]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/lib/CodeGen/MachineBlockPlacement.cpp
Merge lldb trunk r300422 and resolve conflicts.
[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 "llvm/CodeGen/Passes.h"
29 #include "llvm/CodeGen/TargetPassConfig.h"
30 #include "BranchFolding.h"
31 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
32 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfoImpl.h"
36 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
37 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
38 #include "llvm/CodeGen/MachineBranchProbabilityInfo.h"
39 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
40 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
41 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
42 #include "llvm/CodeGen/MachineModuleInfo.h"
43 #include "llvm/CodeGen/MachinePostDominators.h"
44 #include "llvm/CodeGen/TailDuplicator.h"
45 #include "llvm/Support/Allocator.h"
46 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
50 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
51 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
52 #include <algorithm>
53 #include <functional>
54 #include <utility>
55 using namespace llvm;
56
57 #define DEBUG_TYPE "block-placement"
58
59 STATISTIC(NumCondBranches, "Number of conditional branches");
60 STATISTIC(NumUncondBranches, "Number of unconditional branches");
61 STATISTIC(CondBranchTakenFreq,
62           "Potential frequency of taking conditional branches");
63 STATISTIC(UncondBranchTakenFreq,
64           "Potential frequency of taking unconditional branches");
65
66 static cl::opt<unsigned> AlignAllBlock("align-all-blocks",
67                                        cl::desc("Force the alignment of all "
68                                                 "blocks in the function."),
69                                        cl::init(0), cl::Hidden);
70
71 static cl::opt<unsigned> AlignAllNonFallThruBlocks(
72     "align-all-nofallthru-blocks",
73     cl::desc("Force the alignment of all "
74              "blocks that have no fall-through predecessors (i.e. don't add "
75              "nops that are executed)."),
76     cl::init(0), cl::Hidden);
77
78 // FIXME: Find a good default for this flag and remove the flag.
79 static cl::opt<unsigned> ExitBlockBias(
80     "block-placement-exit-block-bias",
81     cl::desc("Block frequency percentage a loop exit block needs "
82              "over the original exit to be considered the new exit."),
83     cl::init(0), cl::Hidden);
84
85 // Definition:
86 // - Outlining: placement of a basic block outside the chain or hot path.
87
88 static cl::opt<unsigned> LoopToColdBlockRatio(
89     "loop-to-cold-block-ratio",
90     cl::desc("Outline loop blocks from loop chain if (frequency of loop) / "
91              "(frequency of block) is greater than this ratio"),
92     cl::init(5), cl::Hidden);
93
94 static cl::opt<bool>
95     PreciseRotationCost("precise-rotation-cost",
96                         cl::desc("Model the cost of loop rotation more "
97                                  "precisely by using profile data."),
98                         cl::init(false), cl::Hidden);
99 static cl::opt<bool>
100     ForcePreciseRotationCost("force-precise-rotation-cost",
101                              cl::desc("Force the use of precise cost "
102                                       "loop rotation strategy."),
103                              cl::init(false), cl::Hidden);
104
105 static cl::opt<unsigned> MisfetchCost(
106     "misfetch-cost",
107     cl::desc("Cost that models the probabilistic risk of an instruction "
108              "misfetch due to a jump comparing to falling through, whose cost "
109              "is zero."),
110     cl::init(1), cl::Hidden);
111
112 static cl::opt<unsigned> JumpInstCost("jump-inst-cost",
113                                       cl::desc("Cost of jump instructions."),
114                                       cl::init(1), cl::Hidden);
115 static cl::opt<bool>
116 TailDupPlacement("tail-dup-placement",
117               cl::desc("Perform tail duplication during placement. "
118                        "Creates more fallthrough opportunites in "
119                        "outline branches."),
120               cl::init(true), cl::Hidden);
121
122 static cl::opt<bool>
123 BranchFoldPlacement("branch-fold-placement",
124               cl::desc("Perform branch folding during placement. "
125                        "Reduces code size."),
126               cl::init(true), cl::Hidden);
127
128 // Heuristic for tail duplication.
129 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementThreshold(
130     "tail-dup-placement-threshold",
131     cl::desc("Instruction cutoff for tail duplication during layout. "
132              "Tail merging during layout is forced to have a threshold "
133              "that won't conflict."), cl::init(2),
134     cl::Hidden);
135
136 // Heuristic for tail duplication.
137 static cl::opt<unsigned> TailDupPlacementPenalty(
138     "tail-dup-placement-penalty",
139     cl::desc("Cost penalty for blocks that can avoid breaking CFG by copying. "
140              "Copying can increase fallthrough, but it also increases icache "
141              "pressure. This parameter controls the penalty to account for that. "
142              "Percent as integer."),
143     cl::init(2),
144     cl::Hidden);
145
146 // Heuristic for triangle chains.
147 static cl::opt<unsigned> TriangleChainCount(
148     "triangle-chain-count",
149     cl::desc("Number of triangle-shaped-CFG's that need to be in a row for the "
150              "triangle tail duplication heuristic to kick in. 0 to disable."),
151     cl::init(2),
152     cl::Hidden);
153
154 extern cl::opt<unsigned> StaticLikelyProb;
155 extern cl::opt<unsigned> ProfileLikelyProb;
156
157 // Internal option used to control BFI display only after MBP pass.
158 // Defined in CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.cpp:
159 // -view-block-layout-with-bfi=
160 extern cl::opt<GVDAGType> ViewBlockLayoutWithBFI;
161
162 // Command line option to specify the name of the function for CFG dump
163 // Defined in Analysis/BlockFrequencyInfo.cpp:  -view-bfi-func-name=
164 extern cl::opt<std::string> ViewBlockFreqFuncName;
165
166 namespace {
167 class BlockChain;
168 /// \brief Type for our function-wide basic block -> block chain mapping.
169 typedef DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChainMapType;
170 }
171
172 namespace {
173 /// \brief A chain of blocks which will be laid out contiguously.
174 ///
175 /// This is the datastructure representing a chain of consecutive blocks that
176 /// are profitable to layout together in order to maximize fallthrough
177 /// probabilities and code locality. We also can use a block chain to represent
178 /// a sequence of basic blocks which have some external (correctness)
179 /// requirement for sequential layout.
180 ///
181 /// Chains can be built around a single basic block and can be merged to grow
182 /// them. They participate in a block-to-chain mapping, which is updated
183 /// automatically as chains are merged together.
184 class BlockChain {
185   /// \brief The sequence of blocks belonging to this chain.
186   ///
187   /// This is the sequence of blocks for a particular chain. These will be laid
188   /// out in-order within the function.
189   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
190
191   /// \brief A handle to the function-wide basic block to block chain mapping.
192   ///
193   /// This is retained in each block chain to simplify the computation of child
194   /// block chains for SCC-formation and iteration. We store the edges to child
195   /// basic blocks, and map them back to their associated chains using this
196   /// structure.
197   BlockToChainMapType &BlockToChain;
198
199 public:
200   /// \brief Construct a new BlockChain.
201   ///
202   /// This builds a new block chain representing a single basic block in the
203   /// function. It also registers itself as the chain that block participates
204   /// in with the BlockToChain mapping.
205   BlockChain(BlockToChainMapType &BlockToChain, MachineBasicBlock *BB)
206       : Blocks(1, BB), BlockToChain(BlockToChain), UnscheduledPredecessors(0) {
207     assert(BB && "Cannot create a chain with a null basic block");
208     BlockToChain[BB] = this;
209   }
210
211   /// \brief Iterator over blocks within the chain.
212   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::iterator iterator;
213   typedef SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *>::const_iterator const_iterator;
214
215   /// \brief Beginning of blocks within the chain.
216   iterator begin() { return Blocks.begin(); }
217   const_iterator begin() const { return Blocks.begin(); }
218
219   /// \brief End of blocks within the chain.
220   iterator end() { return Blocks.end(); }
221   const_iterator end() const { return Blocks.end(); }
222
223   bool remove(MachineBasicBlock* BB) {
224     for(iterator i = begin(); i != end(); ++i) {
225       if (*i == BB) {
226         Blocks.erase(i);
227         return true;
228       }
229     }
230     return false;
231   }
232
233   /// \brief Merge a block chain into this one.
234   ///
235   /// This routine merges a block chain into this one. It takes care of forming
236   /// a contiguous sequence of basic blocks, updating the edge list, and
237   /// updating the block -> chain mapping. It does not free or tear down the
238   /// old chain, but the old chain's block list is no longer valid.
239   void merge(MachineBasicBlock *BB, BlockChain *Chain) {
240     assert(BB);
241     assert(!Blocks.empty());
242
243     // Fast path in case we don't have a chain already.
244     if (!Chain) {
245       assert(!BlockToChain[BB]);
246       Blocks.push_back(BB);
247       BlockToChain[BB] = this;
248       return;
249     }
250
251     assert(BB == *Chain->begin());
252     assert(Chain->begin() != Chain->end());
253
254     // Update the incoming blocks to point to this chain, and add them to the
255     // chain structure.
256     for (MachineBasicBlock *ChainBB : *Chain) {
257       Blocks.push_back(ChainBB);
258       assert(BlockToChain[ChainBB] == Chain && "Incoming blocks not in chain");
259       BlockToChain[ChainBB] = this;
260     }
261   }
262
263 #ifndef NDEBUG
264   /// \brief Dump the blocks in this chain.
265   LLVM_DUMP_METHOD void dump() {
266     for (MachineBasicBlock *MBB : *this)
267       MBB->dump();
268   }
269 #endif // NDEBUG
270
271   /// \brief Count of predecessors of any block within the chain which have not
272   /// yet been scheduled.  In general, we will delay scheduling this chain
273   /// until those predecessors are scheduled (or we find a sufficiently good
274   /// reason to override this heuristic.)  Note that when forming loop chains,
275   /// blocks outside the loop are ignored and treated as if they were already
276   /// scheduled.
277   ///
278   /// Note: This field is reinitialized multiple times - once for each loop,
279   /// and then once for the function as a whole.
280   unsigned UnscheduledPredecessors;
281 };
282 }
283
284 namespace {
285 class MachineBlockPlacement : public MachineFunctionPass {
286   /// \brief A typedef for a block filter set.
287   typedef SmallSetVector<const MachineBasicBlock *, 16> BlockFilterSet;
288
289   /// Pair struct containing basic block and taildup profitiability
290   struct BlockAndTailDupResult {
291     MachineBasicBlock *BB;
292     bool ShouldTailDup;
293   };
294
295   /// Triple struct containing edge weight and the edge.
296   struct WeightedEdge {
297     BlockFrequency Weight;
298     MachineBasicBlock *Src;
299     MachineBasicBlock *Dest;
300   };
301
302   /// \brief work lists of blocks that are ready to be laid out
303   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> BlockWorkList;
304   SmallVector<MachineBasicBlock *, 16> EHPadWorkList;
305
306   /// Edges that have already been computed as optimal.
307   DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockAndTailDupResult> ComputedEdges;
308
309   /// \brief Machine Function
310   MachineFunction *F;
311
312   /// \brief A handle to the branch probability pass.
313   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
314
315   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
316   std::unique_ptr<BranchFolder::MBFIWrapper> MBFI;
317
318   /// \brief A handle to the loop info.
319   MachineLoopInfo *MLI;
320
321   /// \brief Preferred loop exit.
322   /// Member variable for convenience. It may be removed by duplication deep
323   /// in the call stack.
324   MachineBasicBlock *PreferredLoopExit;
325
326   /// \brief A handle to the target's instruction info.
327   const TargetInstrInfo *TII;
328
329   /// \brief A handle to the target's lowering info.
330   const TargetLoweringBase *TLI;
331
332   /// \brief A handle to the post dominator tree.
333   MachinePostDominatorTree *MPDT;
334
335   /// \brief Duplicator used to duplicate tails during placement.
336   ///
337   /// Placement decisions can open up new tail duplication opportunities, but
338   /// since tail duplication affects placement decisions of later blocks, it
339   /// must be done inline.
340   TailDuplicator TailDup;
341
342   /// \brief Allocator and owner of BlockChain structures.
343   ///
344   /// We build BlockChains lazily while processing the loop structure of
345   /// a function. To reduce malloc traffic, we allocate them using this
346   /// slab-like allocator, and destroy them after the pass completes. An
347   /// important guarantee is that this allocator produces stable pointers to
348   /// the chains.
349   SpecificBumpPtrAllocator<BlockChain> ChainAllocator;
350
351   /// \brief Function wide BasicBlock to BlockChain mapping.
352   ///
353   /// This mapping allows efficiently moving from any given basic block to the
354   /// BlockChain it participates in, if any. We use it to, among other things,
355   /// allow implicitly defining edges between chains as the existing edges
356   /// between basic blocks.
357   DenseMap<const MachineBasicBlock *, BlockChain *> BlockToChain;
358
359 #ifndef NDEBUG
360   /// The set of basic blocks that have terminators that cannot be fully
361   /// analyzed.  These basic blocks cannot be re-ordered safely by
362   /// MachineBlockPlacement, and we must preserve physical layout of these
363   /// blocks and their successors through the pass.
364   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksWithUnanalyzableExits;
365 #endif
366
367   /// Decrease the UnscheduledPredecessors count for all blocks in chain, and
368   /// if the count goes to 0, add them to the appropriate work list.
369   void markChainSuccessors(
370       const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
371       const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
372
373   /// Decrease the UnscheduledPredecessors count for a single block, and
374   /// if the count goes to 0, add them to the appropriate work list.
375   void markBlockSuccessors(
376       const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *BB,
377       const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
378       const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
379
380   BranchProbability
381   collectViableSuccessors(
382       const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
383       const BlockFilterSet *BlockFilter,
384       SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> &Successors);
385   bool shouldPredBlockBeOutlined(
386       const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
387       const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter,
388       BranchProbability SuccProb, BranchProbability HotProb);
389   bool repeatedlyTailDuplicateBlock(
390       MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
391       const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
392       BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
393       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt);
394   bool maybeTailDuplicateBlock(
395       MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
396       BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
397       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
398       bool &DuplicatedToPred);
399   bool hasBetterLayoutPredecessor(
400       const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
401       const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
402       BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
403       const BlockFilterSet *BlockFilter);
404   BlockAndTailDupResult selectBestSuccessor(
405       const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
406       const BlockFilterSet *BlockFilter);
407   MachineBasicBlock *selectBestCandidateBlock(
408       const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList);
409   MachineBasicBlock *getFirstUnplacedBlock(
410       const BlockChain &PlacedChain,
411       MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
412       const BlockFilterSet *BlockFilter);
413
414   /// \brief Add a basic block to the work list if it is appropriate.
415   ///
416   /// If the optional parameter BlockFilter is provided, only MBB
417   /// present in the set will be added to the worklist. If nullptr
418   /// is provided, no filtering occurs.
