]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/CodeGen/MachineBlockPlacement.cpp
MFV r329710: 8966 Source file zfs_acl.c, function zfs_aclset_common contains a use...
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / lib / CodeGen / MachineBlockPlacement.cpp
1 //===- MachineBlockPlacement.cpp - Basic Block Code Layout optimization ---===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file implements basic block placement transformations using the CFG
11 // structure and branch probability estimates.
12 //
13 // The pass strives to preserve the structure of the CFG (that is, retain
14 // a topological ordering of basic blocks) in the absence of a *strong* signal
15 // to the contrary from probabilities. However, within the CFG structure, it
16 // attempts to choose an ordering which favors placing more likely sequences of
17 // blocks adjacent to each other.
18 //
19 // The algorithm works from the inner-most loop within a function outward, and
20 // at each stage walks through the basic blocks, trying to coalesce them into
21 // sequential chains where allowed by the CFG (or demanded by heavy
22 // probabilities). Finally, it walks the blocks in topological order, and the
23 // first time it reaches a chain of basic blocks, it schedules them in the
24 // function in-order.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #include "BranchFolding.h"
29 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
34 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
35 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
36 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfoImpl.h"
37 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
38 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
39 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
40 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
41 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
42 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
43 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
44 #include "llvm/CodeGen/MachinePostDominators.h"
45 #include "llvm/CodeGen/TailDuplicator.h"
46 #include "llvm/CodeGen/TargetInstrInfo.h"
47 #include "llvm/CodeGen/TargetLowering.h"
48 #include "llvm/CodeGen/TargetPassConfig.h"
49 #include "llvm/CodeGen/TargetSubtargetInfo.h"
50 #include "llvm/IR/DebugLoc.h"
51 #include "llvm/IR/Function.h"
52 #include "llvm/Pass.h"
53 #include "llvm/Support/Allocator.h"
54 #include "llvm/Support/BlockFrequency.h"
55 #include "llvm/Support/BranchProbability.h"
56 #include "llvm/Support/CodeGen.h"
57 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
58 #include "llvm/Support/Compiler.h"
59 #include "llvm/Support/Debug.h"
60 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
61 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
62 #include <algorithm>
63 #include <cassert>
64 #include <cstdint>
65 #include <iterator>
66 #include <memory>
67 #include <string>
68 #include <tuple>
69 #include <utility>
70 #include <vector>
71
72 using namespace llvm;
73
74 #define DEBUG_TYPE "block-placement"
75
76 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
77 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of unconditional branches");
78 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
79           "Potential frequency of taking conditional branches");
80 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
81           "Potential frequency of taking unconditional branches");
82
83 static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
84                                        cl::desc("Force the alignment of all "
85                                                 "blocks in the function."),
86                                        cl::init(0), cl::Hidden);
87
88 static cl::opt<unsigned> AlignAllNonFallThruBlocks(
89     "align-all-nofallthru-blocks",
90     cl::desc("Force the alignment of all "
91              "blocks that have no fall-through predecessors (i.e. don't add "
92              "nops that are executed)."),
93     cl::init(0), cl::Hidden);
94
95 // FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
96 static cl::opt<unsigned> ExitBlockBias(
97     "block-placement-exit-block-bias",
98     cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
99              "over the original exit to be considered the new exit."),
100     cl::init(0), cl::Hidden);
101
102 // Definition:
103 // - Outlining: placement of a basic block outside the chain or hot path.
104
105 static cl::opt<unsigned> LoopToColdBlockRatio(
106     "loop-to-cold-block-ratio",
107     cl::desc("Outline loop blocks from loop chain if (frequency of loop) / "
108              "(frequency of block) is greater than this ratio"),
109     cl::init(5), cl::Hidden);
110
111 static cl::opt<bool> ForceLoopColdBlock(
112     "force-loop-cold-block",
113     cl::desc("Force outlining cold blocks from loops."),
114     cl::init(false), cl::Hidden);
115
116 static cl::opt<bool>
117     PreciseRotationCost("precise-rotation-cost",
118                         cl::desc("Model the cost of loop rotation more "
119                                  "precisely by using profile data."),
120                         cl::init(false), cl::Hidden);
121
122 static cl::opt<bool>
123     ForcePreciseRotationCost("force-precise-rotation-cost",
124                              cl::desc("Force the use of precise cost "
125                                       "loop rotation strategy."),
126                              cl::init(false), cl::Hidden);
127
128 static cl::opt<unsigned> MisfetchCost(
129     "misfetch-cost",
130     cl::desc("Cost that models the probabilistic risk of an instruction "
131              "misfetch due to a jump comparing to falling through, whose cost "
132              "is zero."),
133     cl::init(1), cl::Hidden);
134
135 static cl::opt<unsigned> JumpInstCost("jump-inst-cost",
136                                       cl::desc("Cost of jump instructions."),
137                                       cl::init(1), cl::Hidden);
138 static cl::opt<bool>
139 TailDupPlacement("tail-dup-placement",
140               cl::desc("Perform tail duplication during placement. "
141                        "Creates more fallthrough opportunites in "
142                        "outline branches."),
143               cl::init(true), cl::Hidden);
144
145 static cl::opt<bool>
146 BranchFoldPlacement("branch-fold-placement",
147               cl::desc("Perform branch folding during placement. "
148                        "Reduces code size."),
149               cl::init(true), cl::Hidden);
150
151 // Heuristic for tail duplication.
152 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementThreshold(
153     "tail-dup-placement-threshold",
154     cl::desc("Instruction cutoff for tail duplication during layout. "
155              "Tail merging during layout is forced to have a threshold "
156              "that won't conflict."), cl::init(2),
157     cl::Hidden);
158
159 // Heuristic for aggressive tail duplication.
160 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementAggressiveThreshold(
161     "tail-dup-placement-aggressive-threshold",
162     cl::desc("Instruction cutoff for aggressive tail duplication during "
163              "layout. Used at -O3. Tail merging during layout is forced to "
164              "have a threshold that won't conflict."), cl::init(4),
165     cl::Hidden);
166
167 // Heuristic for tail duplication.
168 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementPenalty(
169     "tail-dup-placement-penalty",
170     cl::desc("Cost penalty for blocks that can avoid breaking CFG by copying. "
171              "Copying can increase fallthrough, but it also increases icache "
172              "pressure. This parameter controls the penalty to account for that. "
173              "Percent as integer."),
174     cl::init(2),
175     cl::Hidden);
176
177 // Heuristic for triangle chains.
178 static cl::opt<unsigned> TriangleChainCount(
179     "triangle-chain-count",
180     cl::desc("Number of triangle-shaped-CFG's that need to be in a row for the "
181              "triangle tail duplication heuristic to kick in. 0 to disable."),
182     cl::init(2),
183     cl::Hidden);
184
185 extern cl::opt<unsigned> StaticLikelyProb;
186 extern cl::opt<unsigned> ProfileLikelyProb;
187
188 // Internal option used to control BFI display only after MBP pass.
189 // Defined in CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.cpp:
190 // -view-block-layout-with-bfi=
191 extern cl::opt<GVDAGType> ViewBlockLayoutWithBFI;
192
193 // Command line option to specify the name of the function for CFG dump
194 // Defined in Analysis/BlockFrequencyInfo.cpp:  -view-bfi-func-name=
195 extern cl::opt<std::string> ViewBlockFreqFuncName;
196
197 namespace {
198
199 class BlockChain;
200
201 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
202 using BlockToChainMapType = DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *>;
203
204 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
205 ///
206 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
207 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
208 /// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
209 /// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
210 /// requirement for sequential layout.
211 ///
212 /// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
213 /// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
214 /// automatically as chains are merged together.
215 class BlockChain {
216   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
217   ///
218   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
219   /// out in-order within the function.
220   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
221
222   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
223   ///
224   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
225   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
226   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
227   /// structure.
228   BlockToChainMapType &BlockToChain;
229
230 public:
231   /// \brief Construct a new BlockChain.
232   ///
233   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
234   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
235   /// in with the BlockToChain mapping.
236   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
237       : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain) {
238     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
239     BlockToChain[BB] = this;
240   }
241
242   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
243   using iterator = SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator;
244   using const_iterator = SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::const_iterator;
245
246   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
247   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
248   const_iterator begin() const { return Blocks.begin(); }
249
250   /// \brief End of blocks within the chain.
251   iterator end() { return Blocks.end(); }
252   const_iterator end() const { return Blocks.end(); }
253
254   bool remove(MachineBasicBlock* BB) {
255     for(iterator i = begin(); i != end(); ++i) {
256       if (*i == BB) {
257         Blocks.erase(i);
258         return true;
259       }
260     }
261     return false;
262   }
263
264   /// \brief Merge a block chain into this one.
265   ///
266   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
267   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
268   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
269   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
270   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
271     assert(BB && "Can't merge a null block.");
272     assert(!Blocks.empty() && "Can't merge into an empty chain.");
273
274     // Fast path in case we don't have a chain already.
275     if (!Chain) {
276       assert(!BlockToChain[BB] &&
277              "Passed chain is null, but BB has entry in BlockToChain.");
278       Blocks.push_back(BB);
279       BlockToChain[BB] = this;
280       return;
281     }
282
283     assert(BB == *Chain->begin() && "Passed BB is not head of Chain.");
284     assert(Chain->begin() != Chain->end());
285
286     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
287     // chain structure.
288     for (MachineBasicBlock *ChainBB : *Chain) {
289       Blocks.push_back(ChainBB);
290       assert(BlockToChain[ChainBB] == Chain && "Incoming blocks not in chain.");
291       BlockToChain[ChainBB] = this;
292     }
293   }
294
295 #ifndef NDEBUG
296   /// \brief Dump the blocks in this chain.
297   LLVM_DUMP_METHOD void dump() {
298     for (MachineBasicBlock *MBB : *this)
299       MBB->dump();
300   }
301 #endif // NDEBUG
302
303   /// \brief Count of predecessors of any block within the chain which have not
304   /// yet been scheduled.  In general, we will delay scheduling this chain
305   /// until those predecessors are scheduled (or we find a sufficiently good
306   /// reason to override this heuristic.)  Note that when forming loop chains,
307   /// blocks outside the loop are ignored and treated as if they were already
308   /// scheduled.
309   ///
310   /// Note: This field is reinitialized multiple times - once for each loop,
311   /// and then once for the function as a whole.
312   unsigned UnscheduledPredecessors = 0;
313 };
314
315 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
316   /// \brief A type for a block filter set.
317   using BlockFilterSet = SmallSetVector<const MachineBasicBlock *, 16>;
318
319   /// Pair struct containing basic block and taildup profitiability
320   struct BlockAndTailDupResult {
321     MachineBasicBlock *BB;
322     bool ShouldTailDup;
323   };
324
325   /// Triple struct containing edge weight and the edge.
326   struct WeightedEdge {
327     BlockFrequency Weight;
328     MachineBasicBlock *Src;
329     MachineBasicBlock *Dest;
330   };
331
332   /// \brief work lists of blocks that are ready to be laid out
333   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
334   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> EHPadWorkList;
335
336   /// Edges that have already been computed as optimal.
337   DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockAndTailDupResult> ComputedEdges;
338
339   /// \brief Machine Function
340   MachineFunction *F;
341
342   /// \brief A handle to the branch probability pass.
343   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
344
345   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
346   std::unique_ptr<BranchFolder::MBFIWrapper> MBFI;
347
348   /// \brief A handle to the loop info.
349   MachineLoopInfo *MLI;
350
351   /// \brief Preferred loop exit.
352   /// Member variable for convenience. It may be removed by duplication deep
353   /// in the call stack.
354   MachineBasicBlock *PreferredLoopExit;
355
356   /// \brief A handle to the target's instruction info.
357   const TargetInstrInfo *TII;
358
359   /// \brief A handle to the target's lowering info.
360   const TargetLoweringBase *TLI;
361
362   /// \brief A handle to the post dominator tree.
363   MachinePostDominatorTree *MPDT;
364
365   /// \brief Duplicator used to duplicate tails during placement.
366   ///
367   /// Placement decisions can open up new tail duplication opportunities, but
368   /// since tail duplication affects placement decisions of later blocks, it
369   /// must be done inline.
370   TailDuplicator TailDup;
371
372   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
373   ///
374   /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
375   /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
376   /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
377   /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
378   /// the chains.
379   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
380
381   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
382   ///
383   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
384   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
385   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
386   /// between basic blocks.
387   DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
388
389 #ifndef NDEBUG
390   /// The set of basic blocks that have terminators that cannot be fully
391   /// analyzed.  These basic blocks cannot be re-ordered safely by
392   /// MachineBlockPlacement, and we must preserve physical layout of these
393   /// blocks and their successors through the pass.
394   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksWithUnanalyzableExits;
395 #endif
396
397   /// Decrease the UnscheduledPredecessors count for all blocks in chain, and
398   /// if the count goes to 0, add them to the appropriate work list.
399   void markChainSuccessors(
400       const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
401       const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
402
403   /// Decrease the UnscheduledPredecessors count for a single block, and
404   /// if the count goes to 0, add them to the appropriate work list.
