contrib/llvm/lib/Transforms/Scalar/LoopRotation.cpp

   1 //===- LoopRotation.cpp - Loop Rotation Pass ------------------------------===//
   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 Loop Rotation Pass.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopRotation.h"
  15 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  16 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  17 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
  18 #include "llvm/Analysis/BasicAliasAnalysis.h"
  19 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
  20 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
  21 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  22 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  23 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  24 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
  25 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
  26 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  27 #include "llvm/IR/CFG.h"
  28 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  29 #include "llvm/IR/Function.h"
  30 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
  31 #include "llvm/IR/Module.h"
  32 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  33 #include "llvm/Support/Debug.h"
  34 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  35 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  36 #include "llvm/Transforms/Scalar/LoopPassManager.h"
  37 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  38 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  39 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
  40 #include "llvm/Transforms/Utils/SSAUpdater.h"
  41 #include "llvm/Transforms/Utils/ValueMapper.h"
  42 using namespace llvm;
  43
  44 #define DEBUG_TYPE "loop-rotate"
  45
  46 static cl::opt<unsigned> DefaultRotationThreshold(
  47     "rotation-max-header-size", cl::init(16), cl::Hidden,
  48     cl::desc("The default maximum header size for automatic loop rotation"));
  49
  50 STATISTIC(NumRotated, "Number of loops rotated");
  51
  52 namespace {
  53 /// A simple loop rotation transformation.
  54 class LoopRotate {
  55   const unsigned MaxHeaderSize;
  56   LoopInfo *LI;
  57   const TargetTransformInfo *TTI;
  58   AssumptionCache *AC;
  59   DominatorTree *DT;
  60   ScalarEvolution *SE;
  61   const SimplifyQuery &SQ;
  62
  63 public:
  64   LoopRotate(unsigned MaxHeaderSize, LoopInfo *LI,
  65              const TargetTransformInfo *TTI, AssumptionCache *AC,
  66              DominatorTree *DT, ScalarEvolution *SE, const SimplifyQuery &SQ)
  67       : MaxHeaderSize(MaxHeaderSize), LI(LI), TTI(TTI), AC(AC), DT(DT), SE(SE),
  68         SQ(SQ) {}
  69   bool processLoop(Loop *L);
  70
  71 private:
  72   bool rotateLoop(Loop *L, bool SimplifiedLatch);
  73   bool simplifyLoopLatch(Loop *L);
  74 };
  75 } // end anonymous namespace
  76
  77 /// RewriteUsesOfClonedInstructions - We just cloned the instructions from the
  78 /// old header into the preheader.  If there were uses of the values produced by
  79 /// these instruction that were outside of the loop, we have to insert PHI nodes
  80 /// to merge the two values.  Do this now.
  81 static void RewriteUsesOfClonedInstructions(BasicBlock *OrigHeader,
  82                                             BasicBlock *OrigPreheader,
  83                                             ValueToValueMapTy &ValueMap,
  84                                 SmallVectorImpl<PHINode*> *InsertedPHIs) {
  85   // Remove PHI node entries that are no longer live.
  86   BasicBlock::iterator I, E = OrigHeader->end();
  87   for (I = OrigHeader->begin(); PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
  88     PN->removeIncomingValue(PN->getBasicBlockIndex(OrigPreheader));
  89
  90   // Now fix up users of the instructions in OrigHeader, inserting PHI nodes
  91   // as necessary.
  92   SSAUpdater SSA(InsertedPHIs);
  93   for (I = OrigHeader->begin(); I != E; ++I) {
  94     Value *OrigHeaderVal = &*I;
  95
  96     // If there are no uses of the value (e.g. because it returns void), there
  97     // is nothing to rewrite.
  98     if (OrigHeaderVal->use_empty())
  99       continue;
 100
 101     Value *OrigPreHeaderVal = ValueMap.lookup(OrigHeaderVal);
 102
 103     // The value now exits in two versions: the initial value in the preheader
 104     // and the loop "next" value in the original header.