419   void fillWorkLists(const MachineBasicBlock *MBB,
420                      SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
421                      const BlockFilterSet *BlockFilter);
422   void buildChain(const MachineBasicBlock *BB, BlockChain &Chain,
423                   BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr);
424   MachineBasicBlock *findBestLoopTop(
425       const MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
426   MachineBasicBlock *findBestLoopExit(
427       const MachineLoop &L, const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
428   BlockFilterSet collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L);
429   void buildLoopChains(const MachineLoop &L);
430   void rotateLoop(
431       BlockChain &LoopChain, const MachineBasicBlock *ExitingBB,
432       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
433   void rotateLoopWithProfile(
434       BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
435       const BlockFilterSet &LoopBlockSet);
436   void buildCFGChains();
437   void optimizeBranches();
438   void alignBlocks();
439   /// Returns true if a block should be tail-duplicated to increase fallthrough
440   /// opportunities.
441   bool shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB);
442   /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
443   /// fallthroughs.
444   bool isProfitableToTailDup(
445     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
446     BranchProbability AdjustedSumProb,
447     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
448   /// Check for a trellis layout.
449   bool isTrellis(const MachineBasicBlock *BB,
450                  const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
451                  const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
452   /// Get the best successor given a trellis layout.
453   BlockAndTailDupResult getBestTrellisSuccessor(
454       const MachineBasicBlock *BB,
455       const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
456       BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
457       const BlockFilterSet *BlockFilter);
458   /// Get the best pair of non-conflicting edges.
459   static std::pair<WeightedEdge, WeightedEdge> getBestNonConflictingEdges(
460       const MachineBasicBlock *BB,
461       MutableArrayRef<SmallVector<WeightedEdge, 8>> Edges);
462   /// Returns true if a block can tail duplicate into all unplaced
463   /// predecessors. Filters based on loop.
464   bool canTailDuplicateUnplacedPreds(
465       const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
466       const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter);
467   /// Find chains of triangles to tail-duplicate where a global analysis works,
468   /// but a local analysis would not find them.
469   void precomputeTriangleChains();
470
471 public:
472   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
473   MachineBlockPlacement() : MachineFunctionPass(ID) {
474     initializeMachineBlockPlacementPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
475   }
476
477   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
478
479   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
480     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
481     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
482     if (TailDupPlacement)
483       AU.addRequired<MachinePostDominatorTree>();
484     AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
485     AU.addRequired<TargetPassConfig>();
486     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
487   }
488 };
489 }
490
491 char MachineBlockPlacement::ID = 0;
492 char &llvm::MachineBlockPlacementID = MachineBlockPlacement::ID;
493 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacement, "block-placement",
494                       "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
495 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
496 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
497 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachinePostDominatorTree)
498 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
499 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacement, "block-placement",
500                     "Branch Probability Basic Block Placement", false, false)
501
502 #ifndef NDEBUG
503 /// \brief Helper to print the name of a MBB.
504 ///
505 /// Only used by debug logging.
506 static std::string getBlockName(const MachineBasicBlock *BB) {
507   std::string Result;
508   raw_string_ostream OS(Result);
509   OS << "BB#" << BB->getNumber();
510   OS << " ('" << BB->getName() << "')";
511   OS.flush();
512   return Result;
513 }
514 #endif
515
516 /// \brief Mark a chain's successors as having one fewer preds.
517 ///
518 /// When a chain is being merged into the "placed" chain, this routine will
519 /// quickly walk the successors of each block in the chain and mark them as
520 /// having one fewer active predecessor. It also adds any successors of this
521 /// chain which reach the zero-predecessor state to the appropriate worklist.
522 void MachineBlockPlacement::markChainSuccessors(
523     const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
524     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
525   // Walk all the blocks in this chain, marking their successors as having
526   // a predecessor placed.
527   for (MachineBasicBlock *MBB : Chain) {
528     markBlockSuccessors(Chain, MBB, LoopHeaderBB, BlockFilter);
529   }
530 }
531
532 /// \brief Mark a single block's successors as having one fewer preds.
533 ///
534 /// Under normal circumstances, this is only called by markChainSuccessors,
535 /// but if a block that was to be placed is completely tail-duplicated away,
536 /// and was duplicated into the chain end, we need to redo markBlockSuccessors
537 /// for just that block.
538 void MachineBlockPlacement::markBlockSuccessors(
539     const BlockChain &Chain, const MachineBasicBlock *MBB,
540     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
541   // Add any successors for which this is the only un-placed in-loop
542   // predecessor to the worklist as a viable candidate for CFG-neutral
543   // placement. No subsequent placement of this block will violate the CFG
544   // shape, so we get to use heuristics to choose a favorable placement.
545   for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
546     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))
547       continue;
548     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
549     // Disregard edges within a fixed chain, or edges to the loop header.
550     if (&Chain == &SuccChain || Succ == LoopHeaderBB)
551       continue;
552
553     // This is a cross-chain edge that is within the loop, so decrement the
554     // loop predecessor count of the destination chain.
555     if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 ||
556         --SuccChain.UnscheduledPredecessors > 0)
557       continue;
558
559     auto *NewBB = *SuccChain.begin();
560     if (NewBB->isEHPad())
561       EHPadWorkList.push_back(NewBB);
562     else
563       BlockWorkList.push_back(NewBB);
564   }
565 }
566
567 /// This helper function collects the set of successors of block
568 /// \p BB that are allowed to be its layout successors, and return
569 /// the total branch probability of edges from \p BB to those
570 /// blocks.
571 BranchProbability MachineBlockPlacement::collectViableSuccessors(
572     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
573     const BlockFilterSet *BlockFilter,
574     SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> &Successors) {
575   // Adjust edge probabilities by excluding edges pointing to blocks that is
576   // either not in BlockFilter or is already in the current chain. Consider the
577   // following CFG:
578   //
579   //     --->A
580   //     |  / \
581   //     | B   C
582   //     |  \ / \
583   //     ----D   E
584   //
585   // Assume A->C is very hot (>90%), and C->D has a 50% probability, then after
586   // A->C is chosen as a fall-through, D won't be selected as a successor of C
587   // due to CFG constraint (the probability of C->D is not greater than
588   // HotProb to break top-order). If we exclude E that is not in BlockFilter
589   // when calculating the  probability of C->D, D will be selected and we
590   // will get A C D B as the layout of this loop.
591   auto AdjustedSumProb = BranchProbability::getOne();
592   for (MachineBasicBlock *Succ : BB->successors()) {
593     bool SkipSucc = false;
594     if (Succ->isEHPad() || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Succ))) {
595       SkipSucc = true;
596     } else {
597       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
598       if (SuccChain == &Chain) {
599         SkipSucc = true;
600       } else if (Succ != *SuccChain->begin()) {
601         DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(Succ) << " -> Mid chain!\n");
602         continue;
603       }
604     }
605     if (SkipSucc)
606       AdjustedSumProb -= MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
607     else
608       Successors.push_back(Succ);
609   }
610
611   return AdjustedSumProb;
612 }
613
614 /// The helper function returns the branch probability that is adjusted
615 /// or normalized over the new total \p AdjustedSumProb.
616 static BranchProbability
617 getAdjustedProbability(BranchProbability OrigProb,
618                        BranchProbability AdjustedSumProb) {
619   BranchProbability SuccProb;
620   uint32_t SuccProbN = OrigProb.getNumerator();
621   uint32_t SuccProbD = AdjustedSumProb.getNumerator();
622   if (SuccProbN >= SuccProbD)
623     SuccProb = BranchProbability::getOne();
624   else
625     SuccProb = BranchProbability(SuccProbN, SuccProbD);
626
627   return SuccProb;
628 }
629
630 /// Check if \p BB has exactly the successors in \p Successors.
631 static bool
632 hasSameSuccessors(MachineBasicBlock &BB,
633                   SmallPtrSetImpl<const MachineBasicBlock *> &Successors) {
634   if (BB.succ_size() != Successors.size())
635     return false;
636   // We don't want to count self-loops
637   if (Successors.count(&BB))
638     return false;
639   for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors())
640     if (!Successors.count(Succ))
641       return false;
642   return true;
643 }
644
645 /// Check if a block should be tail duplicated to increase fallthrough
646 /// opportunities.
647 /// \p BB Block to check.
648 bool MachineBlockPlacement::shouldTailDuplicate(MachineBasicBlock *BB) {
649   // Blocks with single successors don't create additional fallthrough
650   // opportunities. Don't duplicate them. TODO: When conditional exits are
651   // analyzable, allow them to be duplicated.
652   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
653
654   if (BB->succ_size() == 1)
655     return false;
656   return TailDup.shouldTailDuplicate(IsSimple, *BB);
657 }
658
659 /// Compare 2 BlockFrequency's with a small penalty for \p A.
660 /// In order to be conservative, we apply a X% penalty to account for
661 /// increased icache pressure and static heuristics. For small frequencies
662 /// we use only the numerators to improve accuracy. For simplicity, we assume the
663 /// penalty is less than 100%
664 /// TODO(iteratee): Use 64-bit fixed point edge frequencies everywhere.
665 static bool greaterWithBias(BlockFrequency A, BlockFrequency B,
666                             uint64_t EntryFreq) {
667   BranchProbability ThresholdProb(TailDupPlacementPenalty, 100);
668   BlockFrequency Gain = A - B;
669   return (Gain / ThresholdProb).getFrequency() >= EntryFreq;
670 }
671
672 /// Check the edge frequencies to see if tail duplication will increase
673 /// fallthroughs. It only makes sense to call this function when
674 /// \p Succ would not be chosen otherwise. Tail duplication of \p Succ is
675 /// always locally profitable if we would have picked \p Succ without
676 /// considering duplication.
677 bool MachineBlockPlacement::isProfitableToTailDup(
678     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
679     BranchProbability QProb,
680     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
681   // We need to do a probability calculation to make sure this is profitable.
682   // First: does succ have a successor that post-dominates? This affects the
683   // calculation. The 2 relevant cases are:
684   //    BB         BB
685   //    | \Qout    | \Qout
686   //   P|  C       |P C
687   //    =   C'     =   C'
688   //    |  /Qin    |  /Qin
689   //    | /        | /
690   //    Succ       Succ
691   //    / \        | \  V
692   //  U/   =V      |U \
693   //  /     \      =   D
694   //  D      E     |  /
695   //               | /
696   //               |/
697   //               PDom
698   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
699   // In the second case, Placing Succ while duplicating it into C prevents the
700   // fallthrough of Succ into either D or PDom, because they now have C as an
701   // unplaced predecessor
702
703   // Start by figuring out which case we fall into
704   MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
705   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> SuccSuccs;
706   // Only scan the relevant successors
707   auto AdjustedSuccSumProb =
708       collectViableSuccessors(Succ, Chain, BlockFilter, SuccSuccs);
709   BranchProbability PProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
710   auto BBFreq = MBFI->getBlockFreq(BB);
711   auto SuccFreq = MBFI->getBlockFreq(Succ);
712   BlockFrequency P = BBFreq * PProb;
713   BlockFrequency Qout = BBFreq * QProb;
714   uint64_t EntryFreq = MBFI->getEntryFreq();
715   // If there are no more successors, it is profitable to copy, as it strictly
716   // increases fallthrough.
717   if (SuccSuccs.size() == 0)
718     return greaterWithBias(P, Qout, EntryFreq);
719
720   auto BestSuccSucc = BranchProbability::getZero();
721   // Find the PDom or the best Succ if no PDom exists.
722   for (MachineBasicBlock *SuccSucc : SuccSuccs) {
723     auto Prob = MBPI->getEdgeProbability(Succ, SuccSucc);
724     if (Prob > BestSuccSucc)
725       BestSuccSucc = Prob;
726     if (PDom == nullptr)
727       if (MPDT->dominates(SuccSucc, Succ)) {
728         PDom = SuccSucc;
729         break;
730       }
731   }
732   // For the comparisons, we need to know Succ's best incoming edge that isn't
733   // from BB.
734   auto SuccBestPred = BlockFrequency(0);
735   for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
736     if (SuccPred == Succ || SuccPred == BB
737         || BlockToChain[SuccPred] == &Chain
738         || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)))
739       continue;
740     auto Freq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred)
741         * MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
742     if (Freq > SuccBestPred)
743       SuccBestPred = Freq;
744   }
745   // Qin is Succ's best unplaced incoming edge that isn't BB
746   BlockFrequency Qin = SuccBestPred;
747   // If it doesn't have a post-dominating successor, here is the calculation:
748   //    BB        BB
749   //    | \Qout   |  \
750   //   P|  C      |   =
751   //    =   C'    |    C
752   //    |  /Qin   |     |
753   //    | /       |     C' (+Succ)
754   //    Succ      Succ /|
755   //    / \       |  \/ |
756   //  U/   =V     |  == |
757   //  /     \     | /  \|
758   //  D      E    D     E
759   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
760   //  Cost in the first case is: P + V
761   //  For this calculation, we always assume P > Qout. If Qout > P
762   //  The result of this function will be ignored at the caller.
763   //  Let F = SuccFreq - Qin
764   //  Cost in the second case is: Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
765
766   if (PDom == nullptr || !Succ->isSuccessor(PDom)) {
767     BranchProbability UProb = BestSuccSucc;
768     BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
769     BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
770     BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
771     BlockFrequency QinU = std::min(Qin, F) * UProb;
772     BlockFrequency BaseCost = P + V;
773     BlockFrequency DupCost = Qout + QinU + std::max(Qin, F) * VProb;
774     return greaterWithBias(BaseCost, DupCost, EntryFreq);
775   }
776   BranchProbability UProb = MBPI->getEdgeProbability(Succ, PDom);
777   BranchProbability VProb = AdjustedSuccSumProb - UProb;
778   BlockFrequency U = SuccFreq * UProb;
779   BlockFrequency V = SuccFreq * VProb;
780   BlockFrequency F = SuccFreq - Qin;
781   // If there is a post-dominating successor, here is the calculation:
782   // BB         BB                 BB          BB
783   // | \Qout    |   \               | \Qout     |  \
784   // |P C       |    =              |P C        |   =
785   // =   C'     |P    C             =   C'      |P   C
786   // |  /Qin    |      |            |  /Qin     |     |
787   // | /        |      C' (+Succ)   | /         |     C' (+Succ)
788   // Succ       Succ  /|            Succ        Succ /|
789   // | \  V     |   \/ |            | \  V      |  \/ |
790   // |U \       |U  /\ =?           |U =        |U /\ |
791   // =   D      = =  =?|            |   D       | =  =|
792   // |  /       |/     D            |  /        |/    D
793   // | /        |     /             | =         |    /
794   // |/         |    /              |/          |   =
795   // Dom         Dom                Dom         Dom
796   //  '=' : Branch taken for that CFG edge
797   // The cost for taken branches in the first case is P + U
798   // Let F = SuccFreq - Qin
799   // The cost in the second case (assuming independence), given the layout:
800   // BB, Succ, (C+Succ), D, Dom or the layout:
801   // BB, Succ, D, Dom, (C+Succ)
802   // is Qout + max(F, Qin) * U + min(F, Qin)
803   // compare P + U vs Qout + P * U + Qin.
804   //
805   // The 3rd and 4th cases cover when Dom would be chosen to follow Succ.
