indentation
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / BreakCriticalEdges.cpp
1 //===- BreakCriticalEdges.cpp - Critical Edge Elimination 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 // BreakCriticalEdges pass - Break all of the critical edges in the CFG by
11 // inserting a dummy basic block.  This pass may be "required" by passes that
12 // cannot deal with critical edges.  For this usage, the structure type is
13 // forward declared.  This pass obviously invalidates the CFG, but can update
14 // forward dominator (set, immediate dominators, tree, and frontier)
15 // information.
16 //
17 //===----------------------------------------------------------------------===//
18
19 #define DEBUG_TYPE "break-crit-edges"
20 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
21 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
22 #include "llvm/Analysis/DominanceFrontier.h"
23 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
24 #include "llvm/Analysis/ProfileInfo.h"
25 #include "llvm/Function.h"
26 #include "llvm/Instructions.h"
27 #include "llvm/Type.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
31 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
32 using namespace llvm;
33
34 STATISTIC(NumBroken, "Number of blocks inserted");
35
36 namespace {
37   struct BreakCriticalEdges : public FunctionPass {
38     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
39     BreakCriticalEdges() : FunctionPass(ID) {
40       initializeBreakCriticalEdgesPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
41     }
42
43     virtual bool runOnFunction(Function &F);
44
45     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
46       AU.addPreserved<DominatorTree>();
47       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
48       AU.addPreserved<LoopInfo>();
49       AU.addPreserved<ProfileInfo>();
50
51       // No loop canonicalization guarantees are broken by this pass.
52       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
53     }
54   };
55 }
56
57 char BreakCriticalEdges::ID = 0;
58 INITIALIZE_PASS(BreakCriticalEdges, "break-crit-edges",
59                 "Break critical edges in CFG", false, false)
60
61 // Publically exposed interface to pass...
62 char &llvm::BreakCriticalEdgesID = BreakCriticalEdges::ID;
63 FunctionPass *llvm::createBreakCriticalEdgesPass() {
64   return new BreakCriticalEdges();
65 }
66
67 // runOnFunction - Loop over all of the edges in the CFG, breaking critical
68 // edges as they are found.
69 //
70 bool BreakCriticalEdges::runOnFunction(Function &F) {
71   bool Changed = false;
72   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
73     TerminatorInst *TI = I->getTerminator();
74     if (TI->getNumSuccessors() > 1 && !isa<IndirectBrInst>(TI))
75       for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
76         if (SplitCriticalEdge(TI, i, this)) {
77           ++NumBroken;
78           Changed = true;
79         }
80   }
81
82   return Changed;
83 }
84
85 //===----------------------------------------------------------------------===//
86 //    Implementation of the external critical edge manipulation functions
87 //===----------------------------------------------------------------------===//
88
89 // isCriticalEdge - Return true if the specified edge is a critical edge.
90 // Critical edges are edges from a block with multiple successors to a block
91 // with multiple predecessors.
92 //
93 bool llvm::isCriticalEdge(const TerminatorInst *TI, unsigned SuccNum,
94                           bool AllowIdenticalEdges) {
95   assert(SuccNum < TI->getNumSuccessors() && "Illegal edge specification!");
96   if (TI->getNumSuccessors() == 1) return false;
97
98   const BasicBlock *Dest = TI->getSuccessor(SuccNum);
99   const_pred_iterator I = pred_begin(Dest), E = pred_end(Dest);
100
101   // If there is more than one predecessor, this is a critical edge...
102   assert(I != E && "No preds, but we have an edge to the block?");
103   const BasicBlock *FirstPred = *I;
104   ++I;        // Skip one edge due to the incoming arc from TI.
105   if (!AllowIdenticalEdges)
106     return I != E;
107   
108   // If AllowIdenticalEdges is true, then we allow this edge to be considered
109   // non-critical iff all preds come from TI's block.
110   while (I != E) {
111     const BasicBlock *P = *I;
112     if (P != FirstPred)
113       return true;
114     // Note: leave this as is until no one ever compiles with either gcc 4.0.1
115     // or Xcode 2. This seems to work around the pred_iterator assert in PR 2207
116     E = pred_end(P);
117     ++I;
118   }
119   return false;
120 }
121
122 /// CreatePHIsForSplitLoopExit - When a loop exit edge is split, LCSSA form
123 /// may require new PHIs in the new exit block. This function inserts the
124 /// new PHIs, as needed.  Preds is a list of preds inside the loop, SplitBB
125 /// is the new loop exit block, and DestBB is the old loop exit, now the
126 /// successor of SplitBB.
