]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm-project/llvm/lib/Target/X86/X86CmovConversion.cpp
Import libxo-1.4.0:
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm-project / llvm / lib / Target / X86 / X86CmovConversion.cpp
1 //====- X86CmovConversion.cpp - Convert Cmov to Branch --------------------===//
2 //
3 // Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions.
4 // See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information.
5 // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception
6 //
7 //===----------------------------------------------------------------------===//
8 //
9 /// \file
10 /// This file implements a pass that converts X86 cmov instructions into
11 /// branches when profitable. This pass is conservative. It transforms if and
12 /// only if it can guarantee a gain with high confidence.
13 ///
14 /// Thus, the optimization applies under the following conditions:
15 ///   1. Consider as candidates only CMOVs in innermost loops (assume that
16 ///      most hotspots are represented by these loops).
17 ///   2. Given a group of CMOV instructions that are using the same EFLAGS def
18 ///      instruction:
19 ///      a. Consider them as candidates only if all have the same code condition
20 ///         or the opposite one to prevent generating more than one conditional
21 ///         jump per EFLAGS def instruction.
22 ///      b. Consider them as candidates only if all are profitable to be
23 ///         converted (assume that one bad conversion may cause a degradation).
24 ///   3. Apply conversion only for loops that are found profitable and only for
25 ///      CMOV candidates that were found profitable.
26 ///      a. A loop is considered profitable only if conversion will reduce its
27 ///         depth cost by some threshold.
28 ///      b. CMOV is considered profitable if the cost of its condition is higher
29 ///         than the average cost of its true-value and false-value by 25% of
30 ///         branch-misprediction-penalty. This assures no degradation even with
31 ///         25% branch misprediction.
32 ///
33 /// Note: This pass is assumed to run on SSA machine code.
34 //
35 //===----------------------------------------------------------------------===//
36 //
37 //  External interfaces:
38 //      FunctionPass *llvm::createX86CmovConverterPass();
39 //      bool X86CmovConverterPass::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
40 //
41 //===----------------------------------------------------------------------===//
42
43 #include "X86.h"
44 #include "X86InstrInfo.h"
45 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
46 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
47 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
48 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
49 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
52 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
53 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
54 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
55 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
56 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
57 #include "llvm/CodeGen/MachineOperand.h"
58 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
59 #include "llvm/CodeGen/TargetInstrInfo.h"
60 #include "llvm/CodeGen/TargetRegisterInfo.h"
61 #include "llvm/CodeGen/TargetSchedule.h"
62 #include "llvm/CodeGen/TargetSubtargetInfo.h"
63 #include "llvm/IR/DebugLoc.h"
64 #include "llvm/MC/MCSchedule.h"
65 #include "llvm/Pass.h"
66 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
67 #include "llvm/Support/Debug.h"
68 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
69 #include <algorithm>
70 #include <cassert>
71 #include <iterator>
72 #include <utility>
73
74 using namespace llvm;
75
76 #define DEBUG_TYPE "x86-cmov-conversion"
77
78 STATISTIC(NumOfSkippedCmovGroups, "Number of unsupported CMOV-groups");
79 STATISTIC(NumOfCmovGroupCandidate, "Number of CMOV-group candidates");
80 STATISTIC(NumOfLoopCandidate, "Number of CMOV-conversion profitable loops");
81 STATISTIC(NumOfOptimizedCmovGroups, "Number of optimized CMOV-groups");
82
83 // This internal switch can be used to turn off the cmov/branch optimization.
84 static cl::opt<bool>
85     EnableCmovConverter("x86-cmov-converter",
86                         cl::desc("Enable the X86 cmov-to-branch optimization."),
87                         cl::init(true), cl::Hidden);
88
89 static cl::opt<unsigned>
90     GainCycleThreshold("x86-cmov-converter-threshold",
91                        cl::desc("Minimum gain per loop (in cycles) threshold."),
92                        cl::init(4), cl::Hidden);
93
94 static cl::opt<bool> ForceMemOperand(
95     "x86-cmov-converter-force-mem-operand",
96     cl::desc("Convert cmovs to branches whenever they have memory operands."),
97     cl::init(true), cl::Hidden);
98
99 namespace {
100
101 /// Converts X86 cmov instructions into branches when profitable.
102 class X86CmovConverterPass : public MachineFunctionPass {
103 public:
104   X86CmovConverterPass() : MachineFunctionPass(ID) { }
105
106   StringRef getPassName() const override { return "X86 cmov Conversion"; }
107   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
108   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
109
110   /// Pass identification, replacement for typeid.
111   static char ID;
112
113 private:
114   MachineRegisterInfo *MRI;
115   const TargetInstrInfo *TII;
116   const TargetRegisterInfo *TRI;
117   TargetSchedModel TSchedModel;
118
119   /// List of consecutive CMOV instructions.