 105     SSA.Initialize(OrigHeaderVal->getType(), OrigHeaderVal->getName());
 106     SSA.AddAvailableValue(OrigHeader, OrigHeaderVal);
 107     SSA.AddAvailableValue(OrigPreheader, OrigPreHeaderVal);
 108
 109     // Visit each use of the OrigHeader instruction.
 110     for (Value::use_iterator UI = OrigHeaderVal->use_begin(),
 111                              UE = OrigHeaderVal->use_end();
 112          UI != UE;) {
 113       // Grab the use before incrementing the iterator.
 114       Use &U = *UI;
 115
 116       // Increment the iterator before removing the use from the list.
 117       ++UI;
 118
 119       // SSAUpdater can't handle a non-PHI use in the same block as an
 120       // earlier def. We can easily handle those cases manually.
 121       Instruction *UserInst = cast<Instruction>(U.getUser());
 122       if (!isa<PHINode>(UserInst)) {
 123         BasicBlock *UserBB = UserInst->getParent();
 124
 125         // The original users in the OrigHeader are already using the
 126         // original definitions.
 127         if (UserBB == OrigHeader)
 128           continue;
 129
 130         // Users in the OrigPreHeader need to use the value to which the
 131         // original definitions are mapped.
 132         if (UserBB == OrigPreheader) {
 133           U = OrigPreHeaderVal;
 134           continue;
 135         }
 136       }
 137
 138       // Anything else can be handled by SSAUpdater.
 139       SSA.RewriteUse(U);
 140     }
 141
 142     // Replace MetadataAsValue(ValueAsMetadata(OrigHeaderVal)) uses in debug
 143     // intrinsics.
 144     LLVMContext &C = OrigHeader->getContext();
 145     if (auto *VAM = ValueAsMetadata::getIfExists(OrigHeaderVal)) {
 146       if (auto *MAV = MetadataAsValue::getIfExists(C, VAM)) {
 147         for (auto UI = MAV->use_begin(), E = MAV->use_end(); UI != E;) {
 148           // Grab the use before incrementing the iterator. Otherwise, altering
 149           // the Use will invalidate the iterator.
 150           Use &U = *UI++;
 151           DbgInfoIntrinsic *UserInst = dyn_cast<DbgInfoIntrinsic>(U.getUser());
 152           if (!UserInst)
 153             continue;
 154
 155           // The original users in the OrigHeader are already using the original
 156           // definitions.
 157           BasicBlock *UserBB = UserInst->getParent();
 158           if (UserBB == OrigHeader)
 159             continue;
 160
 161           // Users in the OrigPreHeader need to use the value to which the
 162           // original definitions are mapped and anything else can be handled by
 163           // the SSAUpdater. To avoid adding PHINodes, check if the value is
 164           // available in UserBB, if not substitute undef.
 165           Value *NewVal;
 166           if (UserBB == OrigPreheader)
 167             NewVal = OrigPreHeaderVal;
 168           else if (SSA.HasValueForBlock(UserBB))
 169             NewVal = SSA.GetValueInMiddleOfBlock(UserBB);
 170           else
 171             NewVal = UndefValue::get(OrigHeaderVal->getType());
 172           U = MetadataAsValue::get(C, ValueAsMetadata::get(NewVal));
 173         }
 174       }
 175     }
 176   }
 177 }
 178
 179 /// Propagate dbg.value intrinsics through the newly inserted Phis.
 180 static void insertDebugValues(BasicBlock *OrigHeader,
 181                               SmallVectorImpl<PHINode*> &InsertedPHIs) {
 182   ValueToValueMapTy DbgValueMap;
 183
 184   // Map existing PHI nodes to their dbg.values.
 185   for (auto &I : *OrigHeader) {
 186     if (auto DbgII = dyn_cast<DbgInfoIntrinsic>(&I)) {
 187       if (auto *Loc = dyn_cast_or_null<PHINode>(DbgII->getVariableLocation()))
 188         DbgValueMap.insert({Loc, DbgII});
 189     }
 190   }
 191
 192   // Then iterate through the new PHIs and look to see if they use one of the
 193   // previously mapped PHIs. If so, insert a new dbg.value intrinsic that will
 194   // propagate the info through the new PHI.