127 static void CreatePHIsForSplitLoopExit(SmallVectorImpl<BasicBlock *> &Preds,
128                                        BasicBlock *SplitBB,
129                                        BasicBlock *DestBB) {
130   // SplitBB shouldn't have anything non-trivial in it yet.
131   assert(SplitBB->getFirstNonPHI() == SplitBB->getTerminator() &&
132          "SplitBB has non-PHI nodes!");
133
134   // For each PHI in the destination block...
135   for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin();
136        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
137     unsigned Idx = PN->getBasicBlockIndex(SplitBB);
138     Value *V = PN->getIncomingValue(Idx);
139     // If the input is a PHI which already satisfies LCSSA, don't create
140     // a new one.
141     if (const PHINode *VP = dyn_cast<PHINode>(V))
142       if (VP->getParent() == SplitBB)
143         continue;
144     // Otherwise a new PHI is needed. Create one and populate it.
145     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), "split",
146                                      SplitBB->getTerminator());
147     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
148       NewPN->addIncoming(V, Preds[i]);
149     // Update the original PHI.
150     PN->setIncomingValue(Idx, NewPN);
151   }
152 }
153
154 /// SplitCriticalEdge - If this edge is a critical edge, insert a new node to
155 /// split the critical edge.  This will update DominatorTree and
156 /// DominatorFrontier information if it is available, thus calling this pass
157 /// will not invalidate either of them. This returns the new block if the edge
158 /// was split, null otherwise.
159 ///
160 /// If MergeIdenticalEdges is true (not the default), *all* edges from TI to the
161 /// specified successor will be merged into the same critical edge block.  
162 /// This is most commonly interesting with switch instructions, which may 
163 /// have many edges to any one destination.  This ensures that all edges to that
164 /// dest go to one block instead of each going to a different block, but isn't 
165 /// the standard definition of a "critical edge".
166 ///
167 /// It is invalid to call this function on a critical edge that starts at an
168 /// IndirectBrInst.  Splitting these edges will almost always create an invalid
169 /// program because the address of the new block won't be the one that is jumped
170 /// to.
171 ///
172 BasicBlock *llvm::SplitCriticalEdge(TerminatorInst *TI, unsigned SuccNum,
173                                     Pass *P, bool MergeIdenticalEdges) {
174   if (!isCriticalEdge(TI, SuccNum, MergeIdenticalEdges)) return 0;
175   
176   assert(!isa<IndirectBrInst>(TI) &&
177          "Cannot split critical edge from IndirectBrInst");
178   
179   BasicBlock *TIBB = TI->getParent();
180   BasicBlock *DestBB = TI->getSuccessor(SuccNum);
181
182   // Create a new basic block, linking it into the CFG.
183   BasicBlock *NewBB = BasicBlock::Create(TI->getContext(),
184                       TIBB->getName() + "." + DestBB->getName() + "_crit_edge");
185   // Create our unconditional branch.
186   BranchInst::Create(DestBB, NewBB);
187
188   // Branch to the new block, breaking the edge.
189   TI->setSuccessor(SuccNum, NewBB);
190
191   // Insert the block into the function... right after the block TI lives in.
192   Function &F = *TIBB->getParent();
193   Function::iterator FBBI = TIBB;
194   F.getBasicBlockList().insert(++FBBI, NewBB);
195   
196   // If there are any PHI nodes in DestBB, we need to update them so that they
197   // merge incoming values from NewBB instead of from TIBB.
198   if (PHINode *APHI = dyn_cast<PHINode>(DestBB->begin())) {
199     // This conceptually does:
200     //  foreach (PHINode *PN in DestBB)
201     //    PN->setIncomingBlock(PN->getIncomingBlock(TIBB), NewBB);
202     // but is optimized for two cases.
203     
204     if (APHI->getNumIncomingValues() <= 8) {  // Small # preds case.
205       unsigned BBIdx = 0;
206       for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
207         // We no longer enter through TIBB, now we come in through NewBB.
208         // Revector exactly one entry in the PHI node that used to come from
209         // TIBB to come from NewBB.
210         PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
211         
212         // Reuse the previous value of BBIdx if it lines up.  In cases where we
213         // have multiple phi nodes with *lots* of predecessors, this is a speed
214         // win because we don't have to scan the PHI looking for TIBB.  This
215         // happens because the BB list of PHI nodes are usually in the same
216         // order.
217         if (PN->getIncomingBlock(BBIdx) != TIBB)
218           BBIdx = PN->getBasicBlockIndex(TIBB);
219         PN->setIncomingBlock(BBIdx, NewBB);
220       }
221     } else {
222       // However, the foreach loop is slow for blocks with lots of predecessors
223       // because PHINode::getIncomingBlock is O(n) in # preds.  Instead, walk
224       // the user list of TIBB to find the PHI nodes.