120   using CmovGroup = SmallVector<MachineInstr *, 2>;
121   using CmovGroups = SmallVector<CmovGroup, 2>;
122
123   /// Collect all CMOV-group-candidates in \p CurrLoop and update \p
124   /// CmovInstGroups accordingly.
125   ///
126   /// \param Blocks List of blocks to process.
127   /// \param CmovInstGroups List of consecutive CMOV instructions in CurrLoop.
128   /// \returns true iff it found any CMOV-group-candidate.
129   bool collectCmovCandidates(ArrayRef<MachineBasicBlock *> Blocks,
130                              CmovGroups &CmovInstGroups,
131                              bool IncludeLoads = false);
132
133   /// Check if it is profitable to transform each CMOV-group-candidates into
134   /// branch. Remove all groups that are not profitable from \p CmovInstGroups.
135   ///
136   /// \param Blocks List of blocks to process.
137   /// \param CmovInstGroups List of consecutive CMOV instructions in CurrLoop.
138   /// \returns true iff any CMOV-group-candidate remain.
139   bool checkForProfitableCmovCandidates(ArrayRef<MachineBasicBlock *> Blocks,
140                                         CmovGroups &CmovInstGroups);
141
142   /// Convert the given list of consecutive CMOV instructions into a branch.
143   ///
144   /// \param Group Consecutive CMOV instructions to be converted into branch.
145   void convertCmovInstsToBranches(SmallVectorImpl<MachineInstr *> &Group) const;
146 };
147
148 } // end anonymous namespace
149
150 char X86CmovConverterPass::ID = 0;
151
152 void X86CmovConverterPass::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
153   MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
154   AU.addRequired<MachineLoopInfo>();
155 }
156
157 bool X86CmovConverterPass::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
158   if (skipFunction(MF.getFunction()))
159     return false;
160   if (!EnableCmovConverter)
161     return false;
162
163   LLVM_DEBUG(dbgs() << "********** " << getPassName() << " : " << MF.getName()
164                     << "**********\n");
165
166   bool Changed = false;
167   MachineLoopInfo &MLI = getAnalysis<MachineLoopInfo>();
168   const TargetSubtargetInfo &STI = MF.getSubtarget();
169   MRI = &MF.getRegInfo();
170   TII = STI.getInstrInfo();
171   TRI = STI.getRegisterInfo();
172   TSchedModel.init(&STI);
173
174   // Before we handle the more subtle cases of register-register CMOVs inside
175   // of potentially hot loops, we want to quickly remove all CMOVs with
176   // a memory operand. The CMOV will risk a stall waiting for the load to
177   // complete that speculative execution behind a branch is better suited to
178   // handle on modern x86 chips.
179   if (ForceMemOperand) {
180     CmovGroups AllCmovGroups;
181     SmallVector<MachineBasicBlock *, 4> Blocks;
182     for (auto &MBB : MF)
183       Blocks.push_back(&MBB);
184     if (collectCmovCandidates(Blocks, AllCmovGroups, /*IncludeLoads*/ true)) {
185       for (auto &Group : AllCmovGroups) {
186         // Skip any group that doesn't do at least one memory operand cmov.
187         if (!llvm::any_of(Group, [&](MachineInstr *I) { return I->mayLoad(); }))
188           continue;
189
190         // For CMOV groups which we can rewrite and which contain a memory load,
191         // always rewrite them. On x86, a CMOV will dramatically amplify any
192         // memory latency by blocking speculative execution.
193         Changed = true;
194         convertCmovInstsToBranches(Group);
195       }
196     }
197   }
198
199   //===--------------------------------------------------------------------===//
200   // Register-operand Conversion Algorithm
201   // ---------
202   //   For each inner most loop
203   //     collectCmovCandidates() {
204   //       Find all CMOV-group-candidates.
205   //     }
206   //
207   //     checkForProfitableCmovCandidates() {
208   //       * Calculate both loop-depth and optimized-loop-depth.
209   //       * Use these depth to check for loop transformation profitability.
210   //       * Check for CMOV-group-candidate transformation profitability.
211   //     }
212   //
213   //     For each profitable CMOV-group-candidate
214   //       convertCmovInstsToBranches() {
215   //           * Create FalseBB, SinkBB, Conditional branch to SinkBB.
216   //           * Replace each CMOV instruction with a PHI instruction in SinkBB.
217   //       }
218   //
219   // Note: For more details, see each function description.
220   //===--------------------------------------------------------------------===//
221
222   // Build up the loops in pre-order.
223   SmallVector<MachineLoop *, 4> Loops(MLI.begin(), MLI.end());
224   // Note that we need to check size on each iteration as we accumulate child
225   // loops.
226   for (int i = 0; i < (int)Loops.size(); ++i)
227     for (MachineLoop *Child : Loops[i]->getSubLoops())
228       Loops.push_back(Child);
229
230   for (MachineLoop *CurrLoop : Loops) {
231     // Optimize only inner most loops.