405   void markBlockSuccessors(
406       const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *BB,
407       const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
408       const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
409
410   BranchProbability
411   collectViableSuccessors(
412       const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
413       const BlockFilterSet *BlockFilter,
414       SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> &Successors);
415   bool shouldPredBlockBeOutlined(
416       const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
417       const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter,
418       BranchProbability SuccProb, BranchProbability HotProb);
419   bool repeatedlyTailDuplicateBlock(
420       MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
421       const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
422       BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
423       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt);
424   bool maybeTailDuplicateBlock(
425       MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
426       BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
427       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
428       bool &DuplicatedToPred);
429   bool hasBetterLayoutPredecessor(
430       const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
431       const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
432       BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
433       const BlockFilterSet *BlockFilter);
434   BlockAndTailDupResult selectBestSuccessor(
435       const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
436       const BlockFilterSet *BlockFilter);
437   MachineBasicBlock *selectBestCandidateBlock(
438       const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList);
439   MachineBasicBlock *getFirstUnplacedBlock(
440       const BlockChain &PlacedChain,
441       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
442       const BlockFilterSet *BlockFilter);
443
444   /// \brief Add a basic block to the work list if it is appropriate.
445   ///
446   /// If the optional parameter BlockFilter is provided, only MBB
447   /// present in the set will be added to the worklist. If nullptr
448   /// is provided, no filtering occurs.
449   void fillWorkLists(const MachineBasicBlock *MBB,
450                      SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
451                      const BlockFilterSet *BlockFilter);
452
453   void buildChain(const MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
454                   BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
455   MachineBasicBlock *findBestLoopTop(
456       const MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
457   MachineBasicBlock *findBestLoopExit(
458       const MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
459   BlockFilterSet collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L);
460   void buildLoopChains(const MachineLoop &L);
461   void rotateLoop(
462       BlockChain &LoopChain, const MachineBasicBlock *ExitingBB,
463       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
464   void rotateLoopWithProfile(
465       BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
466       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
467   void buildCFGChains();
468   void optimizeBranches();
469   void alignBlocks();
470   /// Returns true if a block should be tail-duplicated to increase fallthrough
471   /// opportunities.
472   bool shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB);
473   /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
474   /// fallthroughs.
475   bool isProfitableToTailDup(
476     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
477     BranchProbability AdjustedSumProb,
478     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
479
480   /// Check for a trellis layout.
481   bool isTrellis(const MachineBasicBlock *BB,
482                  const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
483                  const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
484
485   /// Get the best successor given a trellis layout.
486   BlockAndTailDupResult getBestTrellisSuccessor(
487       const MachineBasicBlock *BB,
488       const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
489       BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
490       const BlockFilterSet *BlockFilter);
491
492   /// Get the best pair of non-conflicting edges.
493   static std::pair<WeightedEdge, WeightedEdge> getBestNonConflictingEdges(
494       const MachineBasicBlock *BB,
495       MutableArrayRef<SmallVector<WeightedEdge, 8>> Edges);
496
497   /// Returns true if a block can tail duplicate into all unplaced
498   /// predecessors. Filters based on loop.
499   bool canTailDuplicateUnplacedPreds(
500       const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
501       const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
502
503   /// Find chains of triangles to tail-duplicate where a global analysis works,
504   /// but a local analysis would not find them.
505   void precomputeTriangleChains();
506
507 public:
508   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
509
510   MachineBlockPlacement() : MachineFunctionPass(ID) {
511     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
512   }
513
514   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
515
516   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
517     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
518     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
519     if (TailDupPlacement)
520       AU.addRequired<MachinePostDominatorTree>();
521     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
522     AU.addRequired<TargetPassConfig>();
523     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
524   }
525 };
526
527 } // end anonymous namespace
528
529 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
530
531 char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
532
533 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, DEBUG_TYPE,
534                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
535 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
536 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
537 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachinePostDominatorTree)
538 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
539 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, DEBUG_TYPE,
540                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
541
542 #ifndef NDEBUG
543 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
544 ///
545 /// Only used by debug logging.
546 static std::string getBlockName(const MachineBasicBlock *BB) {
547   std::string Result;
548   raw_string_ostream OS(Result);
549   OS << printMBBReference(*BB);
550   OS << " ('" << BB->getName() << "')";
551   OS.flush();
552   return Result;
553 }
554 #endif
555
556 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
557 ///
558 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
559 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
560 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
561 /// chain which reach the zero-predecessor state to the appropriate worklist.
562 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
563     const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
564     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
565   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
566   // a predecessor placed.
567   for (MachineBasicBlock *MBB : Chain) {
568     markBlockSuccessors(Chain, MBB, LoopHeaderBB, BlockFilter);
569   }
570 }
571
572 /// \brief Mark a single block's successors as having one fewer preds.
573 ///
574 /// Under normal circumstances, this is only called by markChainSuccessors,
575 /// but if a block that was to be placed is completely tail-duplicated away,
576 /// and was duplicated into the chain end, we need to redo markBlockSuccessors
577 /// for just that block.
578 void MachineBlockPlacement::markBlockSuccessors(
579     const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *MBB,
580     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
581   // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
582   // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
583   // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
584   // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
585   for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
586     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
587       continue;
588     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
589     // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
590     if (&Chain == &SuccChain || Succ == LoopHeaderBB)
591       continue;
592
593     // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
594     // loop predecessor count of the destination chain.
595     if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 ||
596         --SuccChain.UnscheduledPredecessors > 0)
597       continue;
598
599     auto *NewBB = *SuccChain.begin();
600     if (NewBB->isEHPad())
601       EHPadWorkList.push_back(NewBB);
602     else
603       BlockWorkList.push_back(NewBB);
604   }
605 }
606
607 /// This helper function collects the set of successors of block
608 /// \p BB that are allowed to be its layout successors, and return
609 /// the total branch probability of edges from \p BB to those
610 /// blocks.
611 BranchProbability MachineBlockPlacement::collectViableSuccessors(
612     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
613     const BlockFilterSet *BlockFilter,
614     SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> &Successors) {
615   // Adjust edge probabilities by excluding edges pointing to blocks that is
616   // either not in BlockFilter or is already in the current chain. Consider the
617   // following CFG:
618   //
619   //     --->A
620   //     |  / \
621   //     | B   C
622   //     |  \ / \
623   //     ----D   E
624   //
625   // Assume A->C is very hot (>90%), and C->D has a 50% probability, then after
626   // A->C is chosen as a fall-through, D won't be selected as a successor of C
627   // due to CFG constraint (the probability of C->D is not greater than
628   // HotProb to break topo-order). If we exclude E that is not in BlockFilter
629   // when calculating the probability of C->D, D will be selected and we
630   // will get A C D B as the layout of this loop.
631   auto AdjustedSumProb = BranchProbability::getOne();
632   for (MachineBasicBlock *Succ : BB->successors()) {
633     bool SkipSucc = false;
634     if (Succ->isEHPad() || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))) {
635       SkipSucc = true;
636     } else {
637       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
638       if (SuccChain == &Chain) {
639         SkipSucc = true;
640       } else if (Succ != *SuccChain->begin()) {
641         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Mid chain!\n");
642         continue;
643       }
644     }
645     if (SkipSucc)
646       AdjustedSumProb -= MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
647     else
648       Successors.push_back(Succ);
649   }
650
651   return AdjustedSumProb;
652 }
653
654 /// The helper function returns the branch probability that is adjusted
655 /// or normalized over the new total \p AdjustedSumProb.
656 static BranchProbability
657 getAdjustedProbability(BranchProbability OrigProb,
658                        BranchProbability AdjustedSumProb) {
659   BranchProbability SuccProb;
660   uint32_t SuccProbN = OrigProb.getNumerator();
661   uint32_t SuccProbD = AdjustedSumProb.getNumerator();
662   if (SuccProbN >= SuccProbD)
663     SuccProb = BranchProbability::getOne();
664   else
665     SuccProb = BranchProbability(SuccProbN, SuccProbD);
666
667   return SuccProb;
668 }
669
670 /// Check if \p BB has exactly the successors in \p Successors.
671 static bool
672 hasSameSuccessors(MachineBasicBlock &BB,
673                   SmallPtrSetImpl<const MachineBasicBlock *> &Successors) {
674   if (BB.succ_size() != Successors.size())
675     return false;
676   // We don't want to count self-loops
677   if (Successors.count(&BB))
678     return false;
679   for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors())
680     if (!Successors.count(Succ))
681       return false;
682   return true;
683 }
684
685 /// Check if a block should be tail duplicated to increase fallthrough
686 /// opportunities.
687 /// \p BB Block to check.
688 bool MachineBlockPlacement::shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB) {
689   // Blocks with single successors don't create additional fallthrough
690   // opportunities. Don't duplicate them. TODO: When conditional exits are
691   // analyzable, allow them to be duplicated.
692   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
693
694   if (BB->succ_size() == 1)
695     return false;
696   return TailDup.shouldTailDuplicate(IsSimple, *BB);
697 }
698
699 /// Compare 2 BlockFrequency's with a small penalty for \p A.
700 /// In order to be conservative, we apply a X% penalty to account for
701 /// increased icache pressure and static heuristics. For small frequencies
702 /// we use only the numerators to improve accuracy. For simplicity, we assume the
703 /// penalty is less than 100%
704 /// TODO(iteratee): Use 64-bit fixed point edge frequencies everywhere.
705 static bool greaterWithBias(BlockFrequency A, BlockFrequency B,
706                             uint64_t EntryFreq) {
707   BranchProbability ThresholdProb(TailDupPlacementPenalty, 100);
708   BlockFrequency Gain = A - B;
709   return (Gain / ThresholdProb).getFrequency() >= EntryFreq;
710 }
711
712 /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
713 /// fallthroughs. It only makes sense to call this function when
714 /// \p Succ would not be chosen otherwise. Tail duplication of \p Succ is
715 /// always locally profitable if we would have picked \p Succ without
716 /// considering duplication.
717 bool MachineBlockPlacement::isProfitableToTailDup(
718     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
719     BranchProbability QProb,
720     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
721   // We need to do a probability calculation to make sure this is profitable.
722   // First: does succ have a successor that post-dominates? This affects the
723   // calculation. The 2 relevant cases are:
724   //    BB         BB
725   //    | \Qout    | \Qout
726   //   P|  C       |P C
727   //    =   C'     =   C'
728   //    |  /Qin    |  /Qin
729   //    | /        | /
730   //    Succ       Succ
731   //    / \        | \  V
732   //  U/   =V      |U \
733   //  /     \      =   D
734   //  D      E     |  /
735   //               | /
736   //               |/
737   //               PDom
738   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
739   // In the second case, Placing Succ while duplicating it into C prevents the
740   // fallthrough of Succ into either D or PDom, because they now have C as an
741   // unplaced predecessor
742
743   // Start by figuring out which case we fall into
744   MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
745   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> SuccSuccs;
746   // Only scan the relevant successors
747   auto AdjustedSuccSumProb =
748       collectViableSuccessors(Succ, Chain, BlockFilter, SuccSuccs);
749   BranchProbability PProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
750   auto BBFreq = MBFI->getBlockFreq(BB);
751   auto SuccFreq = MBFI->getBlockFreq(Succ);
752   BlockFrequency P = BBFreq * PProb;
753   BlockFrequency Qout = BBFreq * QProb;
754   uint64_t EntryFreq = MBFI->getEntryFreq();
755   // If there are no more successors, it is profitable to copy, as it strictly
756   // increases fallthrough.
757   if (SuccSuccs.size() == 0)
758     return greaterWithBias(P, Qout, EntryFreq);
759
760   auto BestSuccSucc = BranchProbability::getZero();
761   // Find the PDom or the best Succ if no PDom exists.
762   for (MachineBasicBlock *SuccSucc : SuccSuccs) {
763     auto Prob = MBPI->getEdgeProbability(Succ, SuccSucc);
764     if (Prob > BestSuccSucc)
765       BestSuccSucc = Prob;
766     if (PDom == nullptr)
767       if (MPDT->dominates(SuccSucc, Succ)) {
768         PDom = SuccSucc;
769         break;
770       }
771   }
772   // For the comparisons, we need to know Succ's best incoming edge that isn't
773   // from BB.
774   auto SuccBestPred = BlockFrequency(0);
775   for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
776     if (SuccPred == Succ || SuccPred == BB
777         || BlockToChain[SuccPred] == &Chain
778         || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)))
779       continue;
780     auto Freq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred)
781         * MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
782     if (Freq > SuccBestPred)
783       SuccBestPred = Freq;
784   }
785   // Qin is Succ's best unplaced incoming edge that isn't BB
786   BlockFrequency Qin = SuccBestPred;
787   // If it doesn't have a post-dominating successor, here is the calculation:
788   //    BB        BB
789   //    | \Qout   |  \
790   //   P|  C      |   =
791   //    =   C'    |    C
792   //    |  /Qin   |     |
793   //    | /       |     C' (+Succ)
794   //    Succ      Succ /|
795   //    / \       |  \/ |
796   //  U/   =V     |  == |
797   //  /     \     | /  \|
798   //  D      E    D     E
799   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
800   //  Cost in the first case is: P + V
801   //  For this calculation, we always assume P > Qout. If Qout > P
802   //  The result of this function will be ignored at the caller.