806   //
807   // For the 3rd case, the cost is P + 2 * V
808   // For the 4th case, the cost is Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V + V
809   // We choose 4 over 3 when (P + V) > Qout + min(Qin, F) * U + max(Qin, F) * V
810   if (UProb > AdjustedSuccSumProb / 2 &&
811       !hasBetterLayoutPredecessor(Succ, PDom, *BlockToChain[PDom], UProb, UProb,
812                                   Chain, BlockFilter))
813     // Cases 3 & 4
814     return greaterWithBias(
815         (P + V), (Qout + std::max(Qin, F) * VProb + std::min(Qin, F) * UProb),
816         EntryFreq);
817   // Cases 1 & 2
818   return greaterWithBias((P + U),
819                          (Qout + std::min(Qin, F) * AdjustedSuccSumProb +
820                           std::max(Qin, F) * UProb),
821                          EntryFreq);
822 }
823
824 /// Check for a trellis layout. \p BB is the upper part of a trellis if its
825 /// successors form the lower part of a trellis. A successor set S forms the
826 /// lower part of a trellis if all of the predecessors of S are either in S or
827 /// have all of S as successors. We ignore trellises where BB doesn't have 2
828 /// successors because for fewer than 2, it's trivial, and for 3 or greater they
829 /// are very uncommon and complex to compute optimally. Allowing edges within S
830 /// is not strictly a trellis, but the same algorithm works, so we allow it.
831 bool MachineBlockPlacement::isTrellis(
832     const MachineBasicBlock *BB,
833     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
834     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
835   // Technically BB could form a trellis with branching factor higher than 2.
836   // But that's extremely uncommon.
837   if (BB->succ_size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
838     return false;
839
840   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 2> Successors(BB->succ_begin(),
841                                                        BB->succ_end());
842   // To avoid reviewing the same predecessors twice.
843   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 8> SeenPreds;
844
845   for (MachineBasicBlock *Succ : ViableSuccs) {
846     int PredCount = 0;
847     for (auto SuccPred : Succ->predecessors()) {
848       // Allow triangle successors, but don't count them.
849       if (Successors.count(SuccPred)) {
850         // Make sure that it is actually a triangle.
851         for (MachineBasicBlock *CheckSucc : SuccPred->successors())
852           if (!Successors.count(CheckSucc))
853             return false;
854         continue;
855       }
856       const BlockChain *PredChain = BlockToChain[SuccPred];
857       if (SuccPred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
858           PredChain == &Chain || PredChain == BlockToChain[Succ])
859         continue;
860       ++PredCount;
861       // Perform the successor check only once.
862       if (!SeenPreds.insert(SuccPred).second)
863         continue;
864       if (!hasSameSuccessors(*SuccPred, Successors))
865         return false;
866     }
867     // If one of the successors has only BB as a predecessor, it is not a
868     // trellis.
869     if (PredCount < 1)
870       return false;
871   }
872   return true;
873 }
874
875 /// Pick the highest total weight pair of edges that can both be laid out.
876 /// The edges in \p Edges[0] are assumed to have a different destination than
877 /// the edges in \p Edges[1]. Simple counting shows that the best pair is either
878 /// the individual highest weight edges to the 2 different destinations, or in
879 /// case of a conflict, one of them should be replaced with a 2nd best edge.
880 std::pair<MachineBlockPlacement::WeightedEdge,
881           MachineBlockPlacement::WeightedEdge>
882 MachineBlockPlacement::getBestNonConflictingEdges(
883     const MachineBasicBlock *BB,
884     MutableArrayRef<SmallVector<MachineBlockPlacement::WeightedEdge, 8>>
885         Edges) {
886   // Sort the edges, and then for each successor, find the best incoming
887   // predecessor. If the best incoming predecessors aren't the same,
888   // then that is clearly the best layout. If there is a conflict, one of the
889   // successors will have to fallthrough from the second best predecessor. We
890   // compare which combination is better overall.
891
892   // Sort for highest frequency.
893   auto Cmp = [](WeightedEdge A, WeightedEdge B) { return A.Weight > B.Weight; };
894
895   std::stable_sort(Edges[0].begin(), Edges[0].end(), Cmp);
896   std::stable_sort(Edges[1].begin(), Edges[1].end(), Cmp);
897   auto BestA = Edges[0].begin();
898   auto BestB = Edges[1].begin();
899   // Arrange for the correct answer to be in BestA and BestB
900   // If the 2 best edges don't conflict, the answer is already there.
901   if (BestA->Src == BestB->Src) {
902     // Compare the total fallthrough of (Best + Second Best) for both pairs
903     auto SecondBestA = std::next(BestA);
904     auto SecondBestB = std::next(BestB);
905     BlockFrequency BestAScore = BestA->Weight + SecondBestB->Weight;
906     BlockFrequency BestBScore = BestB->Weight + SecondBestA->Weight;
907     if (BestAScore < BestBScore)
908       BestA = SecondBestA;
909     else
910       BestB = SecondBestB;
911   }
912   // Arrange for the BB edge to be in BestA if it exists.
913   if (BestB->Src == BB)
914     std::swap(BestA, BestB);
915   return std::make_pair(*BestA, *BestB);
916 }
917
918 /// Get the best successor from \p BB based on \p BB being part of a trellis.
919 /// We only handle trellises with 2 successors, so the algorithm is
920 /// straightforward: Find the best pair of edges that don't conflict. We find
921 /// the best incoming edge for each successor in the trellis. If those conflict,
922 /// we consider which of them should be replaced with the second best.
923 /// Upon return the two best edges will be in \p BestEdges. If one of the edges
924 /// comes from \p BB, it will be in \p BestEdges[0]
925 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
926 MachineBlockPlacement::getBestTrellisSuccessor(
927     const MachineBasicBlock *BB,
928     const SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &ViableSuccs,
929     BranchProbability AdjustedSumProb, const BlockChain &Chain,
930     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
931
932   BlockAndTailDupResult Result = {nullptr, false};
933   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
934                                                        BB->succ_end());
935
936   // We assume size 2 because it's common. For general n, we would have to do
937   // the Hungarian algorithm, but it's not worth the complexity because more
938   // than 2 successors is fairly uncommon, and a trellis even more so.
939   if (Successors.size() != 2 || ViableSuccs.size() != 2)
940     return Result;
941
942   // Collect the edge frequencies of all edges that form the trellis.
943   SmallVector<WeightedEdge, 8> Edges[2];
944   int SuccIndex = 0;
945   for (auto Succ : ViableSuccs) {
946     for (MachineBasicBlock *SuccPred : Succ->predecessors()) {
947       // Skip any placed predecessors that are not BB
948       if (SuccPred != BB)
949         if ((BlockFilter && !BlockFilter->count(SuccPred)) ||
950             BlockToChain[SuccPred] == &Chain ||
951             BlockToChain[SuccPred] == BlockToChain[Succ])
952           continue;
953       BlockFrequency EdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(SuccPred) *
954                                 MBPI->getEdgeProbability(SuccPred, Succ);
955       Edges[SuccIndex].push_back({EdgeFreq, SuccPred, Succ});
956     }
957     ++SuccIndex;
958   }
959
960   // Pick the best combination of 2 edges from all the edges in the trellis.
961   WeightedEdge BestA, BestB;
962   std::tie(BestA, BestB) = getBestNonConflictingEdges(BB, Edges);
963
964   if (BestA.Src != BB) {
965     // If we have a trellis, and BB doesn't have the best fallthrough edges,
966     // we shouldn't choose any successor. We've already looked and there's a
967     // better fallthrough edge for all the successors.
968     DEBUG(dbgs() << "Trellis, but not one of the chosen edges.\n");
969     return Result;
970   }
971
972   // Did we pick the triangle edge? If tail-duplication is profitable, do
973   // that instead. Otherwise merge the triangle edge now while we know it is
974   // optimal.
975   if (BestA.Dest == BestB.Src) {
976     // The edges are BB->Succ1->Succ2, and we're looking to see if BB->Succ2
977     // would be better.
978     MachineBasicBlock *Succ1 = BestA.Dest;
979     MachineBasicBlock *Succ2 = BestB.Dest;
980     // Check to see if tail-duplication would be profitable.
981     if (TailDupPlacement && shouldTailDuplicate(Succ2) &&
982         canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ2, Chain, BlockFilter) &&
983         isProfitableToTailDup(BB, Succ2, MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ1),
984                               Chain, BlockFilter)) {
985       DEBUG(BranchProbability Succ2Prob = getAdjustedProbability(
986                 MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ2), AdjustedSumProb);
987             dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(Succ2)
988                    << ", probability: " << Succ2Prob << " (Tail Duplicate)\n");
989       Result.BB = Succ2;
990       Result.ShouldTailDup = true;
991       return Result;
992     }
993   }
994   // We have already computed the optimal edge for the other side of the
995   // trellis.
996   ComputedEdges[BestB.Src] = { BestB.Dest, false };
997
998   auto TrellisSucc = BestA.Dest;
999   DEBUG(BranchProbability SuccProb = getAdjustedProbability(
1000             MBPI->getEdgeProbability(BB, TrellisSucc), AdjustedSumProb);
1001         dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(TrellisSucc)
1002                << ", probability: " << SuccProb << " (Trellis)\n");
1003   Result.BB = TrellisSucc;
1004   return Result;
1005 }
1006
1007 /// When the option TailDupPlacement is on, this method checks if the
1008 /// fallthrough candidate block \p Succ (of block \p BB) can be tail-duplicated
1009 /// into all of its unplaced, unfiltered predecessors, that are not BB.
1010 bool MachineBlockPlacement::canTailDuplicateUnplacedPreds(
1011     const MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *Succ,
1012     const BlockChain &Chain, const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1013   if (!shouldTailDuplicate(Succ))
1014     return false;
1015
1016   // For CFG checking.
1017   SmallPtrSet<const MachineBasicBlock *, 4> Successors(BB->succ_begin(),
1018                                                        BB->succ_end());
1019   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1020     // Make sure all unplaced and unfiltered predecessors can be
1021     // tail-duplicated into.
1022     // Skip any blocks that are already placed or not in this loop.
1023     if (Pred == BB || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1024         || BlockToChain[Pred] == &Chain)
1025       continue;
1026     if (!TailDup.canTailDuplicate(Succ, Pred)) {
1027       if (Successors.size() > 1 && hasSameSuccessors(*Pred, Successors))
1028         // This will result in a trellis after tail duplication, so we don't
1029         // need to copy Succ into this predecessor. In the presence
1030         // of a trellis tail duplication can continue to be profitable.
1031         // For example:
1032         // A            A
1033         // |\           |\
1034         // | \          | \
1035         // |  C         |  C+BB
1036         // | /          |  |
1037         // |/           |  |
1038         // BB    =>     BB |
1039         // |\           |\/|
1040         // | \          |/\|
1041         // |  D         |  D
1042         // | /          | /
1043         // |/           |/
1044         // Succ         Succ
1045         //
1046         // After BB was duplicated into C, the layout looks like the one on the
1047         // right. BB and C now have the same successors. When considering
1048         // whether Succ can be duplicated into all its unplaced predecessors, we
1049         // ignore C.
1050         // We can do this because C already has a profitable fallthrough, namely
1051         // D. TODO(iteratee): ignore sufficiently cold predecessors for
1052         // duplication and for this test.
1053         //
1054         // This allows trellises to be laid out in 2 separate chains
1055         // (A,B,Succ,...) and later (C,D,...) This is a reasonable heuristic
1056         // because it allows the creation of 2 fallthrough paths with links
1057         // between them, and we correctly identify the best layout for these
1058         // CFGs. We want to extend trellises that the user created in addition
1059         // to trellises created by tail-duplication, so we just look for the
1060         // CFG.
1061         continue;
1062       return false;
1063     }
1064   }
1065   return true;
1066 }
1067
1068 /// Find chains of triangles where we believe it would be profitable to
1069 /// tail-duplicate them all, but a local analysis would not find them.
1070 /// There are 3 ways this can be profitable:
1071 /// 1) The post-dominators marked 50% are actually taken 55% (This shrinks with
1072 ///    longer chains)
1073 /// 2) The chains are statically correlated. Branch probabilities have a very
1074 ///    U-shaped distribution.
1075 ///    [http://nrs.harvard.edu/urn-3:HUL.InstRepos:24015805]
1076 ///    If the branches in a chain are likely to be from the same side of the
1077 ///    distribution as their predecessor, but are independent at runtime, this
1078 ///    transformation is profitable. (Because the cost of being wrong is a small
1079 ///    fixed cost, unlike the standard triangle layout where the cost of being
1080 ///    wrong scales with the # of triangles.)
1081 /// 3) The chains are dynamically correlated. If the probability that a previous
1082 ///    branch was taken positively influences whether the next branch will be
1083 ///    taken
1084 /// We believe that 2 and 3 are common enough to justify the small margin in 1.
1085 void MachineBlockPlacement::precomputeTriangleChains() {
1086   struct TriangleChain {
1087     std::vector<MachineBasicBlock *> Edges;
1088     TriangleChain(MachineBasicBlock *src, MachineBasicBlock *dst)
1089         : Edges({src, dst}) {}
1090
1091     void append(MachineBasicBlock *dst) {
1092       assert(getKey()->isSuccessor(dst) &&
1093              "Attempting to append a block that is not a successor.");
1094       Edges.push_back(dst);
1095     }
1096
1097     unsigned count() const { return Edges.size() - 1; }
1098
1099     MachineBasicBlock *getKey() const {
1100       return Edges.back();
1101     }
1102   };
1103
1104   if (TriangleChainCount == 0)
1105     return;
1106
1107   DEBUG(dbgs() << "Pre-computing triangle chains.\n");
1108   // Map from last block to the chain that contains it. This allows us to extend
1109   // chains as we find new triangles.
1110   DenseMap<const MachineBasicBlock *, TriangleChain> TriangleChainMap;
1111   for (MachineBasicBlock &BB : *F) {
1112     // If BB doesn't have 2 successors, it doesn't start a triangle.
1113     if (BB.succ_size() != 2)
1114       continue;
1115     MachineBasicBlock *PDom = nullptr;
1116     for (MachineBasicBlock *Succ : BB.successors()) {
1117       if (!MPDT->dominates(Succ, &BB))
1118         continue;
1119       PDom = Succ;
1120       break;
1121     }
1122     // If BB doesn't have a post-dominating successor, it doesn't form a
1123     // triangle.
1124     if (PDom == nullptr)
1125       continue;
1126     // If PDom has a hint that it is low probability, skip this triangle.
1127     if (MBPI->getEdgeProbability(&BB, PDom) < BranchProbability(50, 100))
1128       continue;
1129     // If PDom isn't eligible for duplication, this isn't the kind of triangle
1130     // we're looking for.
1131     if (!shouldTailDuplicate(PDom))
1132       continue;
1133     bool CanTailDuplicate = true;
1134     // If PDom can't tail-duplicate into it's non-BB predecessors, then this
1135     // isn't the kind of triangle we're looking for.
