() &&
2788                          PassConfig->getEnableTailMerge() &&
2789                          BranchFoldPlacement;
2790   // No tail merging opportunities if the block number is less than four.
2791   if (MF.size() > 3 && EnableTailMerge) {
2792     unsigned TailMergeSize = TailDupSize + 1;
2793     BranchFolder BF(/*EnableTailMerge=*/true, /*CommonHoist=*/false, *MBFI,
2794                     *MBPI, TailMergeSize);
2795
2796     if (BF.OptimizeFunction(MF, TII, MF.getSubtarget().getRegisterInfo(),
2797                             getAnalysisIfAvailable<MachineModuleInfo>(), MLI,
2798                             /*AfterBlockPlacement=*/true)) {
2799       // Redo the layout if tail merging creates/removes/moves blocks.
2800       BlockToChain.clear();
2801       ComputedEdges.clear();
2802       // Must redo the post-dominator tree if blocks were changed.
2803       if (MPDT)
2804         MPDT->runOnMachineFunction(MF);
2805       ChainAllocator.DestroyAll();
2806       buildCFGChains();
2807     }
2808   }
2809
2810   optimizeBranches();
2811   alignBlocks();
2812
2813   BlockToChain.clear();
2814   ComputedEdges.clear();
2815   ChainAllocator.DestroyAll();
2816
2817   if (AlignAllBlock)
2818     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
2819     for (MachineBasicBlock &MBB : MF)
2820       MBB.setAlignment(AlignAllBlock);
2821   else if (AlignAllNonFallThruBlocks) {
2822     // Align all of the blocks that have no fall-through predecessors to a
2823     // specific alignment.
2824     for (auto MBI = std::next(MF.begin()), MBE = MF.end(); MBI != MBE; ++MBI) {
2825       auto LayoutPred = std::prev(MBI);
2826       if (!LayoutPred->isSuccessor(&*MBI))
2827         MBI->setAlignment(AlignAllNonFallThruBlocks);
2828     }
2829   }
2830   if (ViewBlockLayoutWithBFI != GVDT_None &&
2831       (ViewBlockFreqFuncName.empty() ||
2832        F->getFunction().getName().equals(ViewBlockFreqFuncName))) {
2833     MBFI->view("MBP." + MF.getName(), false);
2834   }
2835
2836
2837   // We always return true as we have no way to track whether the final order
2838   // differs from the original order.
2839   return true;
2840 }
2841
2842 namespace {
2843
2844 /// A pass to compute block placement statistics.
2845 ///
2846 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
2847 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
2848 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
2849 /// alternative placement strategies.
2850 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
2851   /// A handle to the branch probability pass.
2852   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
2853
2854   /// A handle to the function-wide block frequency pass.
2855   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
2856
2857 public:
2858   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2859
2860   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
2861     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2862   }
2863
2864   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
2865
2866   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2867     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
2868     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
2869     AU.setPreservesAll();
2870     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
2871   }
2872 };
2873
2874 } // end anonymous namespace
2875
2876 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
2877
2878 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
2879
2880 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2881                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
2882 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
2883 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
2884 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2885                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
2886
2887 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
2888   // Check for single-block functions and skip them.
2889   if (std::next(F.begin()) == F.end())
2890     return false;
2891
2892   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2893   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
2894
2895   for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
2896     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(&MBB);
2897     Statistic &NumBranches =
2898         (MBB.succ_size() > 1) ? NumCondBranches : NumUncondBranches;
2899     Statistic &BranchTakenFreq =
2900         (MBB.succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq : UncondBranchTakenFreq;
2901     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB.successors()) {
2902       // Skip if this successor is a fallthrough.
2903       if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
2904         continue;
2905
2906       BlockFrequency EdgeFreq =
2907           BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
2908       ++NumBranches;
2909       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
2910     }
2911   }
2912
2913   return false;
2914 }