803   //  Let F = SuccFreq - Qin
804   //  Cost in the second case is: Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
805
806   if (PDom == nullptr || !Succ->isSuccessor(PDom)) {
807     BranchProbability UProb = BestSuccSucc;
808     BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
809     BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
810     BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
811     BlockFrequency QinU = std::min(Qin, F) * UProb;
812     BlockFrequency BaseCost = P + V;
813     BlockFrequency DupCost = Qout + QinU + std::max(Qin, F) * VProb;
814     return greaterWithBias(BaseCost, DupCost, EntryFreq);
815   }
816   BranchProbability UProb = MBPI->getEdgeProbability(Succ, PDom);
817   BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
818   BlockFrequency U = SuccFreq * UProb;
819   BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
820   BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
821   // If there is a post-dominating successor, here is the calculation:
822   // BB         BB                 BB          BB
823   // | \Qout    |   \               | \Qout     |  \
824   // |P C       |    =              |P C        |   =
825   // =   C'     |P    C             =   C'      |P   C
826   // |  /Qin    |      |            |  /Qin     |     |
827   // | /        |      C' (+Succ)   | /         |     C' (+Succ)
828   // Succ       Succ  /|            Succ        Succ /|
829   // | \  V     |   \/ |            | \  V      |  \/ |
830   // |U \       |U  /\ =?           |U =        |U /\ |
831   // =   D      = =  =?|            |   D       | =  =|
832   // |  /       |/     D            |  /        |/    D
833   // | /        |     /             | =         |    /
834   // |/         |    /              |/          |   =
835   // Dom         Dom                Dom         Dom
836   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
837   // The cost for taken branches in the first case is P + U
838   // Let F = SuccFreq - Qin
839   // The cost in the second case (assuming independence), given the layout:
840   // BB, Succ, (C+Succ), D, Dom or the layout:
841   // BB, Succ, D, Dom, (C+Succ)
842   // is Qout + max(F, Qin) * U + min(F, Qin)
843   // compare P + U vs Qout + P * U + Qin.
844   //
845   // The 3rd and 4th cases cover when Dom would be chosen to follow Succ.
846   //
847   // For the 3rd case, the cost is P + 2 * V
848   // For the 4th case, the cost is Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V + V
849   // We choose 4 over 3 when (P + V) > Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
850   if (UProb > AdjustedSuccSumProb / 2 &&
851       !hasBetterLayoutPredecessor(Succ, PDom, *BlockToChain[PDom], UProb, UProb,
852                                   Chain, BlockFilter))
853     // Cases 3 & 4
854     return greaterWithBias(
855         (P + V), (Qout + std::max(Qin, F) * VProb + std::min(Qin, F) * UProb),
856         EntryFreq);
857   // Cases 1 & 2
858   return greaterWithBias((P + U),
859                          (Qout + std::min(Qin, F) * AdjustedSuccSumProb +
860                           std::max(Qin, F) * UProb),
861                          EntryFreq);
862 }
863
864 /// Check for a trellis layout. \p BB is the upper part of a trellis if its
865 /// successors form the lower part of a trellis. A successor set S forms the
866 /// lower part of a trellis if all of the predecessors of S are either in S or
867 /// have all of S as successors. We ignore trellises where BB doesn't have 2
868 /// successors because for fewer than 2, it's trivial, and for 3 or greater they
869 /// are very uncommon and complex to compute optimally. Allowing edges within S
870 /// is not strictly a trellis, but the same algorithm works, so we allow it.
871 bool MachineBlockPlacement::isTrellis(
872     const MachineBasicBlock *BB,
873     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
874     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
875   // Technically BB could form a trellis with branching factor higher than 2.
876   // But that's extremely uncommon.
877   if (BB->succ_size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
878     return false;
879
880   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 2> Successors(BB->succ_begin(),
881                                                        BB->succ_end());
882   // To avoid reviewing the same predecessors twice.
883   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 8> SeenPreds;
884
885   for (MachineBasicBlock *Succ : ViableSuccs) {
886     int PredCount = 0;
887     for (auto SuccPred : Succ->predecessors()) {
888       // Allow triangle successors, but don't count them.
889       if (Successors.count(SuccPred)) {
890         // Make sure that it is actually a triangle.
891         for (MachineBasicBlock *CheckSucc : SuccPred->successors())
892           if (!Successors.count(CheckSucc))
893             return false;
894         continue;
895       }
896       const BlockChain *PredChain = BlockToChain[SuccPred];
897       if (SuccPred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
898           PredChain == &Chain || PredChain == BlockToChain[Succ])
899         continue;
900       ++PredCount;
901       // Perform the successor check only once.
902       if (!SeenPreds.insert(SuccPred).second)
903         continue;
904       if (!hasSameSuccessors(*SuccPred, Successors))
905         return false;
906     }
907     // If one of the successors has only BB as a predecessor, it is not a
908     // trellis.
909     if (PredCount < 1)
910       return false;
911   }
912   return true;
913 }
914
915 /// Pick the highest total weight pair of edges that can both be laid out.
916 /// The edges in \p Edges[0] are assumed to have a different destination than
917 /// the edges in \p Edges[1]. Simple counting shows that the best pair is either
918 /// the individual highest weight edges to the 2 different destinations, or in
919 /// case of a conflict, one of them should be replaced with a 2nd best edge.
920 std::pair<MachineBlockPlacement::WeightedEdge,
921           MachineBlockPlacement::WeightedEdge>
922 MachineBlockPlacement::getBestNonConflictingEdges(
923     const MachineBasicBlock *BB,
924     MutableArrayRef<SmallVector<MachineBlockPlacement::WeightedEdge, 8>>
925         Edges) {
926   // Sort the edges, and then for each successor, find the best incoming
927   // predecessor. If the best incoming predecessors aren't the same,
928   // then that is clearly the best layout. If there is a conflict, one of the
929   // successors will have to fallthrough from the second best predecessor. We
930   // compare which combination is better overall.
931
932   // Sort for highest frequency.
933   auto Cmp = [](WeightedEdge A, WeightedEdge B) { return A.Weight > B.Weight; };
934
935   std::stable_sort(Edges[0].begin(), Edges[0].end(), Cmp);
936   std::stable_sort(Edges[1].begin(), Edges[1].end(), Cmp);
937   auto BestA = Edges[0].begin();
938   auto BestB = Edges[1].begin();
939   // Arrange for the correct answer to be in BestA and BestB
940   // If the 2 best edges don't conflict, the answer is already there.
941   if (BestA->Src == BestB->Src) {
942     // Compare the total fallthrough of (Best + Second Best) for both pairs
943     auto SecondBestA = std::next(BestA);
944     auto SecondBestB = std::next(BestB);
945     BlockFrequency BestAScore = BestA->Weight + SecondBestB->Weight;
946     BlockFrequency BestBScore = BestB->Weight + SecondBestA->Weight;
947     if (BestAScore < BestBScore)
948       BestA = SecondBestA;
949     else
950       BestB = SecondBestB;
951   }
952   // Arrange for the BB edge to be in BestA if it exists.
953   if (BestB->Src == BB)
954     std::swap(BestA, BestB);
955   return std::make_pair(*BestA, *BestB);
956 }
957
958 /// Get the best successor from \p BB based on \p BB being part of a trellis.
959 /// We only handle trellises with 2 successors, so the algorithm is
960 /// straightforward: Find the best pair of edges that don't conflict. We find
961 /// the best incoming edge for each successor in the trellis. If those conflict,
962 /// we consider which of them should be replaced with the second best.
963 /// Upon return the two best edges will be in \p BestEdges. If one of the edges
964 /// comes from \p BB, it will be in \p BestEdges[0]
965 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
966 MachineBlockPlacement::getBestTrellisSuccessor(
967     const MachineBasicBlock *BB,
968     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
969     BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
970     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
971
972   BlockAndTailDupResult Result = {nullptr, false};
973   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
974                                                        BB->succ_end());
975
976   // We assume size 2 because it's common. For general n, we would have to do
977   // the Hungarian algorithm, but it's not worth the complexity because more
978   // than 2 successors is fairly uncommon, and a trellis even more so.
979   if (Successors.size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
980     return Result;
981
982   // Collect the edge frequencies of all edges that form the trellis.
983   SmallVector<WeightedEdge, 8> Edges[2];
984   int SuccIndex = 0;
985   for (auto Succ : ViableSuccs) {
986     for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
987       // Skip any placed predecessors that are not BB
988       if (SuccPred != BB)
989         if ((BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
990             BlockToChain[SuccPred] == &Chain ||
991             BlockToChain[SuccPred] == BlockToChain[Succ])
992           continue;
993       BlockFrequency EdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred) *
994                                 MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
995       Edges[SuccIndex].push_back({EdgeFreq, SuccPred, Succ});
996     }
997     ++SuccIndex;
998   }
999
1000   // Pick the best combination of 2 edges from all the edges in the trellis.
1001   WeightedEdge BestA, BestB;
1002   std::tie(BestA, BestB) = getBestNonConflictingEdges(BB, Edges);
1003
1004   if (BestA.Src != BB) {
1005     // If we have a trellis, and BB doesn't have the best fallthrough edges,
1006     // we shouldn't choose any successor. We've already looked and there's a
1007     // better fallthrough edge for all the successors.
1008     DEBUG(dbgs() << "Trellis, but not one of the chosen edges.\n");
1009     return Result;
1010   }
1011
1012   // Did we pick the triangle edge? If tail-duplication is profitable, do
1013   // that instead. Otherwise merge the triangle edge now while we know it is
1014   // optimal.
1015   if (BestA.Dest == BestB.Src) {
1016     // The edges are BB->Succ1->Succ2, and we're looking to see if BB->Succ2
1017     // would be better.
1018     MachineBasicBlock *Succ1 = BestA.Dest;
1019     MachineBasicBlock *Succ2 = BestB.Dest;
1020     // Check to see if tail-duplication would be profitable.
1021     if (TailDupPlacement && shouldTailDuplicate(Succ2) &&
1022         canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ2, Chain, BlockFilter) &&
1023         isProfitableToTailDup(BB, Succ2, MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ1),
1024                               Chain, BlockFilter)) {
1025       DEBUG(BranchProbability Succ2Prob = getAdjustedProbability(
1026                 MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ2), AdjustedSumProb);
1027             dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(Succ2)
1028                    << ", probability: " << Succ2Prob << " (Tail Duplicate)\n");
1029       Result.BB = Succ2;
1030       Result.ShouldTailDup = true;
1031       return Result;
1032     }
1033   }
1034   // We have already computed the optimal edge for the other side of the
1035   // trellis.
1036   ComputedEdges[BestB.Src] = { BestB.Dest, false };
1037
1038   auto TrellisSucc = BestA.Dest;
1039   DEBUG(BranchProbability SuccProb = getAdjustedProbability(
1040             MBPI->getEdgeProbability(BB, TrellisSucc), AdjustedSumProb);
1041         dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(TrellisSucc)
1042                << ", probability: " << SuccProb << " (Trellis)\n");
1043   Result.BB = TrellisSucc;
1044   return Result;
1045 }
1046
1047 /// When the option TailDupPlacement is on, this method checks if the
1048 /// fallthrough candidate block \p Succ (of block \p BB) can be tail-duplicated
1049 /// into all of its unplaced, unfiltered predecessors, that are not BB.
1050 bool MachineBlockPlacement::canTailDuplicateUnplacedPreds(
1051     const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
1052     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1053   if (!shouldTailDuplicate(Succ))
1054     return false;
1055
1056   // For CFG checking.
1057   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
1058                                                        BB->succ_end());
1059   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1060     // Make sure all unplaced and unfiltered predecessors can be
1061     // tail-duplicated into.
1062     // Skip any blocks that are already placed or not in this loop.
1063     if (Pred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1064         || BlockToChain[Pred] == &Chain)
1065       continue;
1066     if (!TailDup.canTailDuplicate(Succ, Pred)) {
1067       if (Successors.size() > 1 && hasSameSuccessors(*Pred, Successors))
1068         // This will result in a trellis after tail duplication, so we don't
1069         // need to copy Succ into this predecessor. In the presence
1070         // of a trellis tail duplication can continue to be profitable.
1071         // For example:
1072         // A            A
1073         // |\           |\
1074         // | \          | \
1075         // |  C         |  C+BB
1076         // | /          |  |
1077         // |/           |  |
1078         // BB    =>     BB |
1079         // |\           |\/|
1080         // | \          |/\|
1081         // |  D         |  D
1082         // | /          | /
1083         // |/           |/
1084         // Succ         Succ
1085         //
1086         // After BB was duplicated into C, the layout looks like the one on the
1087         // right. BB and C now have the same successors. When considering
1088         // whether Succ can be duplicated into all its unplaced predecessors, we
1089         // ignore C.