1136     for (MachineBasicBlock* Pred : PDom->predecessors()) {
1137       if (Pred == &BB)
1138         continue;
1139       if (!TailDup.canTailDuplicate(PDom, Pred)) {
1140         CanTailDuplicate = false;
1141         break;
1142       }
1143     }
1144     // If we can't tail-duplicate PDom to its predecessors, then skip this
1145     // triangle.
1146     if (!CanTailDuplicate)
1147       continue;
1148
1149     // Now we have an interesting triangle. Insert it if it's not part of an
1150     // existing chain
1151     // Note: This cannot be replaced with a call insert() or emplace() because
1152     // the find key is BB, but the insert/emplace key is PDom.
1153     auto Found = TriangleChainMap.find(&BB);
1154     // If it is, remove the chain from the map, grow it, and put it back in the
1155     // map with the end as the new key.
1156     if (Found != TriangleChainMap.end()) {
1157       TriangleChain Chain = std::move(Found->second);
1158       TriangleChainMap.erase(Found);
1159       Chain.append(PDom);
1160       TriangleChainMap.insert(std::make_pair(Chain.getKey(), std::move(Chain)));
1161     } else {
1162       auto InsertResult = TriangleChainMap.try_emplace(PDom, &BB, PDom);
1163       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1164       (void)InsertResult;
1165     }
1166   }
1167
1168   // Iterating over a DenseMap is safe here, because the only thing in the body
1169   // of the loop is inserting into another DenseMap (ComputedEdges).
1170   // ComputedEdges is never iterated, so this doesn't lead to non-determinism.
1171   for (auto &ChainPair : TriangleChainMap) {
1172     TriangleChain &Chain = ChainPair.second;
1173     // Benchmarking has shown that due to branch correlation duplicating 2 or
1174     // more triangles is profitable, despite the calculations assuming
1175     // independence.
1176     if (Chain.count() < TriangleChainCount)
1177       continue;
1178     MachineBasicBlock *dst = Chain.Edges.back();
1179     Chain.Edges.pop_back();
1180     for (MachineBasicBlock *src : reverse(Chain.Edges)) {
1181       DEBUG(dbgs() << "Marking edge: " << getBlockName(src) << "->" <<
1182             getBlockName(dst) << " as pre-computed based on triangles.\n");
1183
1184       auto InsertResult = ComputedEdges.insert({src, {dst, true}});
1185       assert(InsertResult.second && "Block seen twice.");
1186       (void)InsertResult;
1187
1188       dst = src;
1189     }
1190   }
1191 }
1192
1193 // When profile is not present, return the StaticLikelyProb.
1194 // When profile is available, we need to handle the triangle-shape CFG.
1195 static BranchProbability getLayoutSuccessorProbThreshold(
1196       const MachineBasicBlock *BB) {
1197   if (!BB->getParent()->getFunction()->getEntryCount())
1198     return BranchProbability(StaticLikelyProb, 100);
1199   if (BB->succ_size() == 2) {
1200     const MachineBasicBlock *Succ1 = *BB->succ_begin();
1201     const MachineBasicBlock *Succ2 = *(BB->succ_begin() + 1);
1202     if (Succ1->isSuccessor(Succ2) || Succ2->isSuccessor(Succ1)) {
1203       /* See case 1 below for the cost analysis. For BB->Succ to
1204        * be taken with smaller cost, the following needs to hold:
1205        *   Prob(BB->Succ) > 2 * Prob(BB->Pred)
1206        *   So the threshold T in the calculation below
1207        *   (1-T) * Prob(BB->Succ) > T * Prob(BB->Pred)
1208        *   So T / (1 - T) = 2, Yielding T = 2/3
1209        * Also adding user specified branch bias, we have
1210        *   T = (2/3)*(ProfileLikelyProb/50)
1211        *     = (2*ProfileLikelyProb)/150)
1212        */
1213       return BranchProbability(2 * ProfileLikelyProb, 150);
1214     }
1215   }
1216   return BranchProbability(ProfileLikelyProb, 100);
1217 }
1218
1219 /// Checks to see if the layout candidate block \p Succ has a better layout
1220 /// predecessor than \c BB. If yes, returns true.
1221 /// \p SuccProb: The probability adjusted for only remaining blocks.
1222 ///   Only used for logging
1223 /// \p RealSuccProb: The un-adjusted probability.
1224 /// \p Chain: The chain that BB belongs to and Succ is being considered for.
1225 /// \p BlockFilter: if non-null, the set of blocks that make up the loop being
1226 ///    considered
1227 bool MachineBlockPlacement::hasBetterLayoutPredecessor(
1228     const MachineBasicBlock *BB, const MachineBasicBlock *Succ,
1229     const BlockChain &SuccChain, BranchProbability SuccProb,
1230     BranchProbability RealSuccProb, const BlockChain &Chain,
1231     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1232
1233   // There isn't a better layout when there are no unscheduled predecessors.
1234   if (SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0)
1235     return false;
1236
1237   // There are two basic scenarios here:
1238   // -------------------------------------
1239   // Case 1: triangular shape CFG (if-then):
1240   //     BB
1241   //     | \
1242   //     |  \
1243   //     |   Pred
1244   //     |   /
1245   //     Succ
1246   // In this case, we are evaluating whether to select edge -> Succ, e.g.
1247   // set Succ as the layout successor of BB. Picking Succ as BB's
1248   // successor breaks the CFG constraints (FIXME: define these constraints).
1249   // With this layout, Pred BB
1250   // is forced to be outlined, so the overall cost will be cost of the
1251   // branch taken from BB to Pred, plus the cost of back taken branch
1252   // from Pred to Succ, as well as the additional cost associated
1253   // with the needed unconditional jump instruction from Pred To Succ.
1254
1255   // The cost of the topological order layout is the taken branch cost
1256   // from BB to Succ, so to make BB->Succ a viable candidate, the following
1257   // must hold:
1258   //     2 * freq(BB->Pred) * taken_branch_cost + unconditional_jump_cost
1259   //      < freq(BB->Succ) *  taken_branch_cost.
1260   // Ignoring unconditional jump cost, we get
1261   //    freq(BB->Succ) > 2 * freq(BB->Pred), i.e.,
1262   //    prob(BB->Succ) > 2 * prob(BB->Pred)
1263   //
1264   // When real profile data is available, we can precisely compute the
1265   // probability threshold that is needed for edge BB->Succ to be considered.
1266   // Without profile data, the heuristic requires the branch bias to be
1267   // a lot larger to make sure the signal is very strong (e.g. 80% default).
1268   // -----------------------------------------------------------------
1269   // Case 2: diamond like CFG (if-then-else):
1270   //     S
1271   //    / \
1272   //   |   \
1273   //  BB    Pred
1274   //   \    /
1275   //    Succ
1276   //    ..
1277   //
1278   // The current block is BB and edge BB->Succ is now being evaluated.
1279   // Note that edge S->BB was previously already selected because
1280   // prob(S->BB) > prob(S->Pred).
1281   // At this point, 2 blocks can be placed after BB: Pred or Succ. If we
1282   // choose Pred, we will have a topological ordering as shown on the left
1283   // in the picture below. If we choose Succ, we have the solution as shown
1284   // on the right:
1285   //
1286   //   topo-order:
1287   //
1288   //       S-----                             ---S
1289   //       |    |                             |  |
1290   //    ---BB   |                             |  BB
1291   //    |       |                             |  |
1292   //    |  pred--                             |  Succ--
1293   //    |  |                                  |       |
1294   //    ---succ                               ---pred--
1295   //
1296   // cost = freq(S->Pred) + freq(BB->Succ)    cost = 2 * freq (S->Pred)
1297   //      = freq(S->Pred) + freq(S->BB)
1298   //
1299   // If we have profile data (i.e, branch probabilities can be trusted), the
1300   // cost (number of taken branches) with layout S->BB->Succ->Pred is 2 *
1301   // freq(S->Pred) while the cost of topo order is freq(S->Pred) + freq(S->BB).
1302   // We know Prob(S->BB) > Prob(S->Pred), so freq(S->BB) > freq(S->Pred), which
1303   // means the cost of topological order is greater.
1304   // When profile data is not available, however, we need to be more
1305   // conservative. If the branch prediction is wrong, breaking the topo-order
1306   // will actually yield a layout with large cost. For this reason, we need
1307   // strong biased branch at block S with Prob(S->BB) in order to select
1308   // BB->Succ. This is equivalent to looking the CFG backward with backward
1309   // edge: Prob(Succ->BB) needs to >= HotProb in order to be selected (without
1310   // profile data).
1311   // --------------------------------------------------------------------------
1312   // Case 3: forked diamond
1313   //       S
1314   //      / \
1315   //     /   \
1316   //   BB    Pred
1317   //   | \   / |
1318   //   |  \ /  |
1319   //   |   X   |
1320   //   |  / \  |
1321   //   | /   \ |
1322   //   S1     S2
1323   //
1324   // The current block is BB and edge BB->S1 is now being evaluated.
1325   // As above S->BB was already selected because
1326   // prob(S->BB) > prob(S->Pred). Assume that prob(BB->S1) >= prob(BB->S2).
1327   //
1328   // topo-order:
1329   //
1330   //     S-------|                     ---S
1331   //     |       |                     |  |
1332   //  ---BB      |                     |  BB
1333   //  |          |                     |  |
1334   //  |  Pred----|                     |  S1----
1335   //  |  |                             |       |
1336   //  --(S1 or S2)                     ---Pred--
1337   //                                        |
1338   //                                       S2
1339   //
1340   // topo-cost = freq(S->Pred) + freq(BB->S1) + freq(BB->S2)
1341   //    + min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1342   // Non-topo-order cost:
1343   // non-topo-cost = 2 * freq(S->Pred) + freq(BB->S2).
1344   // To be conservative, we can assume that min(freq(Pred->S1), freq(Pred->S2))
1345   // is 0. Then the non topo layout is better when
1346   // freq(S->Pred) < freq(BB->S1).
1347   // This is exactly what is checked below.
1348   // Note there are other shapes that apply (Pred may not be a single block,
1349   // but they all fit this general pattern.)
1350   BranchProbability HotProb = getLayoutSuccessorProbThreshold(BB);
1351
1352   // Make sure that a hot successor doesn't have a globally more
1353   // important predecessor.
1354   BlockFrequency CandidateEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * RealSuccProb;
1355   bool BadCFGConflict = false;
1356
1357   for (MachineBasicBlock *Pred : Succ->predecessors()) {
1358     if (Pred == Succ || BlockToChain[Pred] == &SuccChain ||
1359         (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred)) ||
1360         BlockToChain[Pred] == &Chain ||
1361         // This check is redundant except for look ahead. This function is
1362         // called for lookahead by isProfitableToTailDup when BB hasn't been
1363         // placed yet.
1364         (Pred == BB))
1365       continue;
1366     // Do backward checking.
1367     // For all cases above, we need a backward checking to filter out edges that
1368     // are not 'strongly' biased.
1369     // BB  Pred
1370     //  \ /
1371     //  Succ
1372     // We select edge BB->Succ if
1373     //      freq(BB->Succ) > freq(Succ) * HotProb
1374     //      i.e. freq(BB->Succ) > freq(BB->Succ) * HotProb + freq(Pred->Succ) *
1375     //      HotProb
1376     //      i.e. freq((BB->Succ) * (1 - HotProb) > freq(Pred->Succ) * HotProb
1377     // Case 1 is covered too, because the first equation reduces to:
1378     // prob(BB->Succ) > HotProb. (freq(Succ) = freq(BB) for a triangle)
1379     BlockFrequency PredEdgeFreq =
1380         MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, Succ);
1381     if (PredEdgeFreq * HotProb >= CandidateEdgeFreq * HotProb.getCompl()) {
1382       BadCFGConflict = true;
1383       break;
1384     }
1385   }
1386
1387   if (BadCFGConflict) {
1388     DEBUG(dbgs() << "    Not a candidate: " << getBlockName(Succ) << " -> " << SuccProb
1389                  << " (prob) (non-cold CFG conflict)\n");
1390     return true;
1391   }
1392
1393   return false;
1394 }
1395
1396 /// \brief Select the best successor for a block.
1397 ///
1398 /// This looks across all successors of a particular block and attempts to
1399 /// select the "best" one to be the layout successor. It only considers direct
1400 /// successors which also pass the block filter. It will attempt to avoid
1401 /// breaking CFG structure, but cave and break such structures in the case of
1402 /// very hot successor edges.
1403 ///
1404 /// \returns The best successor block found, or null if none are viable, along
1405 /// with a boolean indicating if tail duplication is necessary.
1406 MachineBlockPlacement::BlockAndTailDupResult
1407 MachineBlockPlacement::selectBestSuccessor(
1408     const MachineBasicBlock *BB, const BlockChain &Chain,
1409     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1410   const BranchProbability HotProb(StaticLikelyProb, 100);
1411
1412   BlockAndTailDupResult BestSucc = { nullptr, false };
1413   auto BestProb = BranchProbability::getZero();
1414
1415   SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Successors;
1416   auto AdjustedSumProb =
1417       collectViableSuccessors(BB, Chain, BlockFilter, Successors);
1418
1419   DEBUG(dbgs() << "Selecting best successor for: " << getBlockName(BB) << "\n");
1420
1421   // if we already precomputed the best successor for BB, return that if still
1422   // applicable.
1423   auto FoundEdge = ComputedEdges.find(BB);
1424   if (FoundEdge != ComputedEdges.end()) {
1425     MachineBasicBlock *Succ = FoundEdge->second.BB;
1426     ComputedEdges.erase(FoundEdge);
1427     BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1428     if (BB->isSuccessor(Succ) && (!BlockFilter || BlockFilter->count(Succ)) &&
1429         SuccChain != &Chain && Succ == *SuccChain->begin())
1430       return FoundEdge->second;
1431   }
1432
1433   // if BB is part of a trellis, Use the trellis to determine the optimal
1434   // fallthrough edges
1435   if (isTrellis(BB, Successors, Chain, BlockFilter))
1436     return getBestTrellisSuccessor(BB, Successors, AdjustedSumProb, Chain,
1437                                    BlockFilter);
1438
1439   // For blocks with CFG violations, we may be able to lay them out anyway with
1440   // tail-duplication. We keep this vector so we can perform the probability
1441   // calculations the minimum number of times.
1442   SmallVector<std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *>, 4>
1443       DupCandidates;
1444   for (MachineBasicBlock *Succ : Successors) {
1445     auto RealSuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
1446     BranchProbability SuccProb =
1447         getAdjustedProbability(RealSuccProb, AdjustedSumProb);
1448
1449     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1450     // Skip the edge \c BB->Succ if block \c Succ has a better layout
1451     // predecessor that yields lower global cost.
1452     if (hasBetterLayoutPredecessor(BB, Succ, SuccChain, SuccProb, RealSuccProb,
1453                                    Chain, BlockFilter)) {
1454       // If tail duplication would make Succ profitable, place it.