232     if (!CurrLoop->getSubLoops().empty())
233       continue;
234
235     // List of consecutive CMOV instructions to be processed.
236     CmovGroups CmovInstGroups;
237
238     if (!collectCmovCandidates(CurrLoop->getBlocks(), CmovInstGroups))
239       continue;
240
241     if (!checkForProfitableCmovCandidates(CurrLoop->getBlocks(),
242                                           CmovInstGroups))
243       continue;
244
245     Changed = true;
246     for (auto &Group : CmovInstGroups)
247       convertCmovInstsToBranches(Group);
248   }
249
250   return Changed;
251 }
252
253 bool X86CmovConverterPass::collectCmovCandidates(
254     ArrayRef<MachineBasicBlock *> Blocks, CmovGroups &CmovInstGroups,
255     bool IncludeLoads) {
256   //===--------------------------------------------------------------------===//
257   // Collect all CMOV-group-candidates and add them into CmovInstGroups.
258   //
259   // CMOV-group:
260   //   CMOV instructions, in same MBB, that uses same EFLAGS def instruction.
261   //
262   // CMOV-group-candidate:
263   //   CMOV-group where all the CMOV instructions are
264   //     1. consecutive.
265   //     2. have same condition code or opposite one.
266   //     3. have only operand registers (X86::CMOVrr).
267   //===--------------------------------------------------------------------===//
268   // List of possible improvement (TODO's):
269   // --------------------------------------
270   //   TODO: Add support for X86::CMOVrm instructions.
271   //   TODO: Add support for X86::SETcc instructions.
272   //   TODO: Add support for CMOV-groups with non consecutive CMOV instructions.
273   //===--------------------------------------------------------------------===//
274
275   // Current processed CMOV-Group.
276   CmovGroup Group;
277   for (auto *MBB : Blocks) {
278     Group.clear();
279     // Condition code of first CMOV instruction current processed range and its
280     // opposite condition code.
281     X86::CondCode FirstCC = X86::COND_INVALID, FirstOppCC = X86::COND_INVALID,
282                   MemOpCC = X86::COND_INVALID;
283     // Indicator of a non CMOVrr instruction in the current processed range.
284     bool FoundNonCMOVInst = false;
285     // Indicator for current processed CMOV-group if it should be skipped.
286     bool SkipGroup = false;
287
288     for (auto &I : *MBB) {
289       // Skip debug instructions.
290       if (I.isDebugInstr())
291         continue;
292       X86::CondCode CC = X86::getCondFromCMov(I);
293       // Check if we found a X86::CMOVrr instruction.
294       if (CC != X86::COND_INVALID && (IncludeLoads || !I.mayLoad())) {
295         if (Group.empty()) {
296           // We found first CMOV in the range, reset flags.
297           FirstCC = CC;
298           FirstOppCC = X86::GetOppositeBranchCondition(CC);
299           // Clear out the prior group's memory operand CC.
300           MemOpCC = X86::COND_INVALID;
301           FoundNonCMOVInst = false;
302           SkipGroup = false;
303         }
304         Group.push_back(&I);
305         // Check if it is a non-consecutive CMOV instruction or it has different
306         // condition code than FirstCC or FirstOppCC.
307         if (FoundNonCMOVInst || (CC != FirstCC && CC != FirstOppCC))
308           // Mark the SKipGroup indicator to skip current processed CMOV-Group.
309           SkipGroup = true;
310         if (I.mayLoad()) {
311           if (MemOpCC == X86::COND_INVALID)
312             // The first memory operand CMOV.
313             MemOpCC = CC;
314           else if (CC != MemOpCC)
315             // Can't handle mixed conditions with memory operands.
316             SkipGroup = true;
317         }
318         // Check if we were relying on zero-extending behavior of the CMOV.
319         if (!SkipGroup &&
320             llvm::any_of(
321                 MRI->use_nodbg_instructions(I.defs().begin()->getReg()),
322                 [&](MachineInstr &UseI) {
323                   return UseI.getOpcode() == X86::SUBREG_TO_REG;
324                 }))
325           // FIXME: We should model the cost of using an explicit MOV to handle
326           // the zero-extension rather than just refusing to handle this.
327           SkipGroup = true;
328         continue;
329       }
330       // If Group is empty, keep looking for first CMOV in the range.
331       if (Group.empty())
332         continue;
333
334       // We found a non X86::CMOVrr instruction.
335       FoundNonCMOVInst = true;
336       // Check if this instruction define EFLAGS, to determine end of processed
337       // range, as there would be no more instructions using current EFLAGS def.
338       if (I.definesRegister(X86::EFLAGS)) {
339         // Check if current processed CMOV-group should not be skipped and add
340         // it as a CMOV-group-candidate.
341         if (!SkipGroup)
342           CmovInstGroups.push_back(Group);
343         else
344           ++NumOfSkippedCmovGroups;
345         Group.clear();
346       }
347     }
348     // End of basic block is considered end of range, check if current processed
349     // CMOV-group should not be skipped and add it as a CMOV-group-candidate.