1090         // We can do this because C already has a profitable fallthrough, namely
1091         // D. TODO(iteratee): ignore sufficiently cold predecessors for
1092         // duplication and for this test.
1093         //
1094         // This allows trellises to be laid out in 2 separate chains
1095         // (A,B,Succ,...) and later (C,D,...) This is a reasonable heuristic
1096         // because it allows the creation of 2 fallthrough paths with links
1097         // between them, and we correctly identify the best layout for these
1098         // CFGs. We want to extend trellises that the user created in addition
1099         // to trellises created by tail-duplication, so we just look for the
1100         // CFG.
1101         continue;
1102       return false;
1103     }
1104   }
1105   return true;
1106 }
1107
1108 /// Find chains of triangles where we believe it would be profitable to
1109 /// tail-duplicate them all, but a local analysis would not find them.
1110 /// There are 3 ways this can be profitable:
1111 /// 1) The post-dominators marked 50% are actually taken 55% (This shrinks with
1112 ///    longer chains)
1113 /// 2) The chains are statically correlated. Branch probabilities have a very
1114 ///    U-shaped distribution.
1115 ///    [http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:24015805]
1116 ///    If the branches in a chain are likely to be from the same side of the
1117 ///    distribution as their predecessor, but are independent at runtime, this
1118 ///    transformation is profitable. (Because the cost of being wrong is a small
1119 ///    fixed cost, unlike the standard triangle layout where the cost of being
1120 ///    wrong scales with the # of triangles.)
1121 /// 3) The chains are dynamically correlated. If the probability that a previous
1122 ///    branch was taken positively influences whether the next branch will be
1123 ///    taken
1124 /// We believe that 2 and 3 are common enough to justify the small margin in 1.
1125 void MachineBlockPlacement::precomputeTriangleChains() {
1126   struct TriangleChain {
1127     std::vector<MachineBasicBlock *> Edges;
1128
1129     TriangleChain(MachineBasicBlock *src, MachineBasicBlock *dst)
1130         : Edges({src, dst}) {}
1131
1132     void append(MachineBasicBlock *dst) {
1133       assert(getKey()->isSuccessor(dst) &&
1134              "Attempting to append a block that is not a successor.");
1135       Edges.push_back(dst);
1136     }
1137
1138     unsigned count() const { return Edges.size() - 1; }
1139
1140     MachineBasicBlock *getKey() const {
1141       return Edges.back();
1142     }
1143   };
1144
1145   if (TriangleChainCount == 0)
1146     return;
1147
1148   DEBUG(dbgs() << "Pre-computing triangle chains.\n");
1149   // Map from last block to the chain that contains it. This allows us to extend
1150   // chains as we find new triangles.
1151   DenseMap<const MachineBasicBlock *, TriangleChain> TriangleChainMap;
1152   for (MachineBasicBlock &BB : *F) {
1153     // If BB doesn't have 2 successors, it doesn't start a triangle.
1154     if (BB.succ_size() != 2)
1155       continue;
1156     MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
1157     for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors()) {
1158       if (!MPDT->dominates(Succ, &BB))
1159         continue;
1160       PDom = Succ;
1161       break;
1162     }
1163     // If BB doesn't have a post-dominating successor, it doesn't form a
1164     // triangle.
1165     if (PDom == nullptr)
1166       continue;
1167     // If PDom has a hint that it is low probability, skip this triangle.
1168     if (MBPI->getEdgeProbability(&BB, PDom) < BranchProbability(50, 100))
1169       continue;
1170     // If PDom isn't eligible for duplication, this isn't the kind of triangle
1171     // we're looking for.
1172     if (!shouldTailDuplicate(PDom))
1173       continue;
1174     bool CanTailDuplicate = true;
1175     // If PDom can't tail-duplicate into it's non-BB predecessors, then this
1176     // isn't the kind of triangle we're looking for.
1177     for (MachineBasicBlock* Pred : PDom->predecessors()) {
1178       if (Pred == &BB)
1179         continue;
1180       if (!TailDup.canTailDuplicate(PDom, Pred)) {
1181         CanTailDuplicate = false;
1182         break;
1183       }
1184     }
1185     // If we can't tail-duplicate PDom to its predecessors, then skip this
1186     // triangle.
1187     if (!CanTailDuplicate)
1188       continue;
1189
1190     // Now we have an interesting triangle. Insert it if it's not part of an
1191     // existing chain.
1192     // Note: This cannot be replaced with a call insert() or emplace() because
1193     // the find key is BB, but the insert/emplace key is PDom.
1194     auto Found = TriangleChainMap.find(&BB);
1195     // If it is, remove the chain from the map, grow it, and put it back in the
1196     // map with the end as the new key.
1197     if (Found != TriangleChainMap.end()) {
1198       TriangleChain Chain = std::move(Found->second);
1199       TriangleChainMap.erase(Found);
1200       Chain.append(PDom);
1201       TriangleChainMap.insert(std::make_pair(Chain.getKey(), std::move(Chain)));
1202     } else {
1203       auto InsertResult = TriangleChainMap.try_emplace(PDom, &BB, PDom);
1204       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1205       (void)InsertResult;
1206     }
1207   }
1208
1209   // Iterating over a DenseMap is safe here, because the only thing in the body
1210   // of the loop is inserting into another DenseMap (ComputedEdges).
1211   // ComputedEdges is never iterated, so this doesn't lead to non-determinism.
1212   for (auto &ChainPair : TriangleChainMap) {
1213     TriangleChain &Chain = ChainPair.second;
1214     // Benchmarking has shown that due to branch correlation duplicating 2 or
1215     // more triangles is profitable, despite the calculations assuming
1216     // independence.
1217     if (Chain.count() < TriangleChainCount)
1218       continue;
1219     MachineBasicBlock *dst = Chain.Edges.back();
1220     Chain.Edges.pop_back();
1221     for (MachineBasicBlock *src : reverse(Chain.Edges)) {
1222       DEBUG(dbgs() << "Marking edge: " << getBlockName(src) << "->" <<
1223             getBlockName(dst) << " as pre-computed based on triangles.\n");
1224
1225       auto InsertResult = ComputedEdges.insert({src, {dst, true}});
1226       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1227       (void)InsertResult;
1228
1229       dst = src;
1230     }
1231   }
1232 }
1233
1234 // When profile is not present, return the StaticLikelyProb.
1235 // When profile is available, we need to handle the triangle-shape CFG.
1236 static BranchProbability getLayoutSuccessorProbThreshold(
1237       const MachineBasicBlock *BB) {
1238   if (!BB->getParent()->getFunction().hasProfileData())
1239     return BranchProbability(StaticLikelyProb, 100);
1240   if (BB->succ_size() == 2) {
1241     const MachineBasicBlock *Succ1 = *BB->succ_begin();
1242     const MachineBasicBlock *Succ2 = *(BB->succ_begin() + 1);
1243     if (Succ1->isSuccessor(Succ2) || Succ2->isSuccessor(Succ1)) {
1244       /* See case 1 below for the cost analysis. For BB->Succ to
1245        * be taken with smaller cost, the following needs to hold:
1246        *   Prob(BB->Succ) > 2 * Prob(BB->Pred)
1247        *   So the threshold T in the calculation below
1248        *   (1-T) * Prob(BB->Succ) > T * Prob(BB->Pred)
1249        *   So T / (1 - T) = 2, Yielding T = 2/3
1250        * Also adding user specified branch bias, we have
1251        *   T = (2/3)*(ProfileLikelyProb/50)
1252        *     = (2*ProfileLikelyProb)/150)
1253        */
1254       return BranchProbability(2 * ProfileLikelyProb, 150);
1255     }
1256   }
1257   return BranchProbability(ProfileLikelyProb, 100);
1258 }
1259
1260 /// Checks to see if the layout candidate block \p Succ has a better layout
1261 /// predecessor than \c BB. If yes, returns true.
1262 /// \p SuccProb: The probability adjusted for only remaining blocks.
1263 ///   Only used for logging
1264 /// \p RealSuccProb: The un-adjusted probability.
1265 /// \p Chain: The chain that BB belongs to and Succ is being considered for.
1266 /// \p BlockFilter: if non-null, the set of blocks that make up the loop being
1267 ///    considered
1268 bool MachineBlockPlacement::hasBetterLayoutPredecessor(
1269     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
1270     const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
1271     BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
1272     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1273
1274   // There isn't a better layout when there are no unscheduled predecessors.
1275   if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0)
1276     return false;
1277
1278   // There are two basic scenarios here:
1279   // -------------------------------------
1280   // Case 1: triangular shape CFG (if-then):
1281   //     BB
1282   //     | \
1283   //     |  \
1284   //     |   Pred
1285   //     |   /
1286   //     Succ
1287   // In this case, we are evaluating whether to select edge -> Succ, e.g.
1288   // set Succ as the layout successor of BB. Picking Succ as BB's
1289   // successor breaks the CFG constraints (FIXME: define these constraints).
1290   // With this layout, Pred BB
1291   // is forced to be outlined, so the overall cost will be cost of the
1292   // branch taken from BB to Pred, plus the cost of back taken branch
1293   // from Pred to Succ, as well as the additional cost associated
1294   // with the needed unconditional jump instruction from Pred To Succ.
1295
1296   // The cost of the topological order layout is the taken branch cost
1297   // from BB to Succ, so to make BB->Succ a viable candidate, the following
1298   // must hold:
1299   //     2 * freq(BB->Pred) * taken_branch_cost + unconditional_jump_cost
1300   //      < freq(BB->Succ) *  taken_branch_cost.
1301   // Ignoring unconditional jump cost, we get
1302   //    freq(BB->Succ) > 2 * freq(BB->Pred), i.e.,
1303   //    prob(BB->Succ) > 2 * prob(BB->Pred)
1304   //
1305   // When real profile data is available, we can precisely compute the
1306   // probability threshold that is needed for edge BB->Succ to be considered.
1307   // Without profile data, the heuristic requires the branch bias to be
1308   // a lot larger to make sure the signal is very strong (e.g. 80% default).
1309   // -----------------------------------------------------------------
1310   // Case 2: diamond like CFG (if-then-else):
1311   //     S
1312   //    / \
1313   //   |   \
1314   //  BB    Pred
1315   //   \    /
1316   //    Succ
1317   //    ..
1318   //
1319   // The current block is BB and edge BB->Succ is now being evaluated.
1320   // Note that edge S->BB was previously already selected because
1321   // prob(S->BB) > prob(S->Pred).
1322   // At this point, 2 blocks can be placed after BB: Pred or Succ. If we
1323   // choose Pred, we will have a topological ordering as shown on the left
1324   // in the picture below. If we choose Succ, we have the solution as shown
1325   // on the right:
1326   //
1327   //   topo-order:
1328   //
1329   //       S-----                             ---S
1330   //       |    |                             |  |
1331   //    ---BB   |                             |  BB
1332   //    |       |                             |  |
1333   //    |  Pred--                             |  Succ--
1334   //    |  |                                  |       |
1335   //    ---Succ                               ---Pred--
1336   //
1337   // cost = freq(S->Pred) + freq(BB->Succ)    cost = 2 * freq (S->Pred)
1338   //      = freq(S->Pred) + freq(S->BB)
1339   //
1340   // If we have profile data (i.e, branch probabilities can be trusted), the
1341   // cost (number of taken branches) with layout S->BB->Succ->Pred is 2 *
1342   // freq(S->Pred) while the cost of topo order is freq(S->Pred) + freq(S->BB).
1343   // We know Prob(S->BB) > Prob(S->Pred), so freq(S->BB) > freq(S->Pred), which
1344   // means the cost of topological order is greater.
1345   // When profile data is not available, however, we need to be more
1346   // conservative. If the branch prediction is wrong, breaking the topo-order
1347   // will actually yield a layout with large cost. For this reason, we need
1348   // strong biased branch at block S with Prob(S->BB) in order to select
1349   // BB->Succ. This is equivalent to looking the CFG backward with backward
1350   // edge: Prob(Succ->BB) needs to >= HotProb in order to be selected (without
1351   // profile data).
1352   // --------------------------------------------------------------------------
1353   // Case 3: forked diamond
1354   //       S
1355   //      / \
1356   //     /   \
1357   //   BB    Pred
1358   //   | \   / |
1359   //   |  \ /  |
1360   //   |   X   |
1361   //   |  / \  |
1362   //   | /   \ |
1363   //   S1     S2
1364   //
1365   // The current block is BB and edge BB->S1 is now being evaluated.
1366   // As above S->BB was already selected because
1367   // prob(S->BB) > prob(S->Pred). Assume that prob(BB->S1) >= prob(BB->S2).
1368   //
1369   // topo-order:
1370   //
1371   //     S-------|                     ---S
1372   //     |       |                     |  |
1373   //  ---BB      |                     |  BB
1374   //  |          |                     |  |
1375   //  |  Pred----|                     |  S1----
1376   //  |  |                             |       |
1377   //  --(S1 or S2)                     ---Pred--
1378   //                                        |
1379   //                                       S2
1380   //
1381   // topo-cost = freq(S->Pred) + freq(BB->S1) + freq(BB->S2)
1382   //    + min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1383   // Non-topo-order cost:
1384   // non-topo-cost = 2 * freq(S->Pred) + freq(BB->S2).