1455       if (TailDupPlacement && shouldTailDuplicate(Succ))
1456         DupCandidates.push_back(std::make_tuple(SuccProb, Succ));
1457       continue;
1458     }
1459
1460     DEBUG(
1461         dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ) << ", probability: "
1462                << SuccProb
1463                << (SuccChain.UnscheduledPredecessors != 0 ? " (CFG break)" : "")
1464                << "\n");
1465
1466     if (BestSucc.BB && BestProb >= SuccProb) {
1467       DEBUG(dbgs() << "    Not the best candidate, continuing\n");
1468       continue;
1469     }
1470
1471     DEBUG(dbgs() << "    Setting it as best candidate\n");
1472     BestSucc.BB = Succ;
1473     BestProb = SuccProb;
1474   }
1475   // Handle the tail duplication candidates in order of decreasing probability.
1476   // Stop at the first one that is profitable. Also stop if they are less
1477   // profitable than BestSucc. Position is important because we preserve it and
1478   // prefer first best match. Here we aren't comparing in order, so we capture
1479   // the position instead.
1480   if (DupCandidates.size() != 0) {
1481     auto cmp =
1482         [](const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &a,
1483            const std::tuple<BranchProbability, MachineBasicBlock *> &b) {
1484           return std::get<0>(a) > std::get<0>(b);
1485         };
1486     std::stable_sort(DupCandidates.begin(), DupCandidates.end(), cmp);
1487   }
1488   for(auto &Tup : DupCandidates) {
1489     BranchProbability DupProb;
1490     MachineBasicBlock *Succ;
1491     std::tie(DupProb, Succ) = Tup;
1492     if (DupProb < BestProb)
1493       break;
1494     if (canTailDuplicateUnplacedPreds(BB, Succ, Chain, BlockFilter)
1495         && (isProfitableToTailDup(BB, Succ, BestProb, Chain, BlockFilter))) {
1496       DEBUG(
1497           dbgs() << "    Candidate: " << getBlockName(Succ) << ", probability: "
1498                  << DupProb
1499                  << " (Tail Duplicate)\n");
1500       BestSucc.BB = Succ;
1501       BestSucc.ShouldTailDup = true;
1502       break;
1503     }
1504   }
1505
1506   if (BestSucc.BB)
1507     DEBUG(dbgs() << "    Selected: " << getBlockName(BestSucc.BB) << "\n");
1508
1509   return BestSucc;
1510 }
1511
1512 /// \brief Select the best block from a worklist.
1513 ///
1514 /// This looks through the provided worklist as a list of candidate basic
1515 /// blocks and select the most profitable one to place. The definition of
1516 /// profitable only really makes sense in the context of a loop. This returns
1517 /// the most frequently visited block in the worklist, which in the case of
1518 /// a loop, is the one most desirable to be physically close to the rest of the
1519 /// loop body in order to improve i-cache behavior.
1520 ///
1521 /// \returns The best block found, or null if none are viable.
1522 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::selectBestCandidateBlock(
1523     const BlockChain &Chain, SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &WorkList) {
1524   // Once we need to walk the worklist looking for a candidate, cleanup the
1525   // worklist of already placed entries.
1526   // FIXME: If this shows up on profiles, it could be folded (at the cost of
1527   // some code complexity) into the loop below.
1528   WorkList.erase(remove_if(WorkList,
1529                            [&](MachineBasicBlock *BB) {
1530                              return BlockToChain.lookup(BB) == &Chain;
1531                            }),
1532                  WorkList.end());
1533
1534   if (WorkList.empty())
1535     return nullptr;
1536
1537   bool IsEHPad = WorkList[0]->isEHPad();
1538
1539   MachineBasicBlock *BestBlock = nullptr;
1540   BlockFrequency BestFreq;
1541   for (MachineBasicBlock *MBB : WorkList) {
1542     assert(MBB->isEHPad() == IsEHPad);
1543
1544     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[MBB];
1545     if (&SuccChain == &Chain)
1546       continue;
1547
1548     assert(SuccChain.UnscheduledPredecessors == 0 && "Found CFG-violating block");
1549
1550     BlockFrequency CandidateFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB);
1551     DEBUG(dbgs() << "    " << getBlockName(MBB) << " -> ";
1552           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), CandidateFreq) << " (freq)\n");
1553
1554     // For ehpad, we layout the least probable first as to avoid jumping back
1555     // from least probable landingpads to more probable ones.
1556     //
1557     // FIXME: Using probability is probably (!) not the best way to achieve
1558     // this. We should probably have a more principled approach to layout
1559     // cleanup code.
1560     //
1561     // The goal is to get:
1562     //
1563     //                 +--------------------------+
1564     //                 |                          V
1565     // InnerLp -> InnerCleanup    OuterLp -> OuterCleanup -> Resume
1566     //
1567     // Rather than:
1568     //
1569     //                 +-------------------------------------+
1570     //                 V                                     |
1571     // OuterLp -> OuterCleanup -> Resume     InnerLp -> InnerCleanup
1572     if (BestBlock && (IsEHPad ^ (BestFreq >= CandidateFreq)))
1573       continue;
1574
1575     BestBlock = MBB;
1576     BestFreq = CandidateFreq;
1577   }
1578
1579   return BestBlock;
1580 }
1581
1582 /// \brief Retrieve the first unplaced basic block.
1583 ///
1584 /// This routine is called when we are unable to use the CFG to walk through
1585 /// all of the basic blocks and form a chain due to unnatural loops in the CFG.
1586 /// We walk through the function's blocks in order, starting from the
1587 /// LastUnplacedBlockIt. We update this iterator on each call to avoid
1588 /// re-scanning the entire sequence on repeated calls to this routine.
1589 MachineBasicBlock *MachineBlockPlacement::getFirstUnplacedBlock(
1590     const BlockChain &PlacedChain,
1591     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
1592     const BlockFilterSet *BlockFilter) {
1593   for (MachineFunction::iterator I = PrevUnplacedBlockIt, E = F->end(); I != E;
1594        ++I) {
1595     if (BlockFilter && !BlockFilter->count(&*I))
1596       continue;
1597     if (BlockToChain[&*I] != &PlacedChain) {
1598       PrevUnplacedBlockIt = I;
1599       // Now select the head of the chain to which the unplaced block belongs
1600       // as the block to place. This will force the entire chain to be placed,
1601       // and satisfies the requirements of merging chains.
1602       return *BlockToChain[&*I]->begin();
1603     }
1604   }
1605   return nullptr;
1606 }
1607
1608 void MachineBlockPlacement::fillWorkLists(
1609     const MachineBasicBlock *MBB,
1610     SmallPtrSetImpl<BlockChain *> &UpdatedPreds,
1611     const BlockFilterSet *BlockFilter = nullptr) {
1612   BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1613   if (!UpdatedPreds.insert(&Chain).second)
1614     return;
1615
1616   assert(Chain.UnscheduledPredecessors == 0);
1617   for (MachineBasicBlock *ChainBB : Chain) {
1618     assert(BlockToChain[ChainBB] == &Chain);
1619     for (MachineBasicBlock *Pred : ChainBB->predecessors()) {
1620       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
1621         continue;
1622       if (BlockToChain[Pred] == &Chain)
1623         continue;
1624       ++Chain.UnscheduledPredecessors;
1625     }
1626   }
1627
1628   if (Chain.UnscheduledPredecessors != 0)
1629     return;
1630
1631   MachineBasicBlock *BB = *Chain.begin();
1632   if (BB->isEHPad())
1633     EHPadWorkList.push_back(BB);
1634   else
1635     BlockWorkList.push_back(BB);
1636 }
1637
1638 void MachineBlockPlacement::buildChain(
1639     const MachineBasicBlock *HeadBB, BlockChain &Chain,
1640     BlockFilterSet *BlockFilter) {
1641   assert(HeadBB && "BB must not be null.\n");
1642   assert(BlockToChain[HeadBB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match.\n");
1643   MachineFunction::iterator PrevUnplacedBlockIt = F->begin();
1644
1645   const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB = HeadBB;
1646   markChainSuccessors(Chain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1647   MachineBasicBlock *BB = *std::prev(Chain.end());
1648   for (;;) {
1649     assert(BB && "null block found at end of chain in loop.");
1650     assert(BlockToChain[BB] == &Chain && "BlockToChainMap mis-match in loop.");
1651     assert(*std::prev(Chain.end()) == BB && "BB Not found at end of chain.");
1652
1653
1654     // Look for the best viable successor if there is one to place immediately
1655     // after this block.
1656     auto Result = selectBestSuccessor(BB, Chain, BlockFilter);
1657     MachineBasicBlock* BestSucc = Result.BB;
1658     bool ShouldTailDup = Result.ShouldTailDup;
1659     if (TailDupPlacement)
1660       ShouldTailDup |= (BestSucc && shouldTailDuplicate(BestSucc));
1661
1662     // If an immediate successor isn't available, look for the best viable
1663     // block among those we've identified as not violating the loop's CFG at
1664     // this point. This won't be a fallthrough, but it will increase locality.
1665     if (!BestSucc)
1666       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, BlockWorkList);
1667     if (!BestSucc)
1668       BestSucc = selectBestCandidateBlock(Chain, EHPadWorkList);
1669
1670     if (!BestSucc) {
1671       BestSucc = getFirstUnplacedBlock(Chain, PrevUnplacedBlockIt, BlockFilter);
1672       if (!BestSucc)
1673         break;
1674
1675       DEBUG(dbgs() << "Unnatural loop CFG detected, forcibly merging the "
1676                       "layout successor until the CFG reduces\n");
1677     }
1678
1679     // Placement may have changed tail duplication opportunities.
1680     // Check for that now.
1681     if (TailDupPlacement && BestSucc && ShouldTailDup) {
1682       // If the chosen successor was duplicated into all its predecessors,
1683       // don't bother laying it out, just go round the loop again with BB as
1684       // the chain end.
1685       if (repeatedlyTailDuplicateBlock(BestSucc, BB, LoopHeaderBB, Chain,
1686                                        BlockFilter, PrevUnplacedBlockIt))
1687         continue;
1688     }
1689
1690     // Place this block, updating the datastructures to reflect its placement.
1691     BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[BestSucc];
1692     // Zero out UnscheduledPredecessors for the successor we're about to merge in case
1693     // we selected a successor that didn't fit naturally into the CFG.
1694     SuccChain.UnscheduledPredecessors = 0;
1695     DEBUG(dbgs() << "Merging from " << getBlockName(BB) << " to "
1696                  << getBlockName(BestSucc) << "\n");
1697     markChainSuccessors(SuccChain, LoopHeaderBB, BlockFilter);
1698     Chain.merge(BestSucc, &SuccChain);
1699     BB = *std::prev(Chain.end());
1700   }
1701
1702   DEBUG(dbgs() << "Finished forming chain for header block "
1703                << getBlockName(*Chain.begin()) << "\n");
1704 }
1705
1706 /// \brief Find the best loop top block for layout.
1707 ///
1708 /// Look for a block which is strictly better than the loop header for laying
1709 /// out at the top of the loop. This looks for one and only one pattern:
1710 /// a latch block with no conditional exit. This block will cause a conditional
1711 /// jump around it or will be the bottom of the loop if we lay it out in place,
1712 /// but if it it doesn't end up at the bottom of the loop for any reason,
1713 /// rotation alone won't fix it. Because such a block will always result in an
1714 /// unconditional jump (for the backedge) rotating it in front of the loop
1715 /// header is always profitable.
1716 MachineBasicBlock *
1717 MachineBlockPlacement::findBestLoopTop(const MachineLoop &L,
1718                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1719   // Placing the latch block before the header may introduce an extra branch
1720   // that skips this block the first time the loop is executed, which we want
1721   // to avoid when optimising for size.
1722   // FIXME: in theory there is a case that does not introduce a new branch,
1723   // i.e. when the layout predecessor does not fallthrough to the loop header.
1724   // In practice this never happens though: there always seems to be a preheader
1725   // that can fallthrough and that is also placed before the header.
1726   if (F->getFunction()->optForSize())
1727     return L.getHeader();
1728
1729   // Check that the header hasn't been fused with a preheader block due to
1730   // crazy branches. If it has, we need to start with the header at the top to
1731   // prevent pulling the preheader into the loop body.
1732   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1733   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1734     return L.getHeader();
1735
1736   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop top for: " << getBlockName(L.getHeader())
1737                << "\n");
1738
1739   BlockFrequency BestPredFreq;
1740   MachineBasicBlock *BestPred = nullptr;
1741   for (MachineBasicBlock *Pred : L.getHeader()->predecessors()) {
1742     if (!LoopBlockSet.count(Pred))
1743       continue;
1744     DEBUG(dbgs() << "    header pred: " << getBlockName(Pred) << ", has "
1745                  << Pred->succ_size() << " successors, ";
1746           MBFI->printBlockFreq(dbgs(), Pred) << " freq\n");
1747     if (Pred->succ_size() > 1)
1748       continue;
1749
1750     BlockFrequency PredFreq = MBFI->getBlockFreq(Pred);
1751     if (!BestPred || PredFreq > BestPredFreq ||
1752         (!(PredFreq < BestPredFreq) &&
1753          Pred->isLayoutSuccessor(L.getHeader()))) {
1754       BestPred = Pred;
1755       BestPredFreq = PredFreq;
1756     }
1757   }
1758
1759   // If no direct predecessor is fine, just use the loop header.
1760   if (!BestPred) {
1761     DEBUG(dbgs() << "    final top unchanged\n");
1762     return L.getHeader();
1763   }
1764
1765   // Walk backwards through any straight line of predecessors.
1766   while (BestPred->pred_size() == 1 &&
1767          (*BestPred->pred_begin())->succ_size() == 1 &&
1768          *BestPred->pred_begin() != L.getHeader())
1769     BestPred = *BestPred->pred_begin();
1770
1771   DEBUG(dbgs() << "    final top: " << getBlockName(BestPred) << "\n");
1772   return BestPred;
1773 }
1774
1775 /// \brief Find the best loop exiting block for layout.
1776 ///
1777 /// This routine implements the logic to analyze the loop looking for the best
1778 /// block to layout at the top of the loop. Typically this is done to maximize
1779 /// fallthrough opportunities.
1780 MachineBasicBlock *
1781 MachineBlockPlacement::findBestLoopExit(const MachineLoop &L,
1782                                         const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1783   // We don't want to layout the loop linearly in all cases. If the loop header
1784   // is just a normal basic block in the loop, we want to look for what block
1785   // within the loop is the best one to layout at the top. However, if the loop
1786   // header has be pre-merged into a chain due to predecessors not having
1787   // analyzable branches, *and* the predecessor it is merged with is *not* part
1788   // of the loop, rotating the header into the middle of the loop will create
1789   // a non-contiguous range of blocks which is Very Bad. So start with the
1790   // header and only rotate if safe.