350     if (Group.empty())
351       continue;
352     if (!SkipGroup)
353       CmovInstGroups.push_back(Group);
354     else
355       ++NumOfSkippedCmovGroups;
356   }
357
358   NumOfCmovGroupCandidate += CmovInstGroups.size();
359   return !CmovInstGroups.empty();
360 }
361
362 /// \returns Depth of CMOV instruction as if it was converted into branch.
363 /// \param TrueOpDepth depth cost of CMOV true value operand.
364 /// \param FalseOpDepth depth cost of CMOV false value operand.
365 static unsigned getDepthOfOptCmov(unsigned TrueOpDepth, unsigned FalseOpDepth) {
366   //===--------------------------------------------------------------------===//
367   // With no info about branch weight, we assume 50% for each value operand.
368   // Thus, depth of optimized CMOV instruction is the rounded up average of
369   // its True-Operand-Value-Depth and False-Operand-Value-Depth.
370   //===--------------------------------------------------------------------===//
371   return (TrueOpDepth + FalseOpDepth + 1) / 2;
372 }
373
374 bool X86CmovConverterPass::checkForProfitableCmovCandidates(
375     ArrayRef<MachineBasicBlock *> Blocks, CmovGroups &CmovInstGroups) {
376   struct DepthInfo {
377     /// Depth of original loop.
378     unsigned Depth;
379     /// Depth of optimized loop.
380     unsigned OptDepth;
381   };
382   /// Number of loop iterations to calculate depth for ?!
383   static const unsigned LoopIterations = 2;
384   DenseMap<MachineInstr *, DepthInfo> DepthMap;
385   DepthInfo LoopDepth[LoopIterations] = {{0, 0}, {0, 0}};
386   enum { PhyRegType = 0, VirRegType = 1, RegTypeNum = 2 };
387   /// For each register type maps the register to its last def instruction.
388   DenseMap<unsigned, MachineInstr *> RegDefMaps[RegTypeNum];
389   /// Maps register operand to its def instruction, which can be nullptr if it
390   /// is unknown (e.g., operand is defined outside the loop).
391   DenseMap<MachineOperand *, MachineInstr *> OperandToDefMap;
392
393   // Set depth of unknown instruction (i.e., nullptr) to zero.
394   DepthMap[nullptr] = {0, 0};
395
396   SmallPtrSet<MachineInstr *, 4> CmovInstructions;
397   for (auto &Group : CmovInstGroups)
398     CmovInstructions.insert(Group.begin(), Group.end());
399
400   //===--------------------------------------------------------------------===//
401   // Step 1: Calculate instruction depth and loop depth.
402   // Optimized-Loop:
403   //   loop with CMOV-group-candidates converted into branches.
404   //
405   // Instruction-Depth:
406   //   instruction latency + max operand depth.
407   //     * For CMOV instruction in optimized loop the depth is calculated as:
408   //       CMOV latency + getDepthOfOptCmov(True-Op-Depth, False-Op-depth)
409   // TODO: Find a better way to estimate the latency of the branch instruction
410   //       rather than using the CMOV latency.
411   //
412   // Loop-Depth:
413   //   max instruction depth of all instructions in the loop.
414   // Note: instruction with max depth represents the critical-path in the loop.
415   //
416   // Loop-Depth[i]:
417   //   Loop-Depth calculated for first `i` iterations.
418   //   Note: it is enough to calculate depth for up to two iterations.
419   //
420   // Depth-Diff[i]:
421   //   Number of cycles saved in first 'i` iterations by optimizing the loop.
422   //===--------------------------------------------------------------------===//
423   for (unsigned I = 0; I < LoopIterations; ++I) {
424     DepthInfo &MaxDepth = LoopDepth[I];
425     for (auto *MBB : Blocks) {
426       // Clear physical registers Def map.
427       RegDefMaps[PhyRegType].clear();
428       for (MachineInstr &MI : *MBB) {
429         // Skip debug instructions.
430         if (MI.isDebugInstr())
431           continue;
432         unsigned MIDepth = 0;
433         unsigned MIDepthOpt = 0;
434         bool IsCMOV = CmovInstructions.count(&MI);
435         for (auto &MO : MI.uses()) {
436           // Checks for "isUse()" as "uses()" returns also implicit definitions.
437           if (!MO.isReg() || !MO.isUse())
438             continue;
439           unsigned Reg = MO.getReg();
440           auto &RDM = RegDefMaps[TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg)];
441           if (MachineInstr *DefMI = RDM.lookup(Reg)) {
442             OperandToDefMap[&MO] = DefMI;
443             DepthInfo Info = DepthMap.lookup(DefMI);
444             MIDepth = std::max(MIDepth, Info.Depth);
445             if (!IsCMOV)
446               MIDepthOpt = std::max(MIDepthOpt, Info.OptDepth);
447           }
448         }
449
450         if (IsCMOV)
451           MIDepthOpt = getDepthOfOptCmov(
452               DepthMap[OperandToDefMap.lookup(&MI.getOperand(1))].OptDepth,
453               DepthMap[OperandToDefMap.lookup(&MI.getOperand(2))].OptDepth);
454
455         // Iterates over all operands to handle implicit definitions as well.