1385   // To be conservative, we can assume that min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1386   // is 0. Then the non topo layout is better when
1387   // freq(S->Pred) < freq(BB->S1).
1388   // This is exactly what is checked below.
1389   // Note there are other shapes that apply (Pred may not be a single block,
1390   // but they all fit this general pattern.)
1391   BranchProbability HotProb = getLayoutSuccessorProbThreshold(BB);
1392
1393   // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
1394   // important predecessor.
1395   BlockFrequency CandidateEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * RealSuccProb;
1396   bool BadCFGConflict = false;
1397
1398   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1399     if (Pred == Succ || BlockToChain[Pred] == &SuccChain ||
1400         (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
1401         BlockToChain[Pred] == &Chain ||
1402         // This check is redundant except for look ahead. This function is
1403         // called for lookahead by isProfitableToTailDup when BB hasn't been
1404         // placed yet.
1405         (Pred == BB))
1406       continue;
1407     // Do backward checking.
1408     // For all cases above, we need a backward checking to filter out edges that
1409     // are not 'strongly' biased.
1410     // BB  Pred
1411     //  \ /
1412     //  Succ
1413     // We select edge BB->Succ if
1414     //      freq(BB->Succ) > freq(Succ) * HotProb
1415     //      i.e. freq(BB->Succ) > freq(BB->Succ) * HotProb + freq(Pred->Succ) *
1416     //      HotProb
1417     //      i.e. freq((BB->Succ) * (1 - HotProb) > freq(Pred->Succ) * HotProb
1418     // Case 1 is covered too, because the first equation reduces to:
1419     // prob(BB->Succ) > HotProb. (freq(Succ) = freq(BB) for a triangle)
1420     BlockFrequency PredEdgeFreq =
1421         MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
1422     if (PredEdgeFreq * HotProb >= CandidateEdgeFreq * HotProb.getCompl()) {
1423       BadCFGConflict = true;
1424       break;
1425     }
1426   }
1427
1428   if (BadCFGConflict) {
1429     DEBUG(dbgs() << "    Not a candidate: " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
1430                  << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
1431     return true;
1432   }
1433
1434   return false;
1435 }
1436
1437 /// \brief Select the best successor for a block.
1438 ///
1439 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
1440 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
1441 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
1442 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
1443 /// very hot successor edges.
1444 ///
1445 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable, along
1446 /// with a boolean indicating if tail duplication is necessary.
1447 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
1448 MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
1449     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
1450     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1451   const BranchProbability HotProb(StaticLikelyProb, 100);
1452
1453   BlockAndTailDupResult BestSucc = { nullptr, false };
1454   auto BestProb = BranchProbability::getZero();
1455
1456   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Successors;
1457   auto AdjustedSumProb =
1458       collectViableSuccessors(BB, Chain, BlockFilter, Successors);
1459
1460   DEBUG(dbgs() << "Selecting best successor for: " << getBlockName(BB) << "\n");
1461
1462   // if we already precomputed the best successor for BB, return that if still
1463   // applicable.
1464   auto FoundEdge = ComputedEdges.find(BB);
1465   if (FoundEdge != ComputedEdges.end()) {
1466     MachineBasicBlock *Succ = FoundEdge->second.BB;
1467     ComputedEdges.erase(FoundEdge);
1468     BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1469     if (BB->isSuccessor(Succ) && (!BlockFilter || BlockFilter->count(Succ)) &&
1470         SuccChain != &Chain && Succ == *SuccChain->begin())
1471       return FoundEdge->second;
1472   }
1473
1474   // if BB is part of a trellis, Use the trellis to determine the optimal
1475   // fallthrough edges
1476   if (isTrellis(BB, Successors, Chain, BlockFilter))
1477     return getBestTrellisSuccessor(BB, Successors, AdjustedSumProb, Chain,
1478                                    BlockFilter);
1479
1480   // For blocks with CFG violations, we may be able to lay them out anyway with
1481   // tail-duplication. We keep this vector so we can perform the probability
1482   // calculations the minimum number of times.
1483   SmallVector<std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *>, 4>
1484       DupCandidates;
1485   for (MachineBasicBlock *Succ : Successors) {
1486     auto RealSuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
1487     BranchProbability SuccProb =
1488         getAdjustedProbability(RealSuccProb, AdjustedSumProb);
1489
1490     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1491     // Skip the edge \c BB->Succ if block \c Succ has a better layout
1492     // predecessor that yields lower global cost.
1493     if (hasBetterLayoutPredecessor(BB, Succ, SuccChain, SuccProb, RealSuccProb,
1494                                    Chain, BlockFilter)) {
1495       // If tail duplication would make Succ profitable, place it.
1496       if (TailDupPlacement && shouldTailDuplicate(Succ))
1497         DupCandidates.push_back(std::make_tuple(SuccProb, Succ));
1498       continue;
1499     }
1500
1501     DEBUG(
1502         dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ) << ", probability: "
1503                << SuccProb
1504                << (SuccChain.UnscheduledPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
1505                << "\n");
1506
1507     if (BestSucc.BB && BestProb >= SuccProb) {
1508       DEBUG(dbgs() << "    Not the best candidate, continuing\n");
1509       continue;
1510     }
1511
1512     DEBUG(dbgs() << "    Setting it as best candidate\n");
1513     BestSucc.BB = Succ;
1514     BestProb = SuccProb;
1515   }
1516   // Handle the tail duplication candidates in order of decreasing probability.
1517   // Stop at the first one that is profitable. Also stop if they are less
1518   // profitable than BestSucc. Position is important because we preserve it and
1519   // prefer first best match. Here we aren't comparing in order, so we capture
1520   // the position instead.
1521   if (DupCandidates.size() != 0) {
1522     auto cmp =
1523         [](const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &a,
1524            const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &b) {
1525           return std::get<0>(a) > std::get<0>(b);
1526         };
1527     std::stable_sort(DupCandidates.begin(), DupCandidates.end(), cmp);
1528   }
1529   for(auto &Tup : DupCandidates) {
1530     BranchProbability DupProb;
1531     MachineBasicBlock *Succ;
1532     std::tie(DupProb, Succ) = Tup;
1533     if (DupProb < BestProb)
1534       break;
1535     if (canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ, Chain, BlockFilter)
1536         && (isProfitableToTailDup(BB, Succ, BestProb, Chain, BlockFilter))) {
1537       DEBUG(
1538           dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ) << ", probability: "
1539                  << DupProb
1540                  << " (Tail Duplicate)\n");
1541       BestSucc.BB = Succ;
1542       BestSucc.ShouldTailDup = true;
1543       break;
1544     }
1545   }
1546
1547   if (BestSucc.BB)
1548     DEBUG(dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(BestSucc.BB) << "\n");
1549
1550   return BestSucc;
1551 }
1552
1553 /// \brief Select the best block from a worklist.
1554 ///
1555 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
1556 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
1557 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
1558 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
1559 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
1560 /// loop body in order to improve i-cache behavior.
1561 ///
1562 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
1563 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
1564     const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList) {
1565   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
1566   // worklist of already placed entries.
1567   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
1568   // some code complexity) into the loop below.
1569   WorkList.erase(llvm::remove_if(WorkList,
1570                                  [&](MachineBasicBlock *BB) {
1571                                    return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
1572                                  }),
1573                  WorkList.end());
1574
1575   if (WorkList.empty())
1576     return nullptr;
1577
1578   bool IsEHPad = WorkList[0]->isEHPad();
1579
1580   MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
1581   BlockFrequency BestFreq;
1582   for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
1583     assert(MBB->isEHPad() == IsEHPad &&
1584            "EHPad mismatch between block and work list.");
1585
1586     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
1587     if (&SuccChain == &Chain)
1588       continue;
1589
1590     assert(SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
1591            "Found CFG-violating block");
1592
1593     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
1594     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
1595           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
1596
1597     // For ehpad, we layout the least probable first as to avoid jumping back
1598     // from least probable landingpads to more probable ones.
1599     //
1600     // FIXME: Using probability is probably (!) not the best way to achieve
1601     // this. We should probably have a more principled approach to layout
1602     // cleanup code.
1603     //
1604     // The goal is to get:
1605     //
1606     //                 +--------------------------+
1607     //                 |                          V
1608     // InnerLp -> InnerCleanup    OuterLp -> OuterCleanup -> Resume
1609     //
1610     // Rather than:
1611     //
1612     //                 +-------------------------------------+
1613     //                 V                                     |
1614     // OuterLp -> OuterCleanup -> Resume     InnerLp -> InnerCleanup
1615     if (BestBlock && (IsEHPad ^ (BestFreq >= CandidateFreq)))
1616       continue;
1617
1618     BestBlock = MBB;
1619     BestFreq = CandidateFreq;
1620   }
1621
1622   return BestBlock;
1623 }
1624
1625 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
1626 ///
1627 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
1628 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
1629 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
1630 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
1631 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
1632 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
1633     const BlockChain &PlacedChain,
1634     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
1635     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1636   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F->end(); I != E;
1637        ++I) {
1638     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(&*I))
1639       continue;
1640     if (BlockToChain[&*I] != &PlacedChain) {
1641       PrevUnplacedBlockIt = I;
1642       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
1643       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
1644       // and satisfies the requirements of merging chains.
1645       return *BlockToChain[&*I]->begin();
1646     }
1647   }
1648   return nullptr;
1649 }
1650
1651 void MachineBlockPlacement::fillWorkLists(
1652     const MachineBasicBlock *MBB,
1653     SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
1654     const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr) {
1655   BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1656   if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
1657     return;
1658
1659   assert(
1660       Chain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
1661       "Attempting to place block with unscheduled predecessors in worklist.");
1662   for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
1663     assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain &&
1664            "Block in chain doesn't match BlockToChain map.");
1665     for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
1666       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1667         continue;
1668       if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
1669         continue;
1670       ++Chain.UnscheduledPredecessors;
1671     }
1672   }
1673
1674   if (Chain.UnscheduledPredecessors != 0)
1675     return;
1676
1677   MachineBasicBlock *BB = *Chain.begin();
1678   if (BB->isEHPad())
1679     EHPadWorkList.push_back(BB);
1680   else
1681     BlockWorkList.push_back(BB);
1682 }
1683
1684 void MachineBlockPlacement::buildChain(
1685     const MachineBasicBlock *HeadBB, BlockChain &Chain,
1686     BlockFilterSet *BlockFilter) {
1687   assert(HeadBB && "BB must not be null.\n");
1688   assert(BlockToChain[HeadBB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match.\n");
1689   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F->begin();
1690
1691   const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = HeadBB;
1692   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1693   MachineBasicBlock *BB = *std::prev(Chain.end());
1694   while (true) {
1695     assert(BB && "null block found at end of chain in loop.");
1696     assert(BlockToChain[BB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match in loop.");
1697     assert(*std::prev(Chain.end()) == BB && "BB Not found at end of chain.");
1698
1699
1700     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
1701     // after this block.
1702     auto Result = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
1703     MachineBasicBlock* BestSucc = Result.BB;
1704     bool ShouldTailDup = Result.ShouldTailDup;
1705     if (TailDupPlacement)
1706       ShouldTailDup |= (BestSucc && shouldTailDuplicate(BestSucc));
1707
1708     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
1709     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
1710     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
1711     if (!BestSucc)
1712       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList);
1713     if (!BestSucc)
1714       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, EHPadWorkList);
1715
1716     if (!BestSucc) {
1717       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
1718       if (!BestSucc)
1719         break;
1720
1721       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
1722                       "layout successor until the CFG reduces\n");
1723     }
1724
1725     // Placement may have changed tail duplication opportunities.
1726     // Check for that now.
1727     if (TailDupPlacement && BestSucc && ShouldTailDup) {
1728       // If the chosen successor was duplicated into all its predecessors,
1729       // don't bother laying it out, just go round the loop again with BB as
1730       // the chain end.
1731       if (repeatedlyTailDuplicateBlock(BestSucc, BB, LoopHeaderBB, Chain,
1732                                        BlockFilter, PrevUnplacedBlockIt))
1733         continue;
1734     }
1735
1736     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
1737     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
1738     // Zero out UnscheduledPredecessors for the successor we're about to merge in case
1739     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
1740     SuccChain.UnscheduledPredecessors = 0;
1741     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockName(BB) << " to "
1742                  << getBlockName(BestSucc) << "\n");
1743     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1744     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
1745     BB = *std::prev(Chain.end());
1746   }
1747
1748   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
1749                << getBlockName(*Chain.begin()) << "\n");
1750 }
1751
1752 /// \brief Find the best loop top block for layout.
1753 ///
1754 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
1755 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
1756 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
1757 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
1758 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
1759 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
1760 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
1761 /// header is always profitable.
1762 MachineBasicBlock *
1763 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(const MachineLoop &L,
1764                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1765   // Placing the latch block before the header may introduce an extra branch
1766   // that skips this block the first time the loop is executed, which we want
1767   // to avoid when optimising for size.