1791   BlockChain &HeaderChain = *BlockToChain[L.getHeader()];
1792   if (!LoopBlockSet.count(*HeaderChain.begin()))
1793     return nullptr;
1794
1795   BlockFrequency BestExitEdgeFreq;
1796   unsigned BestExitLoopDepth = 0;
1797   MachineBasicBlock *ExitingBB = nullptr;
1798   // If there are exits to outer loops, loop rotation can severely limit
1799   // fallthrough opportunities unless it selects such an exit. Keep a set of
1800   // blocks where rotating to exit with that block will reach an outer loop.
1801   SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 4> BlocksExitingToOuterLoop;
1802
1803   DEBUG(dbgs() << "Finding best loop exit for: " << getBlockName(L.getHeader())
1804                << "\n");
1805   for (MachineBasicBlock *MBB : L.getBlocks()) {
1806     BlockChain &Chain = *BlockToChain[MBB];
1807     // Ensure that this block is at the end of a chain; otherwise it could be
1808     // mid-way through an inner loop or a successor of an unanalyzable branch.
1809     if (MBB != *std::prev(Chain.end()))
1810       continue;
1811
1812     // Now walk the successors. We need to establish whether this has a viable
1813     // exiting successor and whether it has a viable non-exiting successor.
1814     // We store the old exiting state and restore it if a viable looping
1815     // successor isn't found.
1816     MachineBasicBlock *OldExitingBB = ExitingBB;
1817     BlockFrequency OldBestExitEdgeFreq = BestExitEdgeFreq;
1818     bool HasLoopingSucc = false;
1819     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB->successors()) {
1820       if (Succ->isEHPad())
1821         continue;
1822       if (Succ == MBB)
1823         continue;
1824       BlockChain &SuccChain = *BlockToChain[Succ];
1825       // Don't split chains, either this chain or the successor's chain.
1826       if (&Chain == &SuccChain) {
1827         DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1828                      << getBlockName(Succ) << " (chain conflict)\n");
1829         continue;
1830       }
1831
1832       auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(MBB, Succ);
1833       if (LoopBlockSet.count(Succ)) {
1834         DEBUG(dbgs() << "    looping: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1835                      << getBlockName(Succ) << " (" << SuccProb << ")\n");
1836         HasLoopingSucc = true;
1837         continue;
1838       }
1839
1840       unsigned SuccLoopDepth = 0;
1841       if (MachineLoop *ExitLoop = MLI->getLoopFor(Succ)) {
1842         SuccLoopDepth = ExitLoop->getLoopDepth();
1843         if (ExitLoop->contains(&L))
1844           BlocksExitingToOuterLoop.insert(MBB);
1845       }
1846
1847       BlockFrequency ExitEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(MBB) * SuccProb;
1848       DEBUG(dbgs() << "    exiting: " << getBlockName(MBB) << " -> "
1849                    << getBlockName(Succ) << " [L:" << SuccLoopDepth << "] (";
1850             MBFI->printBlockFreq(dbgs(), ExitEdgeFreq) << ")\n");
1851       // Note that we bias this toward an existing layout successor to retain
1852       // incoming order in the absence of better information. The exit must have
1853       // a frequency higher than the current exit before we consider breaking
1854       // the layout.
1855       BranchProbability Bias(100 - ExitBlockBias, 100);
1856       if (!ExitingBB || SuccLoopDepth > BestExitLoopDepth ||
1857           ExitEdgeFreq > BestExitEdgeFreq ||
1858           (MBB->isLayoutSuccessor(Succ) &&
1859            !(ExitEdgeFreq < BestExitEdgeFreq * Bias))) {
1860         BestExitEdgeFreq = ExitEdgeFreq;
1861         ExitingBB = MBB;
1862       }
1863     }
1864
1865     if (!HasLoopingSucc) {
1866       // Restore the old exiting state, no viable looping successor was found.
1867       ExitingBB = OldExitingBB;
1868       BestExitEdgeFreq = OldBestExitEdgeFreq;
1869     }
1870   }
1871   // Without a candidate exiting block or with only a single block in the
1872   // loop, just use the loop header to layout the loop.
1873   if (!ExitingBB) {
1874     DEBUG(dbgs() << "    No other candidate exit blocks, using loop header\n");
1875     return nullptr;
1876   }
1877   if (L.getNumBlocks() == 1) {
1878     DEBUG(dbgs() << "    Loop has 1 block, using loop header as exit\n");
1879     return nullptr;
1880   }
1881
1882   // Also, if we have exit blocks which lead to outer loops but didn't select
1883   // one of them as the exiting block we are rotating toward, disable loop
1884   // rotation altogether.
1885   if (!BlocksExitingToOuterLoop.empty() &&
1886       !BlocksExitingToOuterLoop.count(ExitingBB))
1887     return nullptr;
1888
1889   DEBUG(dbgs() << "  Best exiting block: " << getBlockName(ExitingBB) << "\n");
1890   return ExitingBB;
1891 }
1892
1893 /// \brief Attempt to rotate an exiting block to the bottom of the loop.
1894 ///
1895 /// Once we have built a chain, try to rotate it to line up the hot exit block
1896 /// with fallthrough out of the loop if doing so doesn't introduce unnecessary
1897 /// branches. For example, if the loop has fallthrough into its header and out
1898 /// of its bottom already, don't rotate it.
1899 void MachineBlockPlacement::rotateLoop(BlockChain &LoopChain,
1900                                        const MachineBasicBlock *ExitingBB,
1901                                        const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1902   if (!ExitingBB)
1903     return;
1904
1905   MachineBasicBlock *Top = *LoopChain.begin();
1906   bool ViableTopFallthrough = false;
1907   for (MachineBasicBlock *Pred : Top->predecessors()) {
1908     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
1909     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
1910         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
1911       ViableTopFallthrough = true;
1912       break;
1913     }
1914   }
1915
1916   // If the header has viable fallthrough, check whether the current loop
1917   // bottom is a viable exiting block. If so, bail out as rotating will
1918   // introduce an unnecessary branch.
1919   if (ViableTopFallthrough) {
1920     MachineBasicBlock *Bottom = *std::prev(LoopChain.end());
1921     for (MachineBasicBlock *Succ : Bottom->successors()) {
1922       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1923       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
1924           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin()))
1925         return;
1926     }
1927   }
1928
1929   BlockChain::iterator ExitIt = find(LoopChain, ExitingBB);
1930   if (ExitIt == LoopChain.end())
1931     return;
1932
1933   std::rotate(LoopChain.begin(), std::next(ExitIt), LoopChain.end());
1934 }
1935
1936 /// \brief Attempt to rotate a loop based on profile data to reduce branch cost.
1937 ///
1938 /// With profile data, we can determine the cost in terms of missed fall through
1939 /// opportunities when rotating a loop chain and select the best rotation.
1940 /// Basically, there are three kinds of cost to consider for each rotation:
1941 ///    1. The possibly missed fall through edge (if it exists) from BB out of
1942 ///    the loop to the loop header.
1943 ///    2. The possibly missed fall through edges (if they exist) from the loop
1944 ///    exits to BB out of the loop.
1945 ///    3. The missed fall through edge (if it exists) from the last BB to the
1946 ///    first BB in the loop chain.
1947 ///  Therefore, the cost for a given rotation is the sum of costs listed above.
1948 ///  We select the best rotation with the smallest cost.
1949 void MachineBlockPlacement::rotateLoopWithProfile(
1950     BlockChain &LoopChain, const MachineLoop &L,
1951     const BlockFilterSet &LoopBlockSet) {
1952   auto HeaderBB = L.getHeader();
1953   auto HeaderIter = find(LoopChain, HeaderBB);
1954   auto RotationPos = LoopChain.end();
1955
1956   BlockFrequency SmallestRotationCost = BlockFrequency::getMaxFrequency();
1957
1958   // A utility lambda that scales up a block frequency by dividing it by a
1959   // branch probability which is the reciprocal of the scale.
1960   auto ScaleBlockFrequency = [](BlockFrequency Freq,
1961                                 unsigned Scale) -> BlockFrequency {
1962     if (Scale == 0)
1963       return 0;
1964     // Use operator / between BlockFrequency and BranchProbability to implement
1965     // saturating multiplication.
1966     return Freq / BranchProbability(1, Scale);
1967   };
1968
1969   // Compute the cost of the missed fall-through edge to the loop header if the
1970   // chain head is not the loop header. As we only consider natural loops with
1971   // single header, this computation can be done only once.
1972   BlockFrequency HeaderFallThroughCost(0);
1973   for (auto *Pred : HeaderBB->predecessors()) {
1974     BlockChain *PredChain = BlockToChain[Pred];
1975     if (!LoopBlockSet.count(Pred) &&
1976         (!PredChain || Pred == *std::prev(PredChain->end()))) {
1977       auto EdgeFreq =
1978           MBFI->getBlockFreq(Pred) * MBPI->getEdgeProbability(Pred, HeaderBB);
1979       auto FallThruCost = ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, MisfetchCost);
1980       // If the predecessor has only an unconditional jump to the header, we
1981       // need to consider the cost of this jump.
1982       if (Pred->succ_size() == 1)
1983         FallThruCost += ScaleBlockFrequency(EdgeFreq, JumpInstCost);
1984       HeaderFallThroughCost = std::max(HeaderFallThroughCost, FallThruCost);
1985     }
1986   }
1987
1988   // Here we collect all exit blocks in the loop, and for each exit we find out
1989   // its hottest exit edge. For each loop rotation, we define the loop exit cost
1990   // as the sum of frequencies of exit edges we collect here, excluding the exit
1991   // edge from the tail of the loop chain.
1992   SmallVector<std::pair<MachineBasicBlock *, BlockFrequency>, 4> ExitsWithFreq;
1993   for (auto BB : LoopChain) {
1994     auto LargestExitEdgeProb = BranchProbability::getZero();
1995     for (auto *Succ : BB->successors()) {
1996       BlockChain *SuccChain = BlockToChain[Succ];
1997       if (!LoopBlockSet.count(Succ) &&
1998           (!SuccChain || Succ == *SuccChain->begin())) {
1999         auto SuccProb = MBPI->getEdgeProbability(BB, Succ);
2000         LargestExitEdgeProb = std::max(LargestExitEdgeProb, SuccProb);
2001       }
2002     }
2003     if (LargestExitEdgeProb > BranchProbability::getZero()) {
2004       auto ExitFreq = MBFI->getBlockFreq(BB) * LargestExitEdgeProb;
2005       ExitsWithFreq.emplace_back(BB, ExitFreq);
2006     }
2007   }
2008
2009   // In this loop we iterate every block in the loop chain and calculate the
2010   // cost assuming the block is the head of the loop chain. When the loop ends,
2011   // we should have found the best candidate as the loop chain's head.
2012   for (auto Iter = LoopChain.begin(), TailIter = std::prev(LoopChain.end()),
2013             EndIter = LoopChain.end();
2014        Iter != EndIter; Iter++, TailIter++) {
2015     // TailIter is used to track the tail of the loop chain if the block we are
2016     // checking (pointed by Iter) is the head of the chain.
2017     if (TailIter == LoopChain.end())
2018       TailIter = LoopChain.begin();
2019
2020     auto TailBB = *TailIter;
2021
2022     // Calculate the cost by putting this BB to the top.
2023     BlockFrequency Cost = 0;
2024
2025     // If the current BB is the loop header, we need to take into account the
2026     // cost of the missed fall through edge from outside of the loop to the
2027     // header.
2028     if (Iter != HeaderIter)
2029       Cost += HeaderFallThroughCost;
2030
2031     // Collect the loop exit cost by summing up frequencies of all exit edges
2032     // except the one from the chain tail.
2033     for (auto &ExitWithFreq : ExitsWithFreq)
2034       if (TailBB != ExitWithFreq.first)
2035         Cost += ExitWithFreq.second;
2036
2037     // The cost of breaking the once fall-through edge from the tail to the top
2038     // of the loop chain. Here we need to consider three cases:
2039     // 1. If the tail node has only one successor, then we will get an
2040     //    additional jmp instruction. So the cost here is (MisfetchCost +
2041     //    JumpInstCost) * tail node frequency.
2042     // 2. If the tail node has two successors, then we may still get an
2043     //    additional jmp instruction if the layout successor after the loop
2044     //    chain is not its CFG successor. Note that the more frequently executed
2045     //    jmp instruction will be put ahead of the other one. Assume the
2046     //    frequency of those two branches are x and y, where x is the frequency
2047     //    of the edge to the chain head, then the cost will be
2048     //    (x * MisfetechCost + min(x, y) * JumpInstCost) * tail node frequency.
2049     // 3. If the tail node has more than two successors (this rarely happens),
2050     //    we won't consider any additional cost.
2051     if (TailBB->isSuccessor(*Iter)) {
2052       auto TailBBFreq = MBFI->getBlockFreq(TailBB);
2053       if (TailBB->succ_size() == 1)
2054         Cost += ScaleBlockFrequency(TailBBFreq.getFrequency(),
2055                                     MisfetchCost + JumpInstCost);
2056       else if (TailBB->succ_size() == 2) {
2057         auto TailToHeadProb = MBPI->getEdgeProbability(TailBB, *Iter);
2058         auto TailToHeadFreq = TailBBFreq * TailToHeadProb;
2059         auto ColderEdgeFreq = TailToHeadProb > BranchProbability(1, 2)
2060                                   ? TailBBFreq * TailToHeadProb.getCompl()
2061                                   : TailToHeadFreq;
2062         Cost += ScaleBlockFrequency(TailToHeadFreq, MisfetchCost) +
2063                 ScaleBlockFrequency(ColderEdgeFreq, JumpInstCost);
2064       }
2065     }
2066
2067     DEBUG(dbgs() << "The cost of loop rotation by making " << getBlockName(*Iter)
2068                  << " to the top: " << Cost.getFrequency() << "\n");
2069
2070     if (Cost < SmallestRotationCost) {
2071       SmallestRotationCost = Cost;
2072       RotationPos = Iter;
2073     }
2074   }
2075
2076   if (RotationPos != LoopChain.end()) {
2077     DEBUG(dbgs() << "Rotate loop by making " << getBlockName(*RotationPos)
2078                  << " to the top\n");
2079     std::rotate(LoopChain.begin(), RotationPos, LoopChain.end());
2080   }
2081 }
2082
2083 /// \brief Collect blocks in the given loop that are to be placed.
2084 ///
2085 /// When profile data is available, exclude cold blocks from the returned set;
2086 /// otherwise, collect all blocks in the loop.
2087 MachineBlockPlacement::BlockFilterSet
2088 MachineBlockPlacement::collectLoopBlockSet(const MachineLoop &L) {
2089   BlockFilterSet LoopBlockSet;
2090
2091   // Filter cold blocks off from LoopBlockSet when profile data is available.
2092   // Collect the sum of frequencies of incoming edges to the loop header from
2093   // outside. If we treat the loop as a super block, this is the frequency of
2094   // the loop. Then for each block in the loop, we calculate the ratio between
2095   // its frequency and the frequency of the loop block. When it is too small,
2096   // don't add it to the loop chain. If there are outer loops, then this block
2097   // will be merged into the first outer loop chain for which this block is not
2098   // cold anymore. This needs precise profile data and we only do this when
2099   // profile data is available.