456         for (auto &MO : MI.operands()) {
457           if (!MO.isReg() || !MO.isDef())
458             continue;
459           unsigned Reg = MO.getReg();
460           RegDefMaps[TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg)][Reg] = &MI;
461         }
462
463         unsigned Latency = TSchedModel.computeInstrLatency(&MI);
464         DepthMap[&MI] = {MIDepth += Latency, MIDepthOpt += Latency};
465         MaxDepth.Depth = std::max(MaxDepth.Depth, MIDepth);
466         MaxDepth.OptDepth = std::max(MaxDepth.OptDepth, MIDepthOpt);
467       }
468     }
469   }
470
471   unsigned Diff[LoopIterations] = {LoopDepth[0].Depth - LoopDepth[0].OptDepth,
472                                    LoopDepth[1].Depth - LoopDepth[1].OptDepth};
473
474   //===--------------------------------------------------------------------===//
475   // Step 2: Check if Loop worth to be optimized.
476   // Worth-Optimize-Loop:
477   //   case 1: Diff[1] == Diff[0]
478   //           Critical-path is iteration independent - there is no dependency
479   //           of critical-path instructions on critical-path instructions of
480   //           previous iteration.
481   //           Thus, it is enough to check gain percent of 1st iteration -
482   //           To be conservative, the optimized loop need to have a depth of
483   //           12.5% cycles less than original loop, per iteration.
484   //
485   //   case 2: Diff[1] > Diff[0]
486   //           Critical-path is iteration dependent - there is dependency of
487   //           critical-path instructions on critical-path instructions of
488   //           previous iteration.
489   //           Thus, check the gain percent of the 2nd iteration (similar to the
490   //           previous case), but it is also required to check the gradient of
491   //           the gain - the change in Depth-Diff compared to the change in
492   //           Loop-Depth between 1st and 2nd iterations.
493   //           To be conservative, the gradient need to be at least 50%.
494   //
495   //   In addition, In order not to optimize loops with very small gain, the
496   //   gain (in cycles) after 2nd iteration should not be less than a given
497   //   threshold. Thus, the check (Diff[1] >= GainCycleThreshold) must apply.
498   //
499   // If loop is not worth optimizing, remove all CMOV-group-candidates.
500   //===--------------------------------------------------------------------===//
501   if (Diff[1] < GainCycleThreshold)
502     return false;
503
504   bool WorthOptLoop = false;
505   if (Diff[1] == Diff[0])
506     WorthOptLoop = Diff[0] * 8 >= LoopDepth[0].Depth;
507   else if (Diff[1] > Diff[0])
508     WorthOptLoop =
509         (Diff[1] - Diff[0]) * 2 >= (LoopDepth[1].Depth - LoopDepth[0].Depth) &&
510         (Diff[1] * 8 >= LoopDepth[1].Depth);
511
512   if (!WorthOptLoop)
513     return false;
514
515   ++NumOfLoopCandidate;
516
517   //===--------------------------------------------------------------------===//
518   // Step 3: Check for each CMOV-group-candidate if it worth to be optimized.
519   // Worth-Optimize-Group:
520   //   Iff it worths to optimize all CMOV instructions in the group.
521   //
522   // Worth-Optimize-CMOV:
523   //   Predicted branch is faster than CMOV by the difference between depth of
524   //   condition operand and depth of taken (predicted) value operand.
525   //   To be conservative, the gain of such CMOV transformation should cover at
526   //   at least 25% of branch-misprediction-penalty.
527   //===--------------------------------------------------------------------===//
528   unsigned MispredictPenalty = TSchedModel.getMCSchedModel()->MispredictPenalty;
529   CmovGroups TempGroups;
530   std::swap(TempGroups, CmovInstGroups);
531   for (auto &Group : TempGroups) {
532     bool WorthOpGroup = true;
533     for (auto *MI : Group) {
534       // Avoid CMOV instruction which value is used as a pointer to load from.
535       // This is another conservative check to avoid converting CMOV instruction
536       // used with tree-search like algorithm, where the branch is unpredicted.