225       SmallPtrSet<PHINode*, 16> UpdatedPHIs;
226     
227       for (Value::use_iterator UI = TIBB->use_begin(), E = TIBB->use_end();
228            UI != E; ) {
229         Value::use_iterator Use = UI++;
230         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(*Use)) {
231           // Remove one entry from each PHI.
232           if (PN->getParent() == DestBB && UpdatedPHIs.insert(PN))
233             PN->setOperand(Use.getOperandNo(), NewBB);
234         }
235       }
236     }
237   }
238    
239   // If there are any other edges from TIBB to DestBB, update those to go
240   // through the split block, making those edges non-critical as well (and
241   // reducing the number of phi entries in the DestBB if relevant).
242   if (MergeIdenticalEdges) {
243     for (unsigned i = SuccNum+1, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
244       if (TI->getSuccessor(i) != DestBB) continue;
245       
246       // Remove an entry for TIBB from DestBB phi nodes.
247       DestBB->removePredecessor(TIBB);
248       
249       // We found another edge to DestBB, go to NewBB instead.
250       TI->setSuccessor(i, NewBB);
251     }
252   }
253   
254   
255
256   // If we don't have a pass object, we can't update anything...
257   if (P == 0) return NewBB;
258   
259   DominatorTree *DT = P->getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>();
260   DominanceFrontier *DF = P->getAnalysisIfAvailable<DominanceFrontier>();
261   LoopInfo *LI = P->getAnalysisIfAvailable<LoopInfo>();
262   ProfileInfo *PI = P->getAnalysisIfAvailable<ProfileInfo>();
263   
264   // If we have nothing to update, just return.
265   if (DT == 0 && DF == 0 && LI == 0 && PI == 0)
266     return NewBB;
267
268   // Now update analysis information.  Since the only predecessor of NewBB is
269   // the TIBB, TIBB clearly dominates NewBB.  TIBB usually doesn't dominate
270   // anything, as there are other successors of DestBB.  However, if all other
271   // predecessors of DestBB are already dominated by DestBB (e.g. DestBB is a
272   // loop header) then NewBB dominates DestBB.
273   SmallVector<BasicBlock*, 8> OtherPreds;
274
275   // If there is a PHI in the block, loop over predecessors with it, which is
276   // faster than iterating pred_begin/end.
277   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(DestBB->begin())) {
278     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
279       if (PN->getIncomingBlock(i) != NewBB)
280         OtherPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
281   } else {
282     for (pred_iterator I = pred_begin(DestBB), E = pred_end(DestBB);
283          I != E; ++I) {
284       BasicBlock *P = *I;
285       if (P != NewBB)
286         OtherPreds.push_back(P);
287     }
288   }
289
290   bool NewBBDominatesDestBB = true;
291   
292   // Should we update DominatorTree information?
293   if (DT) {
294     DomTreeNode *TINode = DT->getNode(TIBB);
295
296     // The new block is not the immediate dominator for any other nodes, but
297     // TINode is the immediate dominator for the new node.
298     //
299     if (TINode) {       // Don't break unreachable code!
300       DomTreeNode *NewBBNode = DT->addNewBlock(NewBB, TIBB);
301       DomTreeNode *DestBBNode = 0;
302      
303       // If NewBBDominatesDestBB hasn't been computed yet, do so with DT.
304       if (!OtherPreds.empty()) {
305         DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
306         while (!OtherPreds.empty() && NewBBDominatesDestBB) {
307           if (DomTreeNode *OPNode = DT->getNode(OtherPreds.back()))
308             NewBBDominatesDestBB = DT->dominates(DestBBNode, OPNode);
309           OtherPreds.pop_back();
310         }
311         OtherPreds.clear();
312       }
313       
314       // If NewBBDominatesDestBB, then NewBB dominates DestBB, otherwise it
315       // doesn't dominate anything.
316       if (NewBBDominatesDestBB) {
317         if (!DestBBNode) DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
318         DT->changeImmediateDominator(DestBBNode, NewBBNode);
319       }
320     }
321   }
322
323   // Should we update DominanceFrontier information?
324   if (DF) {
325     // If NewBBDominatesDestBB hasn't been computed yet, do so with DF.
326     if (!OtherPreds.empty()) {
327       // FIXME: IMPLEMENT THIS!
328       llvm_unreachable("Requiring domfrontiers but not idom/domtree/domset."