 195   LLVMContext &C = OrigHeader->getContext();
 196   for (auto PHI : InsertedPHIs) {
 197     for (auto VI : PHI->operand_values()) {
 198       auto V = DbgValueMap.find(VI);
 199       if (V != DbgValueMap.end()) {
 200         auto *DbgII = cast<DbgInfoIntrinsic>(V->second);
 201         Instruction *NewDbgII = DbgII->clone();
 202         auto PhiMAV = MetadataAsValue::get(C, ValueAsMetadata::get(PHI));
 203         NewDbgII->setOperand(0, PhiMAV);
 204         BasicBlock *Parent = PHI->getParent();
 205         NewDbgII->insertBefore(Parent->getFirstNonPHIOrDbgOrLifetime());
 206       }
 207     }
 208   }
 209 }
 210
 211 /// Rotate loop LP. Return true if the loop is rotated.
 212 ///
 213 /// \param SimplifiedLatch is true if the latch was just folded into the final
 214 /// loop exit. In this case we may want to rotate even though the new latch is
 215 /// now an exiting branch. This rotation would have happened had the latch not
 216 /// been simplified. However, if SimplifiedLatch is false, then we avoid
 217 /// rotating loops in which the latch exits to avoid excessive or endless
 218 /// rotation. LoopRotate should be repeatable and converge to a canonical
 219 /// form. This property is satisfied because simplifying the loop latch can only
 220 /// happen once across multiple invocations of the LoopRotate pass.
 221 bool LoopRotate::rotateLoop(Loop *L, bool SimplifiedLatch) {
 222   // If the loop has only one block then there is not much to rotate.
 223   if (L->getBlocks().size() == 1)
 224     return false;
 225
 226   BasicBlock *OrigHeader = L->getHeader();
 227   BasicBlock *OrigLatch = L->getLoopLatch();
 228
 229   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(OrigHeader->getTerminator());
 230   if (!BI || BI->isUnconditional())
 231     return false;
 232
 233   // If the loop header is not one of the loop exiting blocks then
 234   // either this loop is already rotated or it is not
 235   // suitable for loop rotation transformations.
 236   if (!L->isLoopExiting(OrigHeader))
 237     return false;
 238
 239   // If the loop latch already contains a branch that leaves the loop then the
 240   // loop is already rotated.
 241   if (!OrigLatch)
 242     return false;
 243
 244   // Rotate if either the loop latch does *not* exit the loop, or if the loop
 245   // latch was just simplified.
 246   if (L->isLoopExiting(OrigLatch) && !SimplifiedLatch)
 247     return false;
 248
 249   // Check size of original header and reject loop if it is very big or we can't
 250   // duplicate blocks inside it.
 251   {
 252     SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
 253     CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
 254
 255     CodeMetrics Metrics;
 256     Metrics.analyzeBasicBlock(OrigHeader, *TTI, EphValues);
 257     if (Metrics.notDuplicatable) {
 258       DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: NOT rotating - contains non-duplicatable"
 259                    << " instructions: ";
 260             L->dump());
 261       return false;
 262     }
 263     if (Metrics.convergent) {
 264       DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: NOT rotating - contains convergent "
 265                       "instructions: ";
 266             L->dump());
 267       return false;
 268     }
 269     if (Metrics.NumInsts > MaxHeaderSize)
 270       return false;
 271   }
 272
 273   // Now, this loop is suitable for rotation.
 274   BasicBlock *OrigPreheader = L->getLoopPreheader();
 275
 276   // If the loop could not be converted to canonical form, it must have an
 277   // indirectbr in it, just give up.
 278   if (!OrigPreheader)
 279     return false;
 280
 281   // Anything ScalarEvolution may know about this loop or the PHI nodes
 282   // in its header will soon be invalidated.
 283   if (SE)
 284     SE->forgetLoop(L);
 285
 286   DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: rotating "; L->dump());
 287
 288   // Find new Loop header. NewHeader is a Header's one and only successor
 289   // that is inside loop.  Header's other successor is outside the
 290   // loop.  Otherwise loop is not suitable for rotation.