537       auto UIs = MRI->use_instructions(MI->defs().begin()->getReg());
538       if (UIs.begin() != UIs.end() && ++UIs.begin() == UIs.end()) {
539         unsigned Op = UIs.begin()->getOpcode();
540         if (Op == X86::MOV64rm || Op == X86::MOV32rm) {
541           WorthOpGroup = false;
542           break;
543         }
544       }
545
546       unsigned CondCost =
547           DepthMap[OperandToDefMap.lookup(&MI->getOperand(4))].Depth;
548       unsigned ValCost = getDepthOfOptCmov(
549           DepthMap[OperandToDefMap.lookup(&MI->getOperand(1))].Depth,
550           DepthMap[OperandToDefMap.lookup(&MI->getOperand(2))].Depth);
551       if (ValCost > CondCost || (CondCost - ValCost) * 4 < MispredictPenalty) {
552         WorthOpGroup = false;
553         break;
554       }
555     }
556
557     if (WorthOpGroup)
558       CmovInstGroups.push_back(Group);
559   }
560
561   return !CmovInstGroups.empty();
562 }
563
564 static bool checkEFLAGSLive(MachineInstr *MI) {
565   if (MI->killsRegister(X86::EFLAGS))
566     return false;
567
568   // The EFLAGS operand of MI might be missing a kill marker.
569   // Figure out whether EFLAGS operand should LIVE after MI instruction.
570   MachineBasicBlock *BB = MI->getParent();
571   MachineBasicBlock::iterator ItrMI = MI;
572
573   // Scan forward through BB for a use/def of EFLAGS.
574   for (auto I = std::next(ItrMI), E = BB->end(); I != E; ++I) {
575     if (I->readsRegister(X86::EFLAGS))
576       return true;
577     if (I->definesRegister(X86::EFLAGS))
578       return false;
579   }
580
581   // We hit the end of the block, check whether EFLAGS is live into a successor.
582   for (auto I = BB->succ_begin(), E = BB->succ_end(); I != E; ++I) {
583     if ((*I)->isLiveIn(X86::EFLAGS))
584       return true;
585   }
586
587   return false;
588 }
589
590 /// Given /p First CMOV instruction and /p Last CMOV instruction representing a
591 /// group of CMOV instructions, which may contain debug instructions in between,
592 /// move all debug instructions to after the last CMOV instruction, making the
593 /// CMOV group consecutive.
594 static void packCmovGroup(MachineInstr *First, MachineInstr *Last) {
595   assert(X86::getCondFromCMov(*Last) != X86::COND_INVALID &&
596          "Last instruction in a CMOV group must be a CMOV instruction");
597
598   SmallVector<MachineInstr *, 2> DBGInstructions;
599   for (auto I = First->getIterator(), E = Last->getIterator(); I != E; I++) {
600     if (I->isDebugInstr())
601       DBGInstructions.push_back(&*I);
602   }
603
604   // Splice the debug instruction after the cmov group.
605   MachineBasicBlock *MBB = First->getParent();
606   for (auto *MI : DBGInstructions)
607     MBB->insertAfter(Last, MI->removeFromParent());
608 }
609
610 void X86CmovConverterPass::convertCmovInstsToBranches(
611     SmallVectorImpl<MachineInstr *> &Group) const {
612   assert(!Group.empty() && "No CMOV instructions to convert");
613   ++NumOfOptimizedCmovGroups;
614
615   // If the CMOV group is not packed, e.g., there are debug instructions between
616   // first CMOV and last CMOV, then pack the group and make the CMOV instruction
617   // consecutive by moving the debug instructions to after the last CMOV.
618   packCmovGroup(Group.front(), Group.back());
619
620   // To convert a CMOVcc instruction, we actually have to insert the diamond
621   // control-flow pattern.  The incoming instruction knows the destination vreg
622   // to set, the condition code register to branch on, the true/false values to
623   // select between, and a branch opcode to use.
624
625   // Before
626   // -----
627   // MBB:
628   //   cond = cmp ...
629   //   v1 = CMOVge t1, f1, cond
630   //   v2 = CMOVlt t2, f2, cond
631   //   v3 = CMOVge v1, f3, cond
632   //
633   // After
634   // -----
635   // MBB:
636   //   cond = cmp ...
637   //   jge %SinkMBB
638   //
639   // FalseMBB:
640   //   jmp %SinkMBB
641   //
642   // SinkMBB:
643   //   %v1 = phi[%f1, %FalseMBB], [%t1, %MBB]
644   //   %v2 = phi[%t2, %FalseMBB], [%f2, %MBB] ; For CMOV with OppCC switch
645   //                                          ; true-value with false-value
646   //   %v3 = phi[%f3, %FalseMBB], [%t1, %MBB] ; Phi instruction cannot use
647   //                                          ; previous Phi instruction result
648
649   MachineInstr &MI = *Group.front();
650   MachineInstr *LastCMOV = Group.back();
651   DebugLoc DL = MI.getDebugLoc();
652
653   X86::CondCode CC = X86::CondCode(X86::getCondFromCMov(MI));
654   X86::CondCode OppCC = X86::GetOppositeBranchCondition(CC);
655   // Potentially swap the condition codes so that any memory operand to a CMOV
656   // is in the *false* position instead of the *true* position. We can invert
657   // any non-memory operand CMOV instructions to cope with this and we ensure
658   // memory operand CMOVs are only included with a single condition code.