2100   if (F->getFunction()->getEntryCount()) {
2101     BlockFrequency LoopFreq(0);
2102     for (auto LoopPred : L.getHeader()->predecessors())
2103       if (!L.contains(LoopPred))
2104         LoopFreq += MBFI->getBlockFreq(LoopPred) *
2105                     MBPI->getEdgeProbability(LoopPred, L.getHeader());
2106
2107     for (MachineBasicBlock *LoopBB : L.getBlocks()) {
2108       auto Freq = MBFI->getBlockFreq(LoopBB).getFrequency();
2109       if (Freq == 0 || LoopFreq.getFrequency() / Freq > LoopToColdBlockRatio)
2110         continue;
2111       LoopBlockSet.insert(LoopBB);
2112     }
2113   } else
2114     LoopBlockSet.insert(L.block_begin(), L.block_end());
2115
2116   return LoopBlockSet;
2117 }
2118
2119 /// \brief Forms basic block chains from the natural loop structures.
2120 ///
2121 /// These chains are designed to preserve the existing *structure* of the code
2122 /// as much as possible. We can then stitch the chains together in a way which
2123 /// both preserves the topological structure and minimizes taken conditional
2124 /// branches.
2125 void MachineBlockPlacement::buildLoopChains(const MachineLoop &L) {
2126   // First recurse through any nested loops, building chains for those inner
2127   // loops.
2128   for (const MachineLoop *InnerLoop : L)
2129     buildLoopChains(*InnerLoop);
2130
2131   assert(BlockWorkList.empty());
2132   assert(EHPadWorkList.empty());
2133   BlockFilterSet LoopBlockSet = collectLoopBlockSet(L);
2134
2135   // Check if we have profile data for this function. If yes, we will rotate
2136   // this loop by modeling costs more precisely which requires the profile data
2137   // for better layout.
2138   bool RotateLoopWithProfile =
2139       ForcePreciseRotationCost ||
2140       (PreciseRotationCost && F->getFunction()->getEntryCount());
2141
2142   // First check to see if there is an obviously preferable top block for the
2143   // loop. This will default to the header, but may end up as one of the
2144   // predecessors to the header if there is one which will result in strictly
2145   // fewer branches in the loop body.
2146   // When we use profile data to rotate the loop, this is unnecessary.
2147   MachineBasicBlock *LoopTop =
2148       RotateLoopWithProfile ? L.getHeader() : findBestLoopTop(L, LoopBlockSet);
2149
2150   // If we selected just the header for the loop top, look for a potentially
2151   // profitable exit block in the event that rotating the loop can eliminate
2152   // branches by placing an exit edge at the bottom.
2153   if (!RotateLoopWithProfile && LoopTop == L.getHeader())
2154     PreferredLoopExit = findBestLoopExit(L, LoopBlockSet);
2155
2156   BlockChain &LoopChain = *BlockToChain[LoopTop];
2157
2158   // FIXME: This is a really lame way of walking the chains in the loop: we
2159   // walk the blocks, and use a set to prevent visiting a particular chain
2160   // twice.
2161   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2162   assert(LoopChain.UnscheduledPredecessors == 0);
2163   UpdatedPreds.insert(&LoopChain);
2164
2165   for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2166     fillWorkLists(LoopBB, UpdatedPreds, &LoopBlockSet);
2167
2168   buildChain(LoopTop, LoopChain, &LoopBlockSet);
2169
2170   if (RotateLoopWithProfile)
2171     rotateLoopWithProfile(LoopChain, L, LoopBlockSet);
2172   else
2173     rotateLoop(LoopChain, PreferredLoopExit, LoopBlockSet);
2174
2175   DEBUG({
2176     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2177     bool BadLoop = false;
2178     if (LoopChain.UnscheduledPredecessors) {
2179       BadLoop = true;
2180       dbgs() << "Loop chain contains a block without its preds placed!\n"
2181              << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2182              << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n";
2183     }
2184     for (MachineBasicBlock *ChainBB : LoopChain) {
2185       dbgs() << "          ... " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2186       if (!LoopBlockSet.remove(ChainBB)) {
2187         // We don't mark the loop as bad here because there are real situations
2188         // where this can occur. For example, with an unanalyzable fallthrough
2189         // from a loop block to a non-loop block or vice versa.
2190         dbgs() << "Loop chain contains a block not contained by the loop!\n"
2191                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2192                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2193                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2194       }
2195     }
2196
2197     if (!LoopBlockSet.empty()) {
2198       BadLoop = true;
2199       for (const MachineBasicBlock *LoopBB : LoopBlockSet)
2200         dbgs() << "Loop contains blocks never placed into a chain!\n"
2201                << "  Loop header:  " << getBlockName(*L.block_begin()) << "\n"
2202                << "  Chain header: " << getBlockName(*LoopChain.begin()) << "\n"
2203                << "  Bad block:    " << getBlockName(LoopBB) << "\n";
2204     }
2205     assert(!BadLoop && "Detected problems with the placement of this loop.");
2206   });
2207
2208   BlockWorkList.clear();
2209   EHPadWorkList.clear();
2210 }
2211
2212 void MachineBlockPlacement::buildCFGChains() {
2213   // Ensure that every BB in the function has an associated chain to simplify
2214   // the assumptions of the remaining algorithm.
2215   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2216   for (MachineFunction::iterator FI = F->begin(), FE = F->end(); FI != FE;
2217        ++FI) {
2218     MachineBasicBlock *BB = &*FI;
2219     BlockChain *Chain =
2220         new (ChainAllocator.Allocate()) BlockChain(BlockToChain, BB);
2221     // Also, merge any blocks which we cannot reason about and must preserve
2222     // the exact fallthrough behavior for.
2223     for (;;) {
2224       Cond.clear();
2225       MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2226       if (!TII->analyzeBranch(*BB, TBB, FBB, Cond) || !FI->canFallThrough())
2227         break;
2228
2229       MachineFunction::iterator NextFI = std::next(FI);
2230       MachineBasicBlock *NextBB = &*NextFI;
2231       // Ensure that the layout successor is a viable block, as we know that
2232       // fallthrough is a possibility.
2233       assert(NextFI != FE && "Can't fallthrough past the last block.");
2234       DEBUG(dbgs() << "Pre-merging due to unanalyzable fallthrough: "
2235                    << getBlockName(BB) << " -> " << getBlockName(NextBB)
2236                    << "\n");
2237       Chain->merge(NextBB, nullptr);
2238 #ifndef NDEBUG
2239       BlocksWithUnanalyzableExits.insert(&*BB);
2240 #endif
2241       FI = NextFI;
2242       BB = NextBB;
2243     }
2244   }
2245
2246   // Build any loop-based chains.
2247   PreferredLoopExit = nullptr;
2248   for (MachineLoop *L : *MLI)
2249     buildLoopChains(*L);
2250
2251   assert(BlockWorkList.empty());
2252   assert(EHPadWorkList.empty());
2253
2254   SmallPtrSet<BlockChain *, 4> UpdatedPreds;
2255   for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2256     fillWorkLists(&MBB, UpdatedPreds);
2257
2258   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2259   buildChain(&F->front(), FunctionChain);
2260
2261 #ifndef NDEBUG
2262   typedef SmallPtrSet<MachineBasicBlock *, 16> FunctionBlockSetType;
2263 #endif
2264   DEBUG({
2265     // Crash at the end so we get all of the debugging output first.
2266     bool BadFunc = false;
2267     FunctionBlockSetType FunctionBlockSet;
2268     for (MachineBasicBlock &MBB : *F)
2269       FunctionBlockSet.insert(&MBB);
2270
2271     for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain)
2272       if (!FunctionBlockSet.erase(ChainBB)) {
2273         BadFunc = true;
2274         dbgs() << "Function chain contains a block not in the function!\n"
2275                << "  Bad block:    " << getBlockName(ChainBB) << "\n";
2276       }
2277
2278     if (!FunctionBlockSet.empty()) {
2279       BadFunc = true;
2280       for (MachineBasicBlock *RemainingBB : FunctionBlockSet)
2281         dbgs() << "Function contains blocks never placed into a chain!\n"
2282                << "  Bad block:    " << getBlockName(RemainingBB) << "\n";
2283     }
2284     assert(!BadFunc && "Detected problems with the block placement.");
2285   });
2286
2287   // Splice the blocks into place.
2288   MachineFunction::iterator InsertPos = F->begin();
2289   DEBUG(dbgs() << "[MBP] Function: "<< F->getName() << "\n");
2290   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2291     DEBUG(dbgs() << (ChainBB == *FunctionChain.begin() ? "Placing chain "
2292                                                        : "          ... ")
2293                  << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2294     if (InsertPos != MachineFunction::iterator(ChainBB))
2295       F->splice(InsertPos, ChainBB);
2296     else
2297       ++InsertPos;
2298
2299     // Update the terminator of the previous block.
2300     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2301       continue;
2302     MachineBasicBlock *PrevBB = &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2303
2304     // FIXME: It would be awesome of updateTerminator would just return rather
2305     // than assert when the branch cannot be analyzed in order to remove this
2306     // boiler plate.
2307     Cond.clear();
2308     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2309
2310 #ifndef NDEBUG
2311     if (!BlocksWithUnanalyzableExits.count(PrevBB)) {
2312       // Given the exact block placement we chose, we may actually not _need_ to
2313       // be able to edit PrevBB's terminator sequence, but not being _able_ to
2314       // do that at this point is a bug.
2315       assert((!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond) ||
2316               !PrevBB->canFallThrough()) &&
2317              "Unexpected block with un-analyzable fallthrough!");
2318       Cond.clear();
2319       TBB = FBB = nullptr;
2320     }
2321 #endif
2322
2323     // The "PrevBB" is not yet updated to reflect current code layout, so,
2324     //   o. it may fall-through to a block without explicit "goto" instruction
2325     //      before layout, and no longer fall-through it after layout; or
2326     //   o. just opposite.
2327     //
2328     // analyzeBranch() may return erroneous value for FBB when these two
2329     // situations take place. For the first scenario FBB is mistakenly set NULL;
2330     // for the 2nd scenario, the FBB, which is expected to be NULL, is
2331     // mistakenly pointing to "*BI".
2332     // Thus, if the future change needs to use FBB before the layout is set, it
2333     // has to correct FBB first by using the code similar to the following:
2334     //
2335     // if (!Cond.empty() && (!FBB || FBB == ChainBB)) {
2336     //   PrevBB->updateTerminator();
2337     //   Cond.clear();
2338     //   TBB = FBB = nullptr;
2339     //   if (TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond)) {
2340     //     // FIXME: This should never take place.
2341     //     TBB = FBB = nullptr;
2342     //   }
2343     // }
2344     if (!TII->analyzeBranch(*PrevBB, TBB, FBB, Cond))
2345       PrevBB->updateTerminator();
2346   }
2347
2348   // Fixup the last block.
2349   Cond.clear();
2350   MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2351   if (!TII->analyzeBranch(F->back(), TBB, FBB, Cond))
2352     F->back().updateTerminator();
2353
2354   BlockWorkList.clear();
2355   EHPadWorkList.clear();
2356 }
2357
2358 void MachineBlockPlacement::optimizeBranches() {
2359   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2360   SmallVector<MachineOperand, 4> Cond; // For AnalyzeBranch.
2361
2362   // Now that all the basic blocks in the chain have the proper layout,
2363   // make a final call to AnalyzeBranch with AllowModify set.
2364   // Indeed, the target may be able to optimize the branches in a way we
2365   // cannot because all branches may not be analyzable.
2366   // E.g., the target may be able to remove an unconditional branch to
2367   // a fallthrough when it occurs after predicated terminators.
2368   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2369     Cond.clear();
2370     MachineBasicBlock *TBB = nullptr, *FBB = nullptr; // For AnalyzeBranch.
2371     if (!TII->analyzeBranch(*ChainBB, TBB, FBB, Cond, /*AllowModify*/ true)) {
2372       // If PrevBB has a two-way branch, try to re-order the branches
2373       // such that we branch to the successor with higher probability first.
2374       if (TBB && !Cond.empty() && FBB &&
2375           MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) >
2376               MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) &&
2377           !TII->reverseBranchCondition(Cond)) {
2378         DEBUG(dbgs() << "Reverse order of the two branches: "
2379                      << getBlockName(ChainBB) << "\n");
2380         DEBUG(dbgs() << "    Edge probability: "
2381                      << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, FBB) << " vs "
2382                      << MBPI->getEdgeProbability(ChainBB, TBB) << "\n");
2383         DebugLoc dl; // FIXME: this is nowhere
2384         TII->removeBranch(*ChainBB);
2385         TII->insertBranch(*ChainBB, FBB, TBB, Cond, dl);
2386         ChainBB->updateTerminator();
2387       }
2388     }
2389   }
2390 }
2391
2392 void MachineBlockPlacement::alignBlocks() {
2393   // Walk through the backedges of the function now that we have fully laid out
2394   // the basic blocks and align the destination of each backedge. We don't rely
2395   // exclusively on the loop info here so that we can align backedges in
2396   // unnatural CFGs and backedges that were introduced purely because of the
2397   // loop rotations done during this layout pass.
2398   if (F->getFunction()->optForSize())
2399     return;
2400   BlockChain &FunctionChain = *BlockToChain[&F->front()];
2401   if (FunctionChain.begin() == FunctionChain.end())
2402     return; // Empty chain.
2403
2404   const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
2405   BlockFrequency EntryFreq = MBFI->getBlockFreq(&F->front());
2406   BlockFrequency WeightedEntryFreq = EntryFreq * ColdProb;
2407   for (MachineBasicBlock *ChainBB : FunctionChain) {
2408     if (ChainBB == *FunctionChain.begin())
2409       continue;
2410
2411     // Don't align non-looping basic blocks. These are unlikely to execute
2412     // enough times to matter in practice. Note that we'll still handle
2413     // unnatural CFGs inside of a natural outer loop (the common case) and
2414     // rotated loops.
2415     MachineLoop *L = MLI->getLoopFor(ChainBB);
2416     if (!L)
2417       continue;
2418
2419     unsigned Align = TLI->getPrefLoopAlignment(L);
2420     if (!Align)
2421       continue; // Don't care about loop alignment.
2422
2423     // If the block is cold relative to the function entry don't waste space
2424     // aligning it.
2425     BlockFrequency Freq = MBFI->getBlockFreq(ChainBB);
2426     if (Freq < WeightedEntryFreq)
2427       continue;
2428
2429     // If the block is cold relative to its loop header, don't align it
2430     // regardless of what edges into the block exist.
2431     MachineBasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2432     BlockFrequency LoopHeaderFreq = MBFI->getBlockFreq(LoopHeader);
2433     if (Freq < (LoopHeaderFreq * ColdProb))
2434       continue;
2435
2436     // Check for the existence of a non-layout predecessor which would benefit
2437     // from aligning this block.
2438     MachineBasicBlock *LayoutPred =
2439         &*std::prev(MachineFunction::iterator(ChainBB));
2440
2441     // Force alignment if all the predecessors are jumps. We already checked
2442     // that the block isn't cold above.