 291   BasicBlock *Exit = BI->getSuccessor(0);
 292   BasicBlock *NewHeader = BI->getSuccessor(1);
 293   if (L->contains(Exit))
 294     std::swap(Exit, NewHeader);
 295   assert(NewHeader && "Unable to determine new loop header");
 296   assert(L->contains(NewHeader) && !L->contains(Exit) &&
 297          "Unable to determine loop header and exit blocks");
 298
 299   // This code assumes that the new header has exactly one predecessor.
 300   // Remove any single-entry PHI nodes in it.
 301   assert(NewHeader->getSinglePredecessor() &&
 302          "New header doesn't have one pred!");
 303   FoldSingleEntryPHINodes(NewHeader);
 304
 305   // Begin by walking OrigHeader and populating ValueMap with an entry for
 306   // each Instruction.
 307   BasicBlock::iterator I = OrigHeader->begin(), E = OrigHeader->end();
 308   ValueToValueMapTy ValueMap;
 309
 310   // For PHI nodes, the value available in OldPreHeader is just the
 311   // incoming value from OldPreHeader.
 312   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
 313     ValueMap[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(OrigPreheader);
 314
 315   // For the rest of the instructions, either hoist to the OrigPreheader if
 316   // possible or create a clone in the OldPreHeader if not.
 317   TerminatorInst *LoopEntryBranch = OrigPreheader->getTerminator();
 318   while (I != E) {
 319     Instruction *Inst = &*I++;
 320
 321     // If the instruction's operands are invariant and it doesn't read or write
 322     // memory, then it is safe to hoist.  Doing this doesn't change the order of
 323     // execution in the preheader, but does prevent the instruction from
 324     // executing in each iteration of the loop.  This means it is safe to hoist
 325     // something that might trap, but isn't safe to hoist something that reads
 326     // memory (without proving that the loop doesn't write).
 327     if (L->hasLoopInvariantOperands(Inst) && !Inst->mayReadFromMemory() &&
 328         !Inst->mayWriteToMemory() && !isa<TerminatorInst>(Inst) &&
 329         !isa<DbgInfoIntrinsic>(Inst) && !isa<AllocaInst>(Inst)) {
 330       Inst->moveBefore(LoopEntryBranch);
 331       continue;
 332     }
 333
 334     // Otherwise, create a duplicate of the instruction.
 335     Instruction *C = Inst->clone();
 336
 337     // Eagerly remap the operands of the instruction.
 338     RemapInstruction(C, ValueMap,
 339                      RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingLocals);
 340
 341     // With the operands remapped, see if the instruction constant folds or is
 342     // otherwise simplifyable.  This commonly occurs because the entry from PHI
 343     // nodes allows icmps and other instructions to fold.
 344     Value *V = SimplifyInstruction(C, SQ);
 345     if (V && LI->replacementPreservesLCSSAForm(C, V)) {
 346       // If so, then delete the temporary instruction and stick the folded value
 347       // in the map.
 348       ValueMap[Inst] = V;
 349       if (!C->mayHaveSideEffects()) {
 350         C->deleteValue();
 351         C = nullptr;
 352       }
 353     } else {
 354       ValueMap[Inst] = C;
 355     }
 356     if (C) {
 357       // Otherwise, stick the new instruction into the new block!
 358       C->setName(Inst->getName());
 359       C->insertBefore(LoopEntryBranch);
 360
 361       if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(C))
 362         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::assume)
 363           AC->registerAssumption(II);
 364     }
 365   }
 366
 367   // Along with all the other instructions, we just cloned OrigHeader's
 368   // terminator into OrigPreHeader. Fix up the PHI nodes in each of OrigHeader's
 369   // successors by duplicating their incoming values for OrigHeader.
 370   TerminatorInst *TI = OrigHeader->getTerminator();
 371   for (BasicBlock *SuccBB : TI->successors())
 372     for (BasicBlock::iterator BI = SuccBB->begin();
 373          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
 374       PN->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(OrigHeader), OrigPreheader);
 375
 376   // Now that OrigPreHeader has a clone of OrigHeader's terminator, remove
 377   // OrigPreHeader's old terminator (the original branch into the loop), and
 378   // remove the corresponding incoming values from the PHI nodes in OrigHeader.