1768   // FIXME: in theory there is a case that does not introduce a new branch,
1769   // i.e. when the layout predecessor does not fallthrough to the loop header.
1770   // In practice this never happens though: there always seems to be a preheader
1771   // that can fallthrough and that is also placed before the header.
1772   if (F->getFunction().optForSize())
1773     return L.getHeader();
1774
1775   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
1776   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
1777   // prevent pulling the preheader into the loop body.
1778   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1779   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1780     return L.getHeader();
1781
1782   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: " << getBlockName(L.getHeader())
1783                << "\n");
1784
1785   BlockFrequency BestPredFreq;
1786   MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
1787   for (MachineBasicBlock *Pred : L.getHeader()->predecessors()) {
1788     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
1789       continue;
1790     DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", has "
1791                  << Pred->succ_size() << " successors, ";
1792           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
1793     if (Pred->succ_size() > 1)
1794       continue;
1795
1796     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
1797     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
1798         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
1799          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
1800       BestPred = Pred;
1801       BestPredFreq = PredFreq;
1802     }
1803   }
1804
1805   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
1806   if (!BestPred) {
1807     DEBUG(dbgs() << "    final top unchanged\n");
1808     return L.getHeader();
1809   }
1810
1811   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
1812   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
1813          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
1814          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
1815     BestPred = *BestPred->pred_begin();
1816
1817   DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
1818   return BestPred;
1819 }
1820
1821 /// \brief Find the best loop exiting block for layout.
1822 ///
1823 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
1824 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
1825 /// fallthrough opportunities.
1826 MachineBasicBlock *
1827 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(const MachineLoop &L,
1828                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1829   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
1830   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
1831   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
1832   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
1833   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
1834   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
1835   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
1836   // header and only rotate if safe.
1837   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1838   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1839     return nullptr;
1840
1841   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
1842   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
1843   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
1844   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
1845   // fallthrough opportunities unless it selects such an exit. Keep a set of
1846   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
1847   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
1848
1849   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: " << getBlockName(L.getHeader())
1850                << "\n");
1851   for (MachineBasicBlock *MBB : L.getBlocks()) {
1852     BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1853     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
1854     // mid-way through an inner loop or a successor of an unanalyzable branch.
1855     if (MBB != *std::prev(Chain.end()))
1856       continue;
1857
1858     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
1859     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
1860     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
1861     // successor isn't found.
1862     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
1863     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
1864     bool HasLoopingSucc = false;
1865     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
1866       if (Succ->isEHPad())
1867         continue;
1868       if (Succ == MBB)
1869         continue;
1870       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1871       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
1872       if (&Chain == &SuccChain) {
1873         DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1874                      << getBlockName(Succ) << " (chain conflict)\n");
1875         continue;
1876       }
1877
1878       auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(MBB, Succ);
1879       if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
1880         DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1881                      << getBlockName(Succ) << " (" << SuccProb << ")\n");
1882         HasLoopingSucc = true;
1883         continue;
1884       }
1885
1886       unsigned SuccLoopDepth = 0;
1887       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
1888         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
1889         if (ExitLoop->contains(&L))
1890           BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
1891       }
1892
1893       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB) * SuccProb;
1894       DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1895                    << getBlockName(Succ) << " [L:" << SuccLoopDepth << "] (";
1896             MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
1897       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
1898       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
1899       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
1900       // the layout.
1901       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
1902       if (!ExitingBB || SuccLoopDepth > BestExitLoopDepth ||
1903           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
1904           (MBB->isLayoutSuccessor(Succ) &&
1905            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
1906         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
1907         ExitingBB = MBB;
1908       }
1909     }
1910
1911     if (!HasLoopingSucc) {
1912       // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
1913       ExitingBB = OldExitingBB;
1914       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
1915     }
1916   }
1917   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
1918   // loop, just use the loop header to layout the loop.
1919   if (!ExitingBB) {
1920     DEBUG(dbgs() << "    No other candidate exit blocks, using loop header\n");
1921     return nullptr;
1922   }
1923   if (L.getNumBlocks() == 1) {
1924     DEBUG(dbgs() << "    Loop has 1 block, using loop header as exit\n");
1925     return nullptr;
1926   }
1927
1928   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
1929   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
1930   // rotation altogether.
1931   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
1932       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
1933     return nullptr;
1934
1935   DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
1936   return ExitingBB;
1937 }
1938
1939 /// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
1940 ///
1941 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
1942 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
1943 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
1944 /// of its bottom already, don't rotate it.
1945 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
1946                                        const MachineBasicBlock *ExitingBB,
1947                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1948   if (!ExitingBB)
1949     return;
1950
1951   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
1952   MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
1953
1954   // If ExitingBB is already the last one in a chain then nothing to do.
1955   if (Bottom == ExitingBB)
1956     return;
1957
1958   bool ViableTopFallthrough = false;
1959   for (MachineBasicBlock *Pred : Top->predecessors()) {
1960     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
1961     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
1962         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
1963       ViableTopFallthrough = true;
1964       break;
1965     }
1966   }
1967
1968   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
1969   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
1970   // introduce an unnecessary branch.
1971   if (ViableTopFallthrough) {
1972     for (MachineBasicBlock *Succ : Bottom->successors()) {
1973       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1974       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
1975           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin()))
1976         return;
1977     }
1978   }
1979
1980   BlockChain::iterator ExitIt = llvm::find(LoopChain, ExitingBB);
1981   if (ExitIt == LoopChain.end())
1982     return;
1983
1984   // Rotating a loop exit to the bottom when there is a fallthrough to top
1985   // trades the entry fallthrough for an exit fallthrough.
1986   // If there is no bottom->top edge, but the chosen exit block does have
1987   // a fallthrough, we break that fallthrough for nothing in return.
1988
1989   // Let's consider an example. We have a built chain of basic blocks
1990   // B1, B2, ..., Bn, where Bk is a ExitingBB - chosen exit block.
1991   // By doing a rotation we get
1992   // Bk+1, ..., Bn, B1, ..., Bk
1993   // Break of fallthrough to B1 is compensated by a fallthrough from Bk.
1994   // If we had a fallthrough Bk -> Bk+1 it is broken now.
1995   // It might be compensated by fallthrough Bn -> B1.
1996   // So we have a condition to avoid creation of extra branch by loop rotation.
1997   // All below must be true to avoid loop rotation:
1998   //   If there is a fallthrough to top (B1)
1999   //   There was fallthrough from chosen exit block (Bk) to next one (Bk+1)
2000   //   There is no fallthrough from bottom (Bn) to top (B1).
2001   // Please note that there is no exit fallthrough from Bn because we checked it
2002   // above.
2003   if (ViableTopFallthrough) {
2004     assert(std::next(ExitIt) != LoopChain.end() &&
2005            "Exit should not be last BB");
2006     MachineBasicBlock *NextBlockInChain = *std::next(ExitIt);
2007     if (ExitingBB->isSuccessor(NextBlockInChain))
2008       if (!Bottom->isSuccessor(Top))
2009         return;
2010   }
2011
2012   DEBUG(dbgs() << "Rotating loop to put exit " << getBlockName(ExitingBB)
2013                << " at bottom\n");
2014   std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
2015 }
2016
2017 /// \brief Attempt to rotate a loop based on profile data to reduce branch cost.
2018 ///
2019 /// With profile data, we can determine the cost in terms of missed fall through
2020 /// opportunities when rotating a loop chain and select the best rotation.
2021 /// Basically, there are three kinds of cost to consider for each rotation:
2022 ///    1. The possibly missed fall through edge (if it exists) from BB out of
2023 ///    the loop to the loop header.
2024 ///    2. The possibly missed fall through edges (if they exist) from the loop
2025 ///    exits to BB out of the loop.
2026 ///    3. The missed fall through edge (if it exists) from the last BB to the
2027 ///    first BB in the loop chain.
2028 ///  Therefore, the cost for a given rotation is the sum of costs listed above.
2029 ///  We select the best rotation with the smallest cost.
2030 void MachineBlockPlacement::rotateLoopWithProfile(
2031     BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
2032     const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
2033   auto HeaderBB = L.getHeader();
2034   auto HeaderIter = llvm::find(LoopChain, HeaderBB);
2035   auto RotationPos = LoopChain.end();
2036
2037   BlockFrequency SmallestRotationCost = BlockFrequency::getMaxFrequency();
2038
2039   // A utility lambda that scales up a block frequency by dividing it by a
2040   // branch probability which is the reciprocal of the scale.
2041   auto ScaleBlockFrequency = [](BlockFrequency Freq,
2042                                 unsigned Scale) -> BlockFrequency {
2043     if (Scale == 0)
2044       return 0;
2045     // Use operator / between BlockFrequency and BranchProbability to implement
2046     // saturating multiplication.
2047     return Freq / BranchProbability(1, Scale);
2048   };
2049
2050   // Compute the cost of the missed fall-through edge to the loop header if the
2051   // chain head is not the loop header. As we only consider natural loops with
2052   // single header, this computation can be done only once.
2053   BlockFrequency HeaderFallThroughCost(0);
2054   for (auto *Pred : HeaderBB->predecessors()) {
2055     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
2056     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
2057         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
2058       auto EdgeFreq =
2059           MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, HeaderBB);
2060       auto FallThruCost = ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, MisfetchCost);
2061       // If the predecessor has only an unconditional jump to the header, we
2062       // need to consider the cost of this jump.
2063       if (Pred->succ_size() == 1)
2064         FallThruCost += ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, JumpInstCost);
2065       HeaderFallThroughCost = std::max(HeaderFallThroughCost, FallThruCost);
2066     }
2067   }
2068
2069   // Here we collect all exit blocks in the loop, and for each exit we find out
2070   // its hottest exit edge. For each loop rotation, we define the loop exit cost
2071   // as the sum of frequencies of exit edges we collect here, excluding the exit
2072   // edge from the tail of the loop chain.
2073   SmallVector<std::pair<MachineBasicBlock *, BlockFrequency>, 4> ExitsWithFreq;
2074   for (auto BB : LoopChain) {
2075     auto LargestExitEdgeProb = BranchProbability::getZero();
2076     for (auto *Succ : BB->successors()) {
2077       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
2078       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
2079           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin())) {
2080         auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
2081         LargestExitEdgeProb = std::max(LargestExitEdgeProb, SuccProb);
2082       }
2083     }
2084     if (LargestExitEdgeProb > BranchProbability::getZero()) {
2085       auto ExitFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * LargestExitEdgeProb;
2086       ExitsWithFreq.emplace_back(BB, ExitFreq);
2087     }
2088   }
2089
2090   // In this loop we iterate every block in the loop chain and calculate the
2091   // cost assuming the block is the head of the loop chain. When the loop ends,
2092   // we should have found the best candidate as the loop chain's head.
2093   for (auto Iter = LoopChain.begin(), TailIter = std::prev(LoopChain.end()),
2094             EndIter = LoopChain.end();
2095        Iter != EndIter; Iter++, TailIter++) {
2096     // TailIter is used to track the tail of the loop chain if the block we are
2097     // checking (pointed by Iter) is the head of the chain.
2098     if (TailIter == LoopChain.end())
2099       TailIter = LoopChain.begin();
2100
2101     auto TailBB = *TailIter;
2102
2103     // Calculate the cost by putting this BB to the top.
2104     BlockFrequency Cost = 0;
2105
2106     // If the current BB is the loop header, we need to take into account the
2107     // cost of the missed fall through edge from outside of the loop to the
2108     // header.
2109     if (Iter != HeaderIter)
2110       Cost += HeaderFallThroughCost;
2111
2112     // Collect the loop exit cost by summing up frequencies of all exit edges
2113     // except the one from the chain tail.
2114     for (auto &ExitWithFreq : ExitsWithFreq)
2115       if (TailBB != ExitWithFreq.first)
2116         Cost += ExitWithFreq.second;
2117
2118     // The cost of breaking the once fall-through edge from the tail to the top
2119     // of the loop chain. Here we need to consider three cases:
2120     // 1. If the tail node has only one successor, then we will get an
2121     //    additional jmp instruction. So the cost here is (MisfetchCost +
2122     //    JumpInstCost) * tail node frequency.
2123     // 2. If the tail node has two successors, then we may still get an
2124     //    additional jmp instruction if the layout successor after the loop
2125     //    chain is not its CFG successor. Note that the more frequently executed
2126     //    jmp instruction will be put ahead of the other one. Assume the
2127     //    frequency of those two branches are x and y, where x is the frequency
2128     //    of the edge to the chain head, then the cost will be
2129     //    (x * MisfetechCost + min(x, y) * JumpInstCost) * tail node frequency.
2130     // 3. If the tail node has more than two successors (this rarely happens),
2131     //    we won't consider any additional cost.