2443     if (!LayoutPred->isSuccessor(ChainBB)) {
2444       ChainBB->setAlignment(Align);
2445       continue;
2446     }
2447
2448     // Align this block if the layout predecessor's edge into this block is
2449     // cold relative to the block. When this is true, other predecessors make up
2450     // all of the hot entries into the block and thus alignment is likely to be
2451     // important.
2452     BranchProbability LayoutProb =
2453         MBPI->getEdgeProbability(LayoutPred, ChainBB);
2454     BlockFrequency LayoutEdgeFreq = MBFI->getBlockFreq(LayoutPred) * LayoutProb;
2455     if (LayoutEdgeFreq <= (Freq * ColdProb))
2456       ChainBB->setAlignment(Align);
2457   }
2458 }
2459
2460 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable, repeating if
2461 /// it was duplicated into its chain predecessor and removed.
2462 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated.
2463 ///
2464 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB.
2465 ///            Updated to be the chain end if LPred is removed.
2466 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2467 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2468 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2469 ///                  counts.
2470 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2471 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2472 ///                          only needed if \p BB is removed and
2473 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2474 /// @return true if \p BB was removed.
2475 bool MachineBlockPlacement::repeatedlyTailDuplicateBlock(
2476     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *&LPred,
2477     const MachineBasicBlock *LoopHeaderBB,
2478     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2479     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt) {
2480   bool Removed, DuplicatedToLPred;
2481   bool DuplicatedToOriginalLPred;
2482   Removed = maybeTailDuplicateBlock(BB, LPred, Chain, BlockFilter,
2483                                     PrevUnplacedBlockIt,
2484                                     DuplicatedToLPred);
2485   if (!Removed)
2486     return false;
2487   DuplicatedToOriginalLPred = DuplicatedToLPred;
2488   // Iteratively try to duplicate again. It can happen that a block that is
2489   // duplicated into is still small enough to be duplicated again.
2490   // No need to call markBlockSuccessors in this case, as the blocks being
2491   // duplicated from here on are already scheduled.
2492   // Note that DuplicatedToLPred always implies Removed.
2493   while (DuplicatedToLPred) {
2494     assert (Removed && "Block must have been removed to be duplicated into its "
2495             "layout predecessor.");
2496     MachineBasicBlock *DupBB, *DupPred;
2497     // The removal callback causes Chain.end() to be updated when a block is
2498     // removed. On the first pass through the loop, the chain end should be the
2499     // same as it was on function entry. On subsequent passes, because we are
2500     // duplicating the block at the end of the chain, if it is removed the
2501     // chain will have shrunk by one block.
2502     BlockChain::iterator ChainEnd = Chain.end();
2503     DupBB = *(--ChainEnd);
2504     // Now try to duplicate again.
2505     if (ChainEnd == Chain.begin())
2506       break;
2507     DupPred = *std::prev(ChainEnd);
2508     Removed = maybeTailDuplicateBlock(DupBB, DupPred, Chain, BlockFilter,
2509                                       PrevUnplacedBlockIt,
2510                                       DuplicatedToLPred);
2511   }
2512   // If BB was duplicated into LPred, it is now scheduled. But because it was
2513   // removed, markChainSuccessors won't be called for its chain. Instead we
2514   // call markBlockSuccessors for LPred to achieve the same effect. This must go
2515   // at the end because repeating the tail duplication can increase the number
2516   // of unscheduled predecessors.
2517   LPred = *std::prev(Chain.end());
2518   if (DuplicatedToOriginalLPred)
2519     markBlockSuccessors(Chain, LPred, LoopHeaderBB, BlockFilter);
2520   return true;
2521 }
2522
2523 /// Tail duplicate \p BB into (some) predecessors if profitable.
2524 /// \p BB    - Basic block that may be duplicated
2525 /// \p LPred - Chosen layout predecessor of \p BB
2526 /// \p Chain - Chain to which \p LPred belongs, and \p BB will belong.
2527 /// \p BlockFilter - Set of blocks that belong to the loop being laid out.
2528 ///                  Used to identify which blocks to update predecessor
2529 ///                  counts.
2530 /// \p PrevUnplacedBlockIt - Iterator pointing to the last block that was
2531 ///                          chosen in the given order due to unnatural CFG
2532 ///                          only needed if \p BB is removed and
2533 ///                          \p PrevUnplacedBlockIt pointed to \p BB.
2534 /// \p DuplicatedToLPred - True if the block was duplicated into LPred. Will
2535 ///                        only be true if the block was removed.
2536 /// \return  - True if the block was duplicated into all preds and removed.
2537 bool MachineBlockPlacement::maybeTailDuplicateBlock(
2538     MachineBasicBlock *BB, MachineBasicBlock *LPred,
2539     BlockChain &Chain, BlockFilterSet *BlockFilter,
2540     MachineFunction::iterator &PrevUnplacedBlockIt,
2541     bool &DuplicatedToLPred) {
2542   DuplicatedToLPred = false;
2543   if (!shouldTailDuplicate(BB))
2544     return false;
2545
2546   DEBUG(dbgs() << "Redoing tail duplication for Succ#"
2547         << BB->getNumber() << "\n");
2548
2549   // This has to be a callback because none of it can be done after
2550   // BB is deleted.
2551   bool Removed = false;
2552   auto RemovalCallback =
2553       [&](MachineBasicBlock *RemBB) {
2554         // Signal to outer function
2555         Removed = true;
2556
2557         // Conservative default.
2558         bool InWorkList = true;
2559         // Remove from the Chain and Chain Map
2560         if (BlockToChain.count(RemBB)) {
2561           BlockChain *Chain = BlockToChain[RemBB];
2562           InWorkList = Chain->UnscheduledPredecessors == 0;
2563           Chain->remove(RemBB);
2564           BlockToChain.erase(RemBB);
2565         }
2566
2567         // Handle the unplaced block iterator
2568         if (&(*PrevUnplacedBlockIt) == RemBB) {
2569           PrevUnplacedBlockIt++;
2570         }
2571
2572         // Handle the Work Lists
2573         if (InWorkList) {
2574           SmallVectorImpl<MachineBasicBlock *> &RemoveList = BlockWorkList;
2575           if (RemBB->isEHPad())
2576             RemoveList = EHPadWorkList;
2577           RemoveList.erase(
2578               remove_if(RemoveList,
2579                         [RemBB](MachineBasicBlock *BB) {return BB == RemBB;}),
2580               RemoveList.end());
2581         }
2582
2583         // Handle the filter set
2584         if (BlockFilter) {
2585           BlockFilter->remove(RemBB);
2586         }
2587
2588         // Remove the block from loop info.
2589         MLI->removeBlock(RemBB);
2590         if (RemBB == PreferredLoopExit)
2591           PreferredLoopExit = nullptr;
2592
2593         DEBUG(dbgs() << "TailDuplicator deleted block: "
2594               << getBlockName(RemBB) << "\n");
2595       };
2596   auto RemovalCallbackRef =
2597       llvm::function_ref<void(MachineBasicBlock*)>(RemovalCallback);
2598
2599   SmallVector<MachineBasicBlock *, 8> DuplicatedPreds;
2600   bool IsSimple = TailDup.isSimpleBB(BB);
2601   TailDup.tailDuplicateAndUpdate(IsSimple, BB, LPred,
2602                                  &DuplicatedPreds, &RemovalCallbackRef);
2603
2604   // Update UnscheduledPredecessors to reflect tail-duplication.
2605   DuplicatedToLPred = false;
2606   for (MachineBasicBlock *Pred : DuplicatedPreds) {
2607     // We're only looking for unscheduled predecessors that match the filter.
2608     BlockChain* PredChain = BlockToChain[Pred];
2609     if (Pred == LPred)
2610       DuplicatedToLPred = true;
2611     if (Pred == LPred || (BlockFilter && !BlockFilter->count(Pred))
2612         || PredChain == &Chain)
2613       continue;
2614     for (MachineBasicBlock *NewSucc : Pred->successors()) {
2615       if (BlockFilter && !BlockFilter->count(NewSucc))
2616         continue;
2617       BlockChain *NewChain = BlockToChain[NewSucc];
2618       if (NewChain != &Chain && NewChain != PredChain)
2619         NewChain->UnscheduledPredecessors++;
2620     }
2621   }
2622   return Removed;
2623 }
2624
2625 bool MachineBlockPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
2626   if (skipFunction(*MF.getFunction()))
2627     return false;
2628
2629   // Check for single-block functions and skip them.
2630   if (std::next(MF.begin()) == MF.end())
2631     return false;
2632
2633   F = &MF;
2634   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2635   MBFI = llvm::make_unique<BranchFolder::MBFIWrapper>(
2636       getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>());
2637   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
2638   TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
2639   TLI = MF.getSubtarget().getTargetLowering();
2640   MPDT = nullptr;
2641
2642   // Initialize PreferredLoopExit to nullptr here since it may never be set if
2643   // there are no MachineLoops.
2644   PreferredLoopExit = nullptr;
2645
2646   assert(BlockToChain.empty());
2647   assert(ComputedEdges.empty());
2648
2649   if (TailDupPlacement) {
2650     MPDT = &getAnalysis<MachinePostDominatorTree>();
2651     unsigned TailDupSize = TailDupPlacementThreshold;
2652     if (MF.getFunction()->optForSize())
2653       TailDupSize = 1;
2654     TailDup.initMF(MF, MBPI, /* LayoutMode */ true, TailDupSize);
2655     precomputeTriangleChains();
2656   }
2657
2658   buildCFGChains();
2659
2660   // Changing the layout can create new tail merging opportunities.
2661   TargetPassConfig *PassConfig = &getAnalysis<TargetPassConfig>();
2662   // TailMerge can create jump into if branches that make CFG irreducible for
2663   // HW that requires structured CFG.
2664   bool EnableTailMerge = !MF.getTarget().requiresStructuredCFG() &&
2665                          PassConfig->getEnableTailMerge() &&
2666                          BranchFoldPlacement;
2667   // No tail merging opportunities if the block number is less than four.
2668   if (MF.size() > 3 && EnableTailMerge) {
2669     unsigned TailMergeSize = TailDupPlacementThreshold + 1;
2670     BranchFolder BF(/*EnableTailMerge=*/true, /*CommonHoist=*/false, *MBFI,
2671                     *MBPI, TailMergeSize);
2672
2673     if (BF.OptimizeFunction(MF, TII, MF.getSubtarget().getRegisterInfo(),
2674                             getAnalysisIfAvailable<MachineModuleInfo>(), MLI,
2675                             /*AfterBlockPlacement=*/true)) {
2676       // Redo the layout if tail merging creates/removes/moves blocks.
2677       BlockToChain.clear();
2678       ComputedEdges.clear();
2679       // Must redo the post-dominator tree if blocks were changed.
2680       if (MPDT)
2681         MPDT->runOnMachineFunction(MF);
2682       ChainAllocator.DestroyAll();
2683       buildCFGChains();
2684     }
2685   }
2686
2687   optimizeBranches();
2688   alignBlocks();
2689
2690   BlockToChain.clear();
2691   ComputedEdges.clear();
2692   ChainAllocator.DestroyAll();
2693
2694   if (AlignAllBlock)
2695     // Align all of the blocks in the function to a specific alignment.
2696     for (MachineBasicBlock &MBB : MF)
2697       MBB.setAlignment(AlignAllBlock);
2698   else if (AlignAllNonFallThruBlocks) {
2699     // Align all of the blocks that have no fall-through predecessors to a
2700     // specific alignment.
2701     for (auto MBI = std::next(MF.begin()), MBE = MF.end(); MBI != MBE; ++MBI) {
2702       auto LayoutPred = std::prev(MBI);
2703       if (!LayoutPred->isSuccessor(&*MBI))
2704         MBI->setAlignment(AlignAllNonFallThruBlocks);
2705     }
2706   }
2707   if (ViewBlockLayoutWithBFI != GVDT_None &&
2708       (ViewBlockFreqFuncName.empty() ||
2709        F->getFunction()->getName().equals(ViewBlockFreqFuncName))) {
2710     MBFI->view("MBP." + MF.getName(), false);
2711   }
2712
2713
2714   // We always return true as we have no way to track whether the final order
2715   // differs from the original order.
2716   return true;
2717 }
2718
2719 namespace {
2720 /// \brief A pass to compute block placement statistics.
2721 ///
2722 /// A separate pass to compute interesting statistics for evaluating block
2723 /// placement. This is separate from the actual placement pass so that they can
2724 /// be computed in the absence of any placement transformations or when using
2725 /// alternative placement strategies.
2726 class MachineBlockPlacementStats : public MachineFunctionPass {
2727   /// \brief A handle to the branch probability pass.
2728   const MachineBranchProbabilityInfo *MBPI;
2729
2730   /// \brief A handle to the function-wide block frequency pass.
2731   const MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
2732
2733 public:
2734   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
2735   MachineBlockPlacementStats() : MachineFunctionPass(ID) {
2736     initializeMachineBlockPlacementStatsPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
2737   }
2738
2739   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &F) override;
2740
2741   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
2742     AU.addRequired<MachineBranchProbabilityInfo>();
2743     AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
2744     AU.setPreservesAll();
2745     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
2746   }
2747 };
2748 }
2749
2750 char MachineBlockPlacementStats::ID = 0;
2751 char &llvm::MachineBlockPlacementStatsID = MachineBlockPlacementStats::ID;
2752 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2753                       "Basic Block Placement Stats", false, false)
2754 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBranchProbabilityInfo)
2755 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineBlockFrequencyInfo)
2756 INITIALIZE_PASS_END(MachineBlockPlacementStats, "block-placement-stats",
2757                     "Basic Block Placement Stats", false, false)
2758
2759 bool MachineBlockPlacementStats::runOnMachineFunction(MachineFunction &F) {
2760   // Check for single-block functions and skip them.
2761   if (std::next(F.begin()) == F.end())
2762     return false;
2763
2764   MBPI = &getAnalysis<MachineBranchProbabilityInfo>();
2765   MBFI = &getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
2766
2767   for (MachineBasicBlock &MBB : F) {
2768     BlockFrequency BlockFreq = MBFI->getBlockFreq(&MBB);
2769     Statistic &NumBranches =
2770         (MBB.succ_size() > 1) ? NumCondBranches : NumUncondBranches;
2771     Statistic &BranchTakenFreq =
2772         (MBB.succ_size() > 1) ? CondBranchTakenFreq : UncondBranchTakenFreq;
2773     for (MachineBasicBlock *Succ : MBB.successors()) {
2774       // Skip if this successor is a fallthrough.
2775       if (MBB.isLayoutSuccessor(Succ))
2776         continue;
2777
2778       BlockFrequency EdgeFreq =
2779           BlockFreq * MBPI->getEdgeProbability(&MBB, Succ);
2780       ++NumBranches;
2781       BranchTakenFreq += EdgeFreq.getFrequency();
2782     }
2783   }
2784
2785   return false;
2786 }