 379   LoopEntryBranch->eraseFromParent();
 380
 381
 382   SmallVector<PHINode*, 2> InsertedPHIs;
 383   // If there were any uses of instructions in the duplicated block outside the
 384   // loop, update them, inserting PHI nodes as required
 385   RewriteUsesOfClonedInstructions(OrigHeader, OrigPreheader, ValueMap,
 386                                   &InsertedPHIs);
 387
 388   // Attach dbg.value intrinsics to the new phis if that phi uses a value that
 389   // previously had debug metadata attached. This keeps the debug info
 390   // up-to-date in the loop body.
 391   if (!InsertedPHIs.empty())
 392     insertDebugValues(OrigHeader, InsertedPHIs);
 393
 394   // NewHeader is now the header of the loop.
 395   L->moveToHeader(NewHeader);
 396   assert(L->getHeader() == NewHeader && "Latch block is our new header");
 397
 398   // At this point, we've finished our major CFG changes.  As part of cloning
 399   // the loop into the preheader we've simplified instructions and the
 400   // duplicated conditional branch may now be branching on a constant.  If it is
 401   // branching on a constant and if that constant means that we enter the loop,
 402   // then we fold away the cond branch to an uncond branch.  This simplifies the
 403   // loop in cases important for nested loops, and it also means we don't have
 404   // to split as many edges.
 405   BranchInst *PHBI = cast<BranchInst>(OrigPreheader->getTerminator());
 406   assert(PHBI->isConditional() && "Should be clone of BI condbr!");
 407   if (!isa<ConstantInt>(PHBI->getCondition()) ||
 408       PHBI->getSuccessor(cast<ConstantInt>(PHBI->getCondition())->isZero()) !=
 409           NewHeader) {
 410     // The conditional branch can't be folded, handle the general case.
 411     // Update DominatorTree to reflect the CFG change we just made.  Then split
 412     // edges as necessary to preserve LoopSimplify form.
 413     if (DT) {
 414       // Everything that was dominated by the old loop header is now dominated
 415       // by the original loop preheader. Conceptually the header was merged
 416       // into the preheader, even though we reuse the actual block as a new
 417       // loop latch.
 418       DomTreeNode *OrigHeaderNode = DT->getNode(OrigHeader);
 419       SmallVector<DomTreeNode *, 8> HeaderChildren(OrigHeaderNode->begin(),
 420                                                    OrigHeaderNode->end());
 421       DomTreeNode *OrigPreheaderNode = DT->getNode(OrigPreheader);
 422       for (unsigned I = 0, E = HeaderChildren.size(); I != E; ++I)
 423         DT->changeImmediateDominator(HeaderChildren[I], OrigPreheaderNode);
 424
 425       assert(DT->getNode(Exit)->getIDom() == OrigPreheaderNode);
 426       assert(DT->getNode(NewHeader)->getIDom() == OrigPreheaderNode);
 427
 428       // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
 429       DT->changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
 430     }
 431
 432     // Right now OrigPreHeader has two successors, NewHeader and ExitBlock, and
 433     // thus is not a preheader anymore.
 434     // Split the edge to form a real preheader.
 435     BasicBlock *NewPH = SplitCriticalEdge(
 436         OrigPreheader, NewHeader,
 437         CriticalEdgeSplittingOptions(DT, LI).setPreserveLCSSA());
 438     NewPH->setName(NewHeader->getName() + ".lr.ph");
 439
 440     // Preserve canonical loop form, which means that 'Exit' should have only
 441     // one predecessor. Note that Exit could be an exit block for multiple
 442     // nested loops, causing both of the edges to now be critical and need to
 443     // be split.
 444     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitPreds(pred_begin(Exit), pred_end(Exit));
 445     bool SplitLatchEdge = false;
 446     for (BasicBlock *ExitPred : ExitPreds) {
 447       // We only need to split loop exit edges.