2132     if (TailBB->isSuccessor(*Iter)) {
2133       auto TailBBFreq = MBFI->getBlockFreq(TailBB);
2134       if (TailBB->succ_size() == 1)
2135         Cost += ScaleBlockFrequency(TailBBFreq.getFrequency(),
2136                                     MisfetchCost + JumpInstCost);
2137       else if (TailBB->succ_size() == 2) {
2138         auto TailToHeadProb = MBPI->getEdgeProbability(TailBB, *Iter);
2139         auto TailToHeadFreq = TailBBFreq * TailToHeadProb;
2140         auto ColderEdgeFreq = TailToHeadProb > BranchProbability(1, 2)
2141                                   ? TailBBFreq * TailToHeadProb.getCompl()
2142                                   : TailToHeadFreq;
2143         Cost += ScaleBlockFrequency(TailToHeadFreq, MisfetchCost) +
2144                 ScaleBlockFrequency(ColderEdgeFreq, JumpInstCost);
2145       }
2146     }
2147
2148     DEBUG(dbgs() << "The cost of loop rotation by making " << getBlockName(*Iter)
2149                  << " to the top: " << Cost.getFrequency() << "\n");
2150
2151     if (Cost < SmallestRotationCost) {
2152       SmallestRotationCost = Cost;
2153       RotationPos = Iter;
2154     }
2155   }
2156
2157   if (RotationPos != LoopChain.end()) {
2158     DEBUG(dbgs() << "Rotate loop by making " << getBlockName(*RotationPos)
2159                  << " to the top\n");
2160     std::rotate(LoopChain.begin(), RotationPos, LoopChain.end());
2161   }
2162 }
2163
2164 /// \brief Collect blocks in the given loop that are to be placed.
2165 ///
2166 /// When profile data is available, exclude cold blocks from the returned set;
2167 /// otherwise, collect all blocks in the loop.
2168 MachineBlockPlacement::BlockFilterSet
2169 MachineBlockPlacement::collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L) {
2170   BlockFilterSet LoopBlockSet;
2171
2172   // Filter cold blocks off from LoopBlockSet when profile data is available.
2173   // Collect the sum of frequencies of incoming edges to the loop header from
2174   // outside. If we treat the loop as a super block, this is the frequency of
2175   // the loop. Then for each block in the loop, we calculate the ratio between
2176   // its frequency and the frequency of the loop block. When it is too small,
2177   // don't add it to the loop chain. If there are outer loops, then this block
2178   // will be merged into the first outer loop chain for which this block is not
2179   // cold anymore. This needs precise profile data and we only do this when
2180   // profile data is available.
2181   if (F->getFunction().hasProfileData() || ForceLoopColdBlock) {
2182     BlockFrequency LoopFreq(0);
2183     for (auto LoopPred : L.getHeader()->predecessors())
2184       if (!L.contains(LoopPred))
2185         LoopFreq += MBFI->getBlockFreq(LoopPred) *
2186                     MBPI->getEdgeProbability(LoopPred, L.getHeader());
2187
2188     for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
2189       auto Freq = MBFI->getBlockFreq(LoopBB).getFrequency();
2190       if (Freq == 0 || LoopFreq.getFrequency() / Freq > LoopToColdBlockRatio)
2191         continue;
2192       LoopBlockSet.insert(LoopBB);
2193     }
2194   } else
2195     LoopBlockSet.insert(L.block_begin(), L.block_end());
2196
2197   return LoopBlockSet;
2198 }
2199
2200 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
2201 ///
2202 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
2203 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
2204 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
2205 /// branches.
2206 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(const MachineLoop &L) {
2207   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
2208   // loops.
2209   for (const MachineLoop *InnerLoop : L)
2210     buildLoopChains(*InnerLoop);
2211
2212   assert(BlockWorkList.empty() &&
2213          "BlockWorkList not empty when starting to build loop chains.");
2214   assert(EHPadWorkList.empty() &&
2215          "EHPadWorkList not empty when starting to build loop chains.");
2216   BlockFilterSet LoopBlockSet = collectLoopBlockSet(L);
2217
2218   // Check if we have profile data for this function. If yes, we will rotate
2219   // this loop by modeling costs more precisely which requires the profile data
2220   // for better layout.
2221   bool RotateLoopWithProfile =
2222       ForcePreciseRotationCost ||
2223       (PreciseRotationCost && F->getFunction().hasProfileData());
2224
2225   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
2226   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
2227   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
2228   // fewer branches in the loop body.
2229   // When we use profile data to rotate the loop, this is unnecessary.
2230   MachineBasicBlock *LoopTop =
2231       RotateLoopWithProfile ? L.getHeader() : findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
2232
2233   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
2234   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
2235   // branches by placing an exit edge at the bottom.
2236   //
2237   // Loops are processed innermost to uttermost, make sure we clear
2238   // PreferredLoopExit before processing a new loop.
2239   PreferredLoopExit = nullptr;
2240   if (!RotateLoopWithProfile && LoopTop == L.getHeader())
2241     PreferredLoopExit = findBestLoopExit(L, LoopBlockSet);
2242
2243   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
2244
2245   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
2246   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
2247   // twice.
2248   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2249   assert(LoopChain.UnscheduledPredecessors == 0 &&
2250          "LoopChain should not have unscheduled predecessors.");
2251   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
2252
2253   for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2254     fillWorkLists(LoopBB, UpdatedPreds, &LoopBlockSet);
2255
2256   buildChain(LoopTop, LoopChain, &LoopBlockSet);
2257
2258   if (RotateLoopWithProfile)
2259     rotateLoopWithProfile(LoopChain, L, LoopBlockSet);
2260   else
2261     rotateLoop(LoopChain, PreferredLoopExit, LoopBlockSet);
2262
2263   DEBUG({
2264     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2265     bool BadLoop = false;
2266     if (LoopChain.UnscheduledPredecessors) {
2267       BadLoop = true;
2268       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
2269              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2270              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
2271     }
2272     for (MachineBasicBlock *ChainBB : LoopChain) {
2273       dbgs() << "          ... " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2274       if (!LoopBlockSet.remove(ChainBB)) {
2275         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
2276         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
2277         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
2278         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
2279                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2280                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2281                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2282       }
2283     }
2284
2285     if (!LoopBlockSet.empty()) {
2286       BadLoop = true;
2287       for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2288         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
2289                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2290                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2291                << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
2292     }
2293     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
2294   });
2295
2296   BlockWorkList.clear();
2297   EHPadWorkList.clear();
2298 }
2299
2300 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains() {
2301   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
2302   // the assumptions of the remaining algorithm.
2303   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2304   for (MachineFunction::iterator FI = F->begin(), FE = F->end(); FI != FE;
2305        ++FI) {
2306     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
2307     BlockChain *Chain =
2308         new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
2309     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
2310     // the exact fallthrough behavior for.
2311     while (true) {
2312       Cond.clear();
2313       MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2314       if (!TII->analyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
2315         break;
2316
2317       MachineFunction::iterator NextFI = std::next(FI);
2318       MachineBasicBlock *NextBB = &*NextFI;
2319       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
2320       // fallthrough is a possibility.
2321       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
2322       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
2323                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
2324                    << "\n");
2325       Chain->merge(NextBB, nullptr);
2326 #ifndef NDEBUG
2327       BlocksWithUnanalyzableExits.insert(&*BB);
2328 #endif
2329       FI = NextFI;
2330       BB = NextBB;
2331     }
2332   }
2333
2334   // Build any loop-based chains.
2335   PreferredLoopExit = nullptr;
2336   for (MachineLoop *L : *MLI)
2337     buildLoopChains(*L);
2338
2339   assert(BlockWorkList.empty() &&
2340          "BlockWorkList should be empty before building final chain.");
2341   assert(EHPadWorkList.empty() &&
2342          "EHPadWorkList should be empty before building final chain.");
2343
2344   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2345   for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2346     fillWorkLists(&MBB, UpdatedPreds);
2347
2348   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2349   buildChain(&F->front(), FunctionChain);
2350
2351 #ifndef NDEBUG
2352   using FunctionBlockSetType = SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16>;
2353 #endif
2354   DEBUG({
2355     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2356     bool BadFunc = false;
2357     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
2358     for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2359       FunctionBlockSet.insert(&MBB);
2360
2361     for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
2362       if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
2363         BadFunc = true;
2364         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
2365                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2366       }
2367
2368     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
2369       BadFunc = true;
2370       for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
2371         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
2372                << "  Bad block:    " << getBlockName(RemainingBB) << "\n";
2373     }
2374     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
2375   });
2376
2377   // Splice the blocks into place.
2378   MachineFunction::iterator InsertPos = F->begin();
2379   DEBUG(dbgs() << "[MBP] Function: "<< F->getName() << "\n");
2380   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2381     DEBUG(dbgs() << (ChainBB == *FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
2382                                                        : "          ... ")
2383                  << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2384     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(ChainBB))
2385       F->splice(InsertPos, ChainBB);
2386     else
2387       ++InsertPos;
2388
2389     // Update the terminator of the previous block.
2390     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2391       continue;
2392     MachineBasicBlock *PrevBB = &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2393
2394     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
2395     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
2396     // boiler plate.
2397     Cond.clear();
2398     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2399
2400 #ifndef NDEBUG
2401     if (!BlocksWithUnanalyzableExits.count(PrevBB)) {
2402       // Given the exact block placement we chose, we may actually not _need_ to
2403       // be able to edit PrevBB's terminator sequence, but not being _able_ to
2404       // do that at this point is a bug.
2405       assert((!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond) ||
2406               !PrevBB->canFallThrough()) &&
2407              "Unexpected block with un-analyzable fallthrough!");
2408       Cond.clear();
2409       TBB = FBB = nullptr;
2410     }
2411 #endif
2412
2413     // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
2414     //   o. it may fall-through to a block without explicit "goto" instruction
2415     //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or
2416     //   o. just opposite.
2417     //
2418     // analyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
2419     // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set NULL;
2420     // for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL, is
2421     // mistakenly pointing to "*BI".
2422     // Thus, if the future change needs to use FBB before the layout is set, it
2423     // has to correct FBB first by using the code similar to the following:
2424     //
2425     // if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == ChainBB)) {
2426     //   PrevBB->updateTerminator();
2427     //   Cond.clear();
2428     //   TBB = FBB = nullptr;
2429     //   if (TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
2430     //     // FIXME: This should never take place.
2431     //     TBB = FBB = nullptr;
2432     //   }
2433     // }
2434     if (!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond))
2435       PrevBB->updateTerminator();
2436   }
2437
2438   // Fixup the last block.
2439   Cond.clear();
2440   MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2441   if (!TII->analyzeBranch(F->back(), TBB, FBB, Cond))
2442     F->back().updateTerminator();
2443
2444   BlockWorkList.clear();
2445   EHPadWorkList.clear();
2446 }
2447
2448 void MachineBlockPlacement::optimizeBranches() {
2449   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2450   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2451
2452   // Now that all the basic blocks in the chain have the proper layout,
2453   // make a final call to AnalyzeBranch with AllowModify set.
2454   // Indeed, the target may be able to optimize the branches in a way we
2455   // cannot because all branches may not be analyzable.
2456   // E.g., the target may be able to remove an unconditional branch to
2457   // a fallthrough when it occurs after predicated terminators.
2458   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2459     Cond.clear();
2460     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2461     if (!TII->analyzeBranch(*ChainBB, TBB, FBB, Cond, /*AllowModify*/ true)) {
2462       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
2463       // such that we branch to the successor with higher probability first.
2464       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
2465           MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) >
2466               MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) &&
2467           !TII->reverseBranchCondition(Cond)) {
2468         DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
2469                      << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2470         DEBUG(dbgs() << "    Edge probability: "
2471                      << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) << " vs "
2472                      << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) << "\n");
2473         DebugLoc dl; // FIXME: this is nowhere
2474         TII->removeBranch(*ChainBB);
2475         TII->insertBranch(*ChainBB, FBB, TBB, Cond, dl);
2476         ChainBB->updateTerminator();
2477       }
2478     }
2479   }
2480 }
2481
2482 void MachineBlockPlacement::alignBlocks() {
2483   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
2484   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
2485   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
2486   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
2487   // loop rotations done during this layout pass.
2488   if (F->getFunction().optForSize())
2489     return;
2490   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2491   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
2492     return; // Empty chain.
2493
2494   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
2495   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(&F->front());
2496   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
2497   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2498     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2499       continue;
2500
2501     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
2502     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
2503     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
2504     // rotated loops.
2505     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(ChainBB);
2506     if (!L)
2507       continue;
2508
2509     unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
2510     if (!Align)
2511       continue; // Don't care about loop alignment.
2512
2513     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
2514     // aligning it.
2515     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(ChainBB);
2516     if (Freq < WeightedEntryFreq)
2517       continue;
2518
2519     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
2520     // regardless of what edges into the block exist.
2521     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2522     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
2523     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
2524       continue;
2525
2526     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
2527     // from aligning this block.
2528     MachineBasicBlock *LayoutPred =
2529         &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2530
2531     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
2532     // that the block isn't cold above.
2533     if (!LayoutPred->isSuccessor(ChainBB)) {
2534       ChainBB->setAlignment(Align);
2535       continue;
2536     }
2537
2538     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
2539     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
2540     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
2541     // important.