659   if (llvm::any_of(Group, [&](MachineInstr *I) {
660         return I->mayLoad() && X86::getCondFromCMov(*I) == CC;
661       }))
662     std::swap(CC, OppCC);
663
664   MachineBasicBlock *MBB = MI.getParent();
665   MachineFunction::iterator It = ++MBB->getIterator();
666   MachineFunction *F = MBB->getParent();
667   const BasicBlock *BB = MBB->getBasicBlock();
668
669   MachineBasicBlock *FalseMBB = F->CreateMachineBasicBlock(BB);
670   MachineBasicBlock *SinkMBB = F->CreateMachineBasicBlock(BB);
671   F->insert(It, FalseMBB);
672   F->insert(It, SinkMBB);
673
674   // If the EFLAGS register isn't dead in the terminator, then claim that it's
675   // live into the sink and copy blocks.
676   if (checkEFLAGSLive(LastCMOV)) {
677     FalseMBB->addLiveIn(X86::EFLAGS);
678     SinkMBB->addLiveIn(X86::EFLAGS);
679   }
680
681   // Transfer the remainder of BB and its successor edges to SinkMBB.
682   SinkMBB->splice(SinkMBB->begin(), MBB,
683                   std::next(MachineBasicBlock::iterator(LastCMOV)), MBB->end());
684   SinkMBB->transferSuccessorsAndUpdatePHIs(MBB);
685
686   // Add the false and sink blocks as its successors.
687   MBB->addSuccessor(FalseMBB);
688   MBB->addSuccessor(SinkMBB);
689
690   // Create the conditional branch instruction.
691   BuildMI(MBB, DL, TII->get(X86::JCC_1)).addMBB(SinkMBB).addImm(CC);
692
693   // Add the sink block to the false block successors.
694   FalseMBB->addSuccessor(SinkMBB);
695
696   MachineInstrBuilder MIB;
697   MachineBasicBlock::iterator MIItBegin = MachineBasicBlock::iterator(MI);
698   MachineBasicBlock::iterator MIItEnd =
699       std::next(MachineBasicBlock::iterator(LastCMOV));
700   MachineBasicBlock::iterator FalseInsertionPoint = FalseMBB->begin();
701   MachineBasicBlock::iterator SinkInsertionPoint = SinkMBB->begin();
702
703   // First we need to insert an explicit load on the false path for any memory
704   // operand. We also need to potentially do register rewriting here, but it is
705   // simpler as the memory operands are always on the false path so we can
706   // simply take that input, whatever it is.
707   DenseMap<unsigned, unsigned> FalseBBRegRewriteTable;
708   for (MachineBasicBlock::iterator MIIt = MIItBegin; MIIt != MIItEnd;) {
709     auto &MI = *MIIt++;
710     // Skip any CMOVs in this group which don't load from memory.
711     if (!MI.mayLoad()) {
712       // Remember the false-side register input.
713       unsigned FalseReg =
714           MI.getOperand(X86::getCondFromCMov(MI) == CC ? 1 : 2).getReg();
715       // Walk back through any intermediate cmovs referenced.
716       while (true) {
717         auto FRIt = FalseBBRegRewriteTable.find(FalseReg);
718         if (FRIt == FalseBBRegRewriteTable.end())
719           break;
720         FalseReg = FRIt->second;
721       }
722       FalseBBRegRewriteTable[MI.getOperand(0).getReg()] = FalseReg;
723       continue;
724     }
725
726     // The condition must be the *opposite* of the one we've decided to branch
727     // on as the branch will go *around* the load and the load should happen
728     // when the CMOV condition is false.
729     assert(X86::getCondFromCMov(MI) == OppCC &&
730            "Can only handle memory-operand cmov instructions with a condition "
731            "opposite to the selected branch direction.");
732
733     // The goal is to rewrite the cmov from:
734     //
735     //   MBB:
736     //     %A = CMOVcc %B (tied), (mem)
737     //
738     // to
739     //
740     //   MBB:
741     //     %A = CMOVcc %B (tied), %C
742     //   FalseMBB:
743     //     %C = MOV (mem)
744     //
745     // Which will allow the next loop to rewrite the CMOV in terms of a PHI:
746     //
747     //   MBB:
748     //     JMP!cc SinkMBB
749     //   FalseMBB:
750     //     %C = MOV (mem)
751     //   SinkMBB:
752     //     %A = PHI [ %C, FalseMBB ], [ %B, MBB]
753
754     // Get a fresh register to use as the destination of the MOV.
755     const TargetRegisterClass *RC = MRI->getRegClass(MI.getOperand(0).getReg());
756     unsigned TmpReg = MRI->createVirtualRegister(RC);
757
758     SmallVector<MachineInstr *, 4> NewMIs;
759     bool Unfolded = TII->unfoldMemoryOperand(*MBB->getParent(), MI, TmpReg,
760                                              /*UnfoldLoad*/ true,
761                                              /*UnfoldStore*/ false, NewMIs);
762     (void)Unfolded;
763     assert(Unfolded && "Should never fail to unfold a loading cmov!");
764
765     // Move the new CMOV to just before the old one and reset any impacted
766     // iterator.