 448       Loop *PredLoop = LI->getLoopFor(ExitPred);
 449       if (!PredLoop || PredLoop->contains(Exit))
 450         continue;
 451       if (isa<IndirectBrInst>(ExitPred->getTerminator()))
 452         continue;
 453       SplitLatchEdge |= L->getLoopLatch() == ExitPred;
 454       BasicBlock *ExitSplit = SplitCriticalEdge(
 455           ExitPred, Exit,
 456           CriticalEdgeSplittingOptions(DT, LI).setPreserveLCSSA());
 457       ExitSplit->moveBefore(Exit);
 458     }
 459     assert(SplitLatchEdge &&
 460            "Despite splitting all preds, failed to split latch exit?");
 461   } else {
 462     // We can fold the conditional branch in the preheader, this makes things
 463     // simpler. The first step is to remove the extra edge to the Exit block.
 464     Exit->removePredecessor(OrigPreheader, true /*preserve LCSSA*/);
 465     BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(NewHeader, PHBI);
 466     NewBI->setDebugLoc(PHBI->getDebugLoc());
 467     PHBI->eraseFromParent();
 468
 469     // With our CFG finalized, update DomTree if it is available.
 470     if (DT) {
 471       // Update OrigHeader to be dominated by the new header block.
 472       DT->changeImmediateDominator(NewHeader, OrigPreheader);
 473       DT->changeImmediateDominator(OrigHeader, OrigLatch);
 474
 475       // Brute force incremental dominator tree update. Call
 476       // findNearestCommonDominator on all CFG predecessors of each child of the
 477       // original header.
 478       DomTreeNode *OrigHeaderNode = DT->getNode(OrigHeader);
 479       SmallVector<DomTreeNode *, 8> HeaderChildren(OrigHeaderNode->begin(),
 480                                                    OrigHeaderNode->end());
 481       bool Changed;
 482       do {
 483         Changed = false;
 484         for (unsigned I = 0, E = HeaderChildren.size(); I != E; ++I) {
 485           DomTreeNode *Node = HeaderChildren[I];
 486           BasicBlock *BB = Node->getBlock();
 487
 488           BasicBlock *NearestDom = nullptr;
 489           for (BasicBlock *Pred : predecessors(BB)) {
 490             // Consider only reachable basic blocks.
 491             if (!DT->getNode(Pred))
 492               continue;
 493
 494             if (!NearestDom) {
 495               NearestDom = Pred;
 496               continue;
 497             }
 498
 499             NearestDom = DT->findNearestCommonDominator(NearestDom, Pred);
 500             assert(NearestDom && "No NearestCommonDominator found");
 501           }
 502
 503           assert(NearestDom && "Nearest dominator not found");
 504
 505           // Remember if this changes the DomTree.
 506           if (Node->getIDom()->getBlock() != NearestDom) {
 507             DT->changeImmediateDominator(BB, NearestDom);
 508             Changed = true;
 509           }
 510         }
 511
 512         // If the dominator changed, this may have an effect on other
 513         // predecessors, continue until we reach a fixpoint.
 514       } while (Changed);
 515     }
 516   }
 517
 518   assert(L->getLoopPreheader() && "Invalid loop preheader after loop rotation");
 519   assert(L->getLoopLatch() && "Invalid loop latch after loop rotation");
 520
 521   // Now that the CFG and DomTree are in a consistent state again, try to merge
 522   // the OrigHeader block into OrigLatch.  This will succeed if they are
 523   // connected by an unconditional branch.  This is just a cleanup so the
 524   // emitted code isn't too gross in this common case.
 525   MergeBlockIntoPredecessor(OrigHeader, DT, LI);
 526
 527   DEBUG(dbgs() << "LoopRotation: into "; L->dump());
 528
 529   ++NumRotated;
 530   return true;
 531 }
 532
 533 /// Determine whether the instructions in this range may be safely and cheaply
 534 /// speculated. This is not an important enough situation to develop complex
 535 /// heuristics. We handle a single arithmetic instruction along with any type
 536 /// conversions.