2542     BranchProbability LayoutProb =
2543         MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, ChainBB);
2544     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
2545     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
2546       ChainBB->setAlignment(Align);
2547   }
2548 }
2549
2550 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable, repeating if
2551 /// it was duplicated into its chain predecessor and removed.
2552 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated.
2553 ///
2554 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB.
2555 ///            Updated to be the chain end if LPred is removed.
2556 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2557 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2558 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2559 ///                  counts.
2560 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2561 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2562 ///                          only needed if \p BB is removed and
2563 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2564 /// @return true if \p BB was removed.
2565 bool MachineBlockPlacement::repeatedlyTailDuplicateBlock(
2566     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
2567     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
2568     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2569     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt) {
2570   bool Removed, DuplicatedToLPred;
2571   bool DuplicatedToOriginalLPred;
2572   Removed = maybeTailDuplicateBlock(BB, LPred, Chain, BlockFilter,
2573                                     PrevUnplacedBlockIt,
2574                                     DuplicatedToLPred);
2575   if (!Removed)
2576     return false;
2577   DuplicatedToOriginalLPred = DuplicatedToLPred;
2578   // Iteratively try to duplicate again. It can happen that a block that is
2579   // duplicated into is still small enough to be duplicated again.
2580   // No need to call markBlockSuccessors in this case, as the blocks being
2581   // duplicated from here on are already scheduled.
2582   // Note that DuplicatedToLPred always implies Removed.
2583   while (DuplicatedToLPred) {
2584     assert(Removed && "Block must have been removed to be duplicated into its "
2585            "layout predecessor.");
2586     MachineBasicBlock *DupBB, *DupPred;
2587     // The removal callback causes Chain.end() to be updated when a block is
2588     // removed. On the first pass through the loop, the chain end should be the
2589     // same as it was on function entry. On subsequent passes, because we are
2590     // duplicating the block at the end of the chain, if it is removed the
2591     // chain will have shrunk by one block.
2592     BlockChain::iterator ChainEnd = Chain.end();
2593     DupBB = *(--ChainEnd);
2594     // Now try to duplicate again.
2595     if (ChainEnd == Chain.begin())
2596       break;
2597     DupPred = *std::prev(ChainEnd);
2598     Removed = maybeTailDuplicateBlock(DupBB, DupPred, Chain, BlockFilter,
2599                                       PrevUnplacedBlockIt,
2600                                       DuplicatedToLPred);
2601   }
2602   // If BB was duplicated into LPred, it is now scheduled. But because it was
2603   // removed, markChainSuccessors won't be called for its chain. Instead we
2604   // call markBlockSuccessors for LPred to achieve the same effect. This must go
2605   // at the end because repeating the tail duplication can increase the number
2606   // of unscheduled predecessors.
2607   LPred = *std::prev(Chain.end());
2608   if (DuplicatedToOriginalLPred)
2609     markBlockSuccessors(Chain, LPred, LoopHeaderBB, BlockFilter);
2610   return true;
2611 }
2612
2613 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable.
2614 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated
2615 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB
2616 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2617 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2618 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2619 ///                  counts.
2620 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2621 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2622 ///                          only needed if \p BB is removed and
2623 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2624 /// \p DuplicatedToLPred - True if the block was duplicated into LPred. Will
2625 ///                        only be true if the block was removed.
2626 /// \return  - True if the block was duplicated into all preds and removed.
2627 bool MachineBlockPlacement::maybeTailDuplicateBlock(
2628     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
2629     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2630     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
2631     bool &DuplicatedToLPred) {
2632   DuplicatedToLPred = false;
2633   if (!shouldTailDuplicate(BB))
2634     return false;
2635
2636   DEBUG(dbgs() << "Redoing tail duplication for Succ#"
2637         << BB->getNumber() << "\n");
2638
2639   // This has to be a callback because none of it can be done after
2640   // BB is deleted.
2641   bool Removed = false;
2642   auto RemovalCallback =
2643       [&](MachineBasicBlock *RemBB) {
2644         // Signal to outer function
2645         Removed = true;
2646
2647         // Conservative default.
2648         bool InWorkList = true;
2649         // Remove from the Chain and Chain Map
2650         if (BlockToChain.count(RemBB)) {
2651           BlockChain *Chain = BlockToChain[RemBB];
2652           InWorkList = Chain->UnscheduledPredecessors == 0;
2653           Chain->remove(RemBB);
2654           BlockToChain.erase(RemBB);
2655         }
2656
2657         // Handle the unplaced block iterator
2658         if (&(*PrevUnplacedBlockIt) == RemBB) {
2659           PrevUnplacedBlockIt++;
2660         }
2661
2662         // Handle the Work Lists
2663         if (InWorkList) {
2664           SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &RemoveList = BlockWorkList;
2665           if (RemBB->isEHPad())
2666             RemoveList = EHPadWorkList;
2667           RemoveList.erase(
2668               llvm::remove_if(RemoveList,
2669                               [RemBB](MachineBasicBlock *BB) {
2670                                 return BB == RemBB;
2671                               }),
2672               RemoveList.end());
2673         }
2674
2675         // Handle the filter set
2676         if (BlockFilter) {
2677           BlockFilter->remove(RemBB);
2678         }
2679
2680         // Remove the block from loop info.
2681         MLI->removeBlock(RemBB);
2682         if (RemBB == PreferredLoopExit)
2683           PreferredLoopExit = nullptr;
2684
2685         DEBUG(dbgs() << "TailDuplicator deleted block: "
2686               << getBlockName(RemBB) << "\n");
2687       };
2688   auto RemovalCallbackRef =
2689       function_ref<void(MachineBasicBlock*)>(RemovalCallback);
2690
2691   SmallVector<MachineBasicBlock *, 8> DuplicatedPreds;
2692   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
2693   TailDup.tailDuplicateAndUpdate(IsSimple, BB, LPred,
2694                                  &DuplicatedPreds, &RemovalCallbackRef);
2695
2696   // Update UnscheduledPredecessors to reflect tail-duplication.
2697   DuplicatedToLPred = false;
2698   for (MachineBasicBlock *Pred : DuplicatedPreds) {
2699     // We're only looking for unscheduled predecessors that match the filter.
2700     BlockChain* PredChain = BlockToChain[Pred];
2701     if (Pred == LPred)
2702       DuplicatedToLPred = true;
2703     if (Pred == LPred || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
2704         || PredChain == &Chain)
2705       continue;
2706     for (MachineBasicBlock *NewSucc : Pred->successors()) {
2707       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(NewSucc))
2708         continue;
2709       BlockChain *NewChain = BlockToChain[NewSucc];
2710       if (NewChain != &Chain && NewChain != PredChain)
2711         NewChain->UnscheduledPredecessors++;
2712     }
2713   }
2714   return Removed;
2715 }
2716
2717 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
2718   if (skipFunction(MF.getFunction()))
2719     return false;
2720
2721   // Check for single-block functions and skip them.
2722   if (std::next(MF.begin()) == MF.end())
2723     return false;
2724
2725   F = &MF;
2726   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2727   MBFI = llvm::make_unique<BranchFolder::MBFIWrapper>(
2728       getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>());
2729   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
2730   TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
2731   TLI = MF.getSubtarget().getTargetLowering();
2732   MPDT = nullptr;
2733
2734   // Initialize PreferredLoopExit to nullptr here since it may never be set if
2735   // there are no MachineLoops.
2736   PreferredLoopExit = nullptr;
2737
2738   assert(BlockToChain.empty() &&
2739          "BlockToChain map should be empty before starting placement.");
2740   assert(ComputedEdges.empty() &&
2741          "Computed Edge map should be empty before starting placement.");
2742
2743   unsigned TailDupSize = TailDupPlacementThreshold;
2744   // If only the aggressive threshold is explicitly set, use it.
2745   if (TailDupPlacementAggressiveThreshold.getNumOccurrences() != 0 &&
2746       TailDupPlacementThreshold.getNumOccurrences() == 0)
2747     TailDupSize = TailDupPlacementAggressiveThreshold;
2748
2749   TargetPassConfig *PassConfig = &getAnalysis<TargetPassConfig>();
2750   // For agressive optimization, we can adjust some thresholds to be less
2751   // conservative.
2752   if (PassConfig->getOptLevel() >= CodeGenOpt::Aggressive) {
2753     // At O3 we should be more willing to copy blocks for tail duplication. This
2754     // increases size pressure, so we only do it at O3
2755     // Do this unless only the regular threshold is explicitly set.
2756     if (TailDupPlacementThreshold.getNumOccurrences() == 0 ||
2757         TailDupPlacementAggressiveThreshold.getNumOccurrences() != 0)
2758       TailDupSize = TailDupPlacementAggressiveThreshold;
2759   }
2760
2761   if (TailDupPlacement) {
2762     MPDT = &getAnalysis<MachinePostDominatorTree>();
2763     if (MF.getFunction().optForSize())
2764       TailDupSize = 1;
2765     bool PreRegAlloc = false;
2766     TailDup.initMF(MF, PreRegAlloc, MBPI, /* LayoutMode */ true, TailDupSize);
2767     precomputeTriangleChains();
2768   }
2769
2770   buildCFGChains();
2771
2772   // Changing the layout can create new tail merging opportunities.
2773   // TailMerge can create jump into if branches that make CFG irreducible for
2774   // HW that requires structured CFG.
2775   bool EnableTailMerge = !MF.getTarget().requiresStructuredCFG() &&
2776                          PassConfig->getEnableTailMerge() &&
2777                          BranchFoldPlacement;
2778   // No tail merging opportunities if the block number is less than four.
2779   if (MF.size() > 3 && EnableTailMerge) {
2780     unsigned TailMergeSize = TailDupSize + 1;
2781     BranchFolder BF(/*EnableTailMerge=*/true, /*CommonHoist=*/false, *MBFI,
2782                     *MBPI, TailMergeSize);
2783
2784     if (BF.OptimizeFunction(MF, TII, MF.getSubtarget().getRegisterInfo(),
2785                             getAnalysisIfAvailable<MachineModuleInfo>(), MLI,
2786                             /*AfterBlockPlacement=*/true)) {
2787       // Redo the layout if tail merging creates/removes/moves blocks.
2788       BlockToChain.clear();
2789       ComputedEdges.clear();
2790       // Must redo the post-dominator tree if blocks were changed.
2791       if (MPDT)
2792         MPDT->runOnMachineFunction(MF);
2793       ChainAllocator.DestroyAll();
2794       buildCFGChains();
2795     }
2796   }
2797
2798   optimizeBranches();
2799   alignBlocks();
2800
2801   BlockToChain.clear();
2802   ComputedEdges.clear();
2803   ChainAllocator.DestroyAll();
2804
2805   if (AlignAllBlock)
2806     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
2807     for (MachineBasicBlock &MBB : MF)
2808       MBB.setAlignment(AlignAllBlock);
2809   else if (AlignAllNonFallThruBlocks) {
2810     // Align all of the blocks that have no fall-through predecessors to a
2811     // specific alignment.
2812     for (auto MBI = std::next(MF.begin()), MBE = MF.end(); MBI != MBE; ++MBI) {
2813       auto LayoutPred = std::prev(MBI);
2814       if (!LayoutPred->isSuccessor(&*MBI))
2815         MBI->setAlignment(AlignAllNonFallThruBlocks);
2816     }
2817   }
2818   if (ViewBlockLayoutWithBFI != GVDT_None &&
2819       (ViewBlockFreqFuncName.empty() ||
2820        F->getFunction().getName().equals(ViewBlockFreqFuncName))) {
2821     MBFI->view("MBP." + MF.getName(), false);
2822   }
2823
2824
2825   // We always return true as we have no way to track whether the final order
2826   // differs from the original order.
2827   return true;
2828 }
2829
2830 namespace {
2831
2832 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
2833 ///
2834 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
2835 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
2836 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
2837 /// alternative placement strategies.
2838 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
2839   /// \brief A handle to the branch probability pass.
2840   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
2841
2842   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
2843   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
2844
2845 public:
2846   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2847
2848   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
2849     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2850   }
2851
2852   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
2853
2854   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2855     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
2856     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
2857     AU.setPreservesAll();
2858     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
2859   }
2860 };
2861
2862 } // end anonymous namespace
2863
2864 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
2865
2866 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
2867
2868 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2869                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
2870 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
2871 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
2872 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2873                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
2874
2875 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
2876   // Check for single-block functions and skip them.
2877   if (std::next(F.begin()) == F.end())
2878     return false;
2879
2880   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2881   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
2882
2883   for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
2884     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(&MBB);
2885     Statistic &NumBranches =
2886         (MBB.succ_size() > 1) ? NumCondBranches : NumUncondBranches;
2887     Statistic &BranchTakenFreq =
2888         (MBB.succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq : UncondBranchTakenFreq;
2889     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB.successors()) {
2890       // Skip if this successor is a fallthrough.
2891       if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
2892         continue;
2893
2894       BlockFrequency EdgeFreq =
2895           BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
2896       ++NumBranches;
2897       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
2898     }
2899   }
2900
2901   return false;
2902 }