767     auto *NewCMOV = NewMIs.pop_back_val();
768     assert(X86::getCondFromCMov(*NewCMOV) == OppCC &&
769            "Last new instruction isn't the expected CMOV!");
770     LLVM_DEBUG(dbgs() << "\tRewritten cmov: "; NewCMOV->dump());
771     MBB->insert(MachineBasicBlock::iterator(MI), NewCMOV);
772     if (&*MIItBegin == &MI)
773       MIItBegin = MachineBasicBlock::iterator(NewCMOV);
774
775     // Sink whatever instructions were needed to produce the unfolded operand
776     // into the false block.
777     for (auto *NewMI : NewMIs) {
778       LLVM_DEBUG(dbgs() << "\tRewritten load instr: "; NewMI->dump());
779       FalseMBB->insert(FalseInsertionPoint, NewMI);
780       // Re-map any operands that are from other cmovs to the inputs for this block.
781       for (auto &MOp : NewMI->uses()) {
782         if (!MOp.isReg())
783           continue;
784         auto It = FalseBBRegRewriteTable.find(MOp.getReg());
785         if (It == FalseBBRegRewriteTable.end())
786           continue;
787
788         MOp.setReg(It->second);
789         // This might have been a kill when it referenced the cmov result, but
790         // it won't necessarily be once rewritten.
791         // FIXME: We could potentially improve this by tracking whether the
792         // operand to the cmov was also a kill, and then skipping the PHI node
793         // construction below.
794         MOp.setIsKill(false);
795       }
796     }
797     MBB->erase(MachineBasicBlock::iterator(MI),
798                std::next(MachineBasicBlock::iterator(MI)));
799
800     // Add this PHI to the rewrite table.
801     FalseBBRegRewriteTable[NewCMOV->getOperand(0).getReg()] = TmpReg;
802   }
803
804   // As we are creating the PHIs, we have to be careful if there is more than
805   // one.  Later CMOVs may reference the results of earlier CMOVs, but later
806   // PHIs have to reference the individual true/false inputs from earlier PHIs.
807   // That also means that PHI construction must work forward from earlier to
808   // later, and that the code must maintain a mapping from earlier PHI's
809   // destination registers, and the registers that went into the PHI.
810   DenseMap<unsigned, std::pair<unsigned, unsigned>> RegRewriteTable;
811
812   for (MachineBasicBlock::iterator MIIt = MIItBegin; MIIt != MIItEnd; ++MIIt) {
813     unsigned DestReg = MIIt->getOperand(0).getReg();
814     unsigned Op1Reg = MIIt->getOperand(1).getReg();
815     unsigned Op2Reg = MIIt->getOperand(2).getReg();
816
817     // If this CMOV we are processing is the opposite condition from the jump we
818     // generated, then we have to swap the operands for the PHI that is going to
819     // be generated.
820     if (X86::getCondFromCMov(*MIIt) == OppCC)
821       std::swap(Op1Reg, Op2Reg);
822
823     auto Op1Itr = RegRewriteTable.find(Op1Reg);
824     if (Op1Itr != RegRewriteTable.end())
825       Op1Reg = Op1Itr->second.first;
826
827     auto Op2Itr = RegRewriteTable.find(Op2Reg);
828     if (Op2Itr != RegRewriteTable.end())
829       Op2Reg = Op2Itr->second.second;
830
831     //  SinkMBB:
832     //   %Result = phi [ %FalseValue, FalseMBB ], [ %TrueValue, MBB ]
833     //  ...
834     MIB = BuildMI(*SinkMBB, SinkInsertionPoint, DL, TII->get(X86::PHI), DestReg)
835               .addReg(Op1Reg)
836               .addMBB(FalseMBB)
837               .addReg(Op2Reg)
838               .addMBB(MBB);
839     (void)MIB;
840     LLVM_DEBUG(dbgs() << "\tFrom: "; MIIt->dump());
841     LLVM_DEBUG(dbgs() << "\tTo: "; MIB->dump());
842
843     // Add this PHI to the rewrite table.
844     RegRewriteTable[DestReg] = std::make_pair(Op1Reg, Op2Reg);
845   }
846
847   // Now remove the CMOV(s).
848   MBB->erase(MIItBegin, MIItEnd);
849 }
850
851 INITIALIZE_PASS_BEGIN(X86CmovConverterPass, DEBUG_TYPE, "X86 cmov Conversion",
852                       false, false)
853 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
854 INITIALIZE_PASS_END(X86CmovConverterPass, DEBUG_TYPE, "X86 cmov Conversion",
855                     false, false)
856
857 FunctionPass *llvm::createX86CmovConverterPass() {
858   return new X86CmovConverterPass();
859 }