 537 static bool shouldSpeculateInstrs(BasicBlock::iterator Begin,
 538                                   BasicBlock::iterator End, Loop *L) {
 539   bool seenIncrement = false;
 540   bool MultiExitLoop = false;
 541
 542   if (!L->getExitingBlock())
 543     MultiExitLoop = true;
 544
 545   for (BasicBlock::iterator I = Begin; I != End; ++I) {
 546
 547     if (!isSafeToSpeculativelyExecute(&*I))
 548       return false;
 549
 550     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
 551       continue;
 552
 553     switch (I->getOpcode()) {
 554     default:
 555       return false;
 556     case Instruction::GetElementPtr:
 557       // GEPs are cheap if all indices are constant.
 558       if (!cast<GEPOperator>(I)->hasAllConstantIndices())
 559         return false;
 560       // fall-thru to increment case
 561       LLVM_FALLTHROUGH;
 562     case Instruction::Add:
 563     case Instruction::Sub:
 564     case Instruction::And:
 565     case Instruction::Or:
 566     case Instruction::Xor:
 567     case Instruction::Shl:
 568     case Instruction::LShr:
 569     case Instruction::AShr: {
 570       Value *IVOpnd =
 571           !isa<Constant>(I->getOperand(0))
 572               ? I->getOperand(0)
 573               : !isa<Constant>(I->getOperand(1)) ? I->getOperand(1) : nullptr;
 574       if (!IVOpnd)
 575         return false;
 576
 577       // If increment operand is used outside of the loop, this speculation
 578       // could cause extra live range interference.
 579       if (MultiExitLoop) {
 580         for (User *UseI : IVOpnd->users()) {
 581           auto *UserInst = cast<Instruction>(UseI);
 582           if (!L->contains(UserInst))
 583             return false;
 584         }
 585       }
 586
 587       if (seenIncrement)
 588         return false;
 589       seenIncrement = true;
 590       break;
 591     }
 592     case Instruction::Trunc:
 593     case Instruction::ZExt:
 594     case Instruction::SExt:
 595       // ignore type conversions
 596       break;
 597     }
 598   }
 599   return true;
 600 }
 601
 602 /// Fold the loop tail into the loop exit by speculating the loop tail
 603 /// instructions. Typically, this is a single post-increment. In the case of a
 604 /// simple 2-block loop, hoisting the increment can be much better than
 605 /// duplicating the entire loop header. In the case of loops with early exits,
 606 /// rotation will not work anyway, but simplifyLoopLatch will put the loop in
 607 /// canonical form so downstream passes can handle it.
 608 ///
 609 /// I don't believe this invalidates SCEV.
 610 bool LoopRotate::simplifyLoopLatch(Loop *L) {
 611   BasicBlock *Latch = L->getLoopLatch();
 612   if (!Latch || Latch->hasAddressTaken())
 613     return false;
 614
 615   BranchInst *Jmp = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
 616   if (!Jmp || !Jmp->isUnconditional())
 617     return false;
 618
 619   BasicBlock *LastExit = Latch->getSinglePredecessor();
 620   if (!LastExit || !L->isLoopExiting(LastExit))
 621     return false;
 622
 623   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(LastExit->getTerminator());
 624   if (!BI)
 625     return false;
 626
 627   if (!shouldSpeculateInstrs(Latch->begin(), Jmp->getIterator(), L))
 628     return false;
 629
 630   DEBUG(dbgs() << "Folding loop latch " << Latch->getName() << " into "
 631                << LastExit->getName() << "\n");
 632
 633   // Hoist the instructions from Latch into LastExit.
 634   LastExit->getInstList().splice(BI->getIterator(), Latch->getInstList(),
 635                                  Latch->begin(), Jmp->getIterator());
 636
 637   unsigned FallThruPath = BI->getSuccessor(0) == Latch ? 0 : 1;
 638   BasicBlock *Header = Jmp->getSuccessor(0);
 639   assert(Header == L->getHeader() && "expected a backward branch");
 640
 641   // Remove Latch from the CFG so that LastExit becomes the new Latch.
 642   BI->setSuccessor(FallThruPath, Header);
 643   Latch->replaceSuccessorsPhiUsesWith(LastExit);
 644   Jmp->eraseFromParent();
 645
 646   // Nuke the Latch block.