329                        " not implemented yet!");
330     }
331     
332     // Since the new block is dominated by its only predecessor TIBB,
333     // it cannot be in any block's dominance frontier.  If NewBB dominates
334     // DestBB, its dominance frontier is the same as DestBB's, otherwise it is
335     // just {DestBB}.
336     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
337     if (NewBBDominatesDestBB) {
338       DominanceFrontier::iterator I = DF->find(DestBB);
339       if (I != DF->end()) {
340         DF->addBasicBlock(NewBB, I->second);
341         
342         if (I->second.count(DestBB)) {
343           // However NewBB's frontier does not include DestBB.
344           DominanceFrontier::iterator NF = DF->find(NewBB);
345           DF->removeFromFrontier(NF, DestBB);
346         }
347       }
348       else
349         DF->addBasicBlock(NewBB, DominanceFrontier::DomSetType());
350     } else {
351       DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
352       NewDFSet.insert(DestBB);
353       DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
354     }
355   }
356   
357   // Update LoopInfo if it is around.
358   if (LI) {
359     if (Loop *TIL = LI->getLoopFor(TIBB)) {
360       // If one or the other blocks were not in a loop, the new block is not
361       // either, and thus LI doesn't need to be updated.
362       if (Loop *DestLoop = LI->getLoopFor(DestBB)) {
363         if (TIL == DestLoop) {
364           // Both in the same loop, the NewBB joins loop.
365           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
366         } else if (TIL->contains(DestLoop)) {
367           // Edge from an outer loop to an inner loop.  Add to the outer loop.
368           TIL->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
369         } else if (DestLoop->contains(TIL)) {
370           // Edge from an inner loop to an outer loop.  Add to the outer loop.
371           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
372         } else {
373           // Edge from two loops with no containment relation.  Because these
374           // are natural loops, we know that the destination block must be the
375           // header of its loop (adding a branch into a loop elsewhere would
376           // create an irreducible loop).
377           assert(DestLoop->getHeader() == DestBB &&
378                  "Should not create irreducible loops!");
379           if (Loop *P = DestLoop->getParentLoop())
380             P->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
381         }
382       }
383       // If TIBB is in a loop and DestBB is outside of that loop, split the
384       // other exit blocks of the loop that also have predecessors outside
385       // the loop, to maintain a LoopSimplify guarantee.
386       if (!TIL->contains(DestBB) &&
387           P->mustPreserveAnalysisID(LoopSimplifyID)) {
388         assert(!TIL->contains(NewBB) &&
389                "Split point for loop exit is contained in loop!");
390
391         // Update LCSSA form in the newly created exit block.
392         if (P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID)) {
393           SmallVector<BasicBlock *, 1> OrigPred;
394           OrigPred.push_back(TIBB);
395           CreatePHIsForSplitLoopExit(OrigPred, NewBB, DestBB);
396         }
397
398         // For each unique exit block...
399         SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitBlocks;
400         TIL->getExitBlocks(ExitBlocks);
401         for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
402           // Collect all the preds that are inside the loop, and note
403           // whether there are any preds outside the loop.
404           SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds;
405           bool HasPredOutsideOfLoop = false;
406           BasicBlock *Exit = ExitBlocks[i];
407           for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit);
408                I != E; ++I) {
409             BasicBlock *P = *I;
410             if (TIL->contains(P))
411               Preds.push_back(P);
412             else
413               HasPredOutsideOfLoop = true;
414           }
415           // If there are any preds not in the loop, we'll need to split
416           // the edges. The Preds.empty() check is needed because a block
417           // may appear multiple times in the list. We can't use
418           // getUniqueExitBlocks above because that depends on LoopSimplify
419           // form, which we're in the process of restoring!
420           if (!Preds.empty() && HasPredOutsideOfLoop) {
421             BasicBlock *NewExitBB =
422               SplitBlockPredecessors(Exit, Preds.data(), Preds.size(),
423                                      "split", P);
424             if (P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID))
425               CreatePHIsForSplitLoopExit(Preds, NewExitBB, Exit);
426           }
427         }
428       }
429       // LCSSA form was updated above for the case where LoopSimplify is
430       // available, which means that all predecessors of loop exit blocks
431       // are within the loop. Without LoopSimplify form, it would be
432       // necessary to insert a new phi.
433       assert((!P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID) ||
434               P->mustPreserveAnalysisID(LoopSimplifyID)) &&
435              "SplitCriticalEdge doesn't know how to update LCCSA form "
436              "without LoopSimplify!");
437     }
438   }
439
440   // Update ProfileInfo if it is around.
441   if (PI)
442     PI->splitEdge(TIBB, DestBB, NewBB, MergeIdenticalEdges);
443
444   return NewBB;
445 }