 647   assert(Latch->empty() && "unable to evacuate Latch");
 648   LI->removeBlock(Latch);
 649   if (DT)
 650     DT->eraseNode(Latch);
 651   Latch->eraseFromParent();
 652   return true;
 653 }
 654
 655 /// Rotate \c L, and return true if any modification was made.
 656 bool LoopRotate::processLoop(Loop *L) {
 657   // Save the loop metadata.
 658   MDNode *LoopMD = L->getLoopID();
 659
 660   // Simplify the loop latch before attempting to rotate the header
 661   // upward. Rotation may not be needed if the loop tail can be folded into the
 662   // loop exit.
 663   bool SimplifiedLatch = simplifyLoopLatch(L);
 664
 665   bool MadeChange = rotateLoop(L, SimplifiedLatch);
 666   assert((!MadeChange || L->isLoopExiting(L->getLoopLatch())) &&
 667          "Loop latch should be exiting after loop-rotate.");
 668
 669   // Restore the loop metadata.
 670   // NB! We presume LoopRotation DOESN'T ADD its own metadata.
 671   if ((MadeChange || SimplifiedLatch) && LoopMD)
 672     L->setLoopID(LoopMD);
 673
 674   return MadeChange;
 675 }
 676
 677 LoopRotatePass::LoopRotatePass(bool EnableHeaderDuplication)
 678     : EnableHeaderDuplication(EnableHeaderDuplication) {}
 679
 680 PreservedAnalyses LoopRotatePass::run(Loop &L, LoopAnalysisManager &AM,
 681                                       LoopStandardAnalysisResults &AR,
 682                                       LPMUpdater &) {
 683   int Threshold = EnableHeaderDuplication ? DefaultRotationThreshold : 0;
 684   const DataLayout &DL = L.getHeader()->getModule()->getDataLayout();
 685   const SimplifyQuery SQ = getBestSimplifyQuery(AR, DL);
 686   LoopRotate LR(Threshold, &AR.LI, &AR.TTI, &AR.AC, &AR.DT, &AR.SE,
 687                 SQ);
 688
 689   bool Changed = LR.processLoop(&L);
 690   if (!Changed)
 691     return PreservedAnalyses::all();
 692
 693   return getLoopPassPreservedAnalyses();
 694 }
 695
 696 namespace {
 697
 698 class LoopRotateLegacyPass : public LoopPass {
 699   unsigned MaxHeaderSize;
 700
 701 public:
 702   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
 703   LoopRotateLegacyPass(int SpecifiedMaxHeaderSize = -1) : LoopPass(ID) {
 704     initializeLoopRotateLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 705     if (SpecifiedMaxHeaderSize == -1)
 706       MaxHeaderSize = DefaultRotationThreshold;
 707     else
 708       MaxHeaderSize = unsigned(SpecifiedMaxHeaderSize);
 709   }
 710
 711   // LCSSA form makes instruction renaming easier.
 712   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
 713     AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
 714     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
 715     getLoopAnalysisUsage(AU);
 716   }
 717
 718   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override {
 719     if (skipLoop(L))
 720       return false;
 721     Function &F = *L->getHeader()->getParent();
 722
 723     auto *LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
 724     const auto *TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
 725     auto *AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
 726     auto *DTWP = getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
 727     auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
 728     auto *SEWP = getAnalysisIfAvailable<ScalarEvolutionWrapperPass>();
 729     auto *SE = SEWP ? &SEWP->getSE() : nullptr;
 730     const SimplifyQuery SQ = getBestSimplifyQuery(*this, F);
 731     LoopRotate LR(MaxHeaderSize, LI, TTI, AC, DT, SE, SQ);
 732     return LR.processLoop(L);
 733   }
 734 };
 735 }
 736
 737 char LoopRotateLegacyPass::ID = 0;
 738 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopRotateLegacyPass, "loop-rotate", "Rotate Loops",
 739                       false, false)
 740 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
 741 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
 742 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
 743 INITIALIZE_PASS_END(LoopRotateLegacyPass, "loop-rotate", "Rotate Loops", false,
 744                     false)
 745
 746 Pass *llvm::createLoopRotatePass(int MaxHeaderSize) {
 747   return new LoopRotateLegacyPass(MaxHeaderSize);
 748 }