InstCombine: ((A & ~B) ^ (~A & B)) to A ^ B
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LowerSwitch.cpp
index 396b507bbd1e17a92017bb7d003e9ccaea245e08..d6e5bb626805e9df2df83da8aa181e9d129a78af 100644 (file)
@@ -2,78 +2,97 @@
 //
 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
 //
-// This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
-// the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 //
-// The LowerSwitch transformation rewrites switch statements with a sequence of
-// branches, which allows targets to get away with not implementing the switch
-// statement until it is convenient.
+// The LowerSwitch transformation rewrites switch instructions with a sequence
+// of branches, which allows targets to get away with not implementing the
+// switch instruction until it is convenient.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
-#include "llvm/Transforms/Utils/UnifyFunctionExitNodes.h"
-#include "llvm/Constants.h"
-#include "llvm/Function.h"
-#include "llvm/Instructions.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
+#include "llvm/ADT/STLExtras.h"
+#include "llvm/IR/Constants.h"
+#include "llvm/IR/Function.h"
+#include "llvm/IR/Instructions.h"
+#include "llvm/IR/LLVMContext.h"
+#include "llvm/IR/CFG.h"
 #include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/Support/Compiler.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
-#include "llvm/Support/Visibility.h"
-#include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/UnifyFunctionExitNodes.h"
 #include <algorithm>
-#include <iostream>
 using namespace llvm;
 
-namespace {
-  Statistic<> NumLowered("lowerswitch", "Number of SwitchInst's replaced");
+#define DEBUG_TYPE "lower-switch"
 
+namespace {
   /// LowerSwitch Pass - Replace all SwitchInst instructions with chained branch
-  /// instructions.  Note that this cannot be a BasicBlock pass because it
-  /// modifies the CFG!
-  class VISIBILITY_HIDDEN LowerSwitch : public FunctionPass {
+  /// instructions.
+  class LowerSwitch : public FunctionPass {
   public:
-    virtual bool runOnFunction(Function &F);
-    
-    virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
-      // This is a cluster of orthogonal Transforms    
+    static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
+    LowerSwitch() : FunctionPass(ID) {
+      initializeLowerSwitchPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+    } 
+
+    bool runOnFunction(Function &F) override;
+
+    void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
+      // This is a cluster of orthogonal Transforms
       AU.addPreserved<UnifyFunctionExitNodes>();
-      AU.addPreservedID(PromoteMemoryToRegisterID);
-      AU.addPreservedID(LowerSelectID);
+      AU.addPreserved("mem2reg");
       AU.addPreservedID(LowerInvokePassID);
-      AU.addPreservedID(LowerAllocationsID);
     }
-        
-    typedef std::pair<Constant*, BasicBlock*> Case;
-    typedef std::vector<Case>::iterator       CaseItr;
+
+    struct CaseRange {
+      Constant* Low;
+      Constant* High;
+      BasicBlock* BB;
+
+      CaseRange(Constant *low = nullptr, Constant *high = nullptr,
+                BasicBlock *bb = nullptr) :
+        Low(low), High(high), BB(bb) { }
+    };
+
+    typedef std::vector<CaseRange> CaseVector;
+    typedef std::vector<CaseRange>::iterator CaseItr;
   private:
     void processSwitchInst(SwitchInst *SI);
 
-    BasicBlock* switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End, Value* Val,
-                              BasicBlock* OrigBlock, BasicBlock* Default);
-    BasicBlock* newLeafBlock(Case& Leaf, Value* Val,
-                             BasicBlock* OrigBlock, BasicBlock* Default);
+    BasicBlock *switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
+                              ConstantInt *LowerBound, ConstantInt *UpperBound,
+                              Value *Val, BasicBlock *Predecessor,
+                              BasicBlock *OrigBlock, BasicBlock *Default);
+    BasicBlock *newLeafBlock(CaseRange &Leaf, Value *Val, BasicBlock *OrigBlock,
+                             BasicBlock *Default);
+    unsigned Clusterify(CaseVector &Cases, SwitchInst *SI);
   };
 
   /// The comparison function for sorting the switch case values in the vector.
+  /// WARNING: Case ranges should be disjoint!
   struct CaseCmp {
-    bool operator () (const LowerSwitch::Case& C1,
-                      const LowerSwitch::Case& C2) {
-      if (const ConstantUInt* U1 = dyn_cast<const ConstantUInt>(C1.first))
-        return U1->getValue() < cast<const ConstantUInt>(C2.first)->getValue();
+    bool operator () (const LowerSwitch::CaseRange& C1,
+                      const LowerSwitch::CaseRange& C2) {
 
-      const ConstantSInt* S1 = dyn_cast<const ConstantSInt>(C1.first);
-      return S1->getValue() < cast<const ConstantSInt>(C2.first)->getValue();
+      const ConstantInt* CI1 = cast<const ConstantInt>(C1.Low);
+      const ConstantInt* CI2 = cast<const ConstantInt>(C2.High);
+      return CI1->getValue().slt(CI2->getValue());
     }
   };
-
-  RegisterOpt<LowerSwitch>
-  X("lowerswitch", "Lower SwitchInst's to branches");
 }
 
-// Publically exposed interface to pass...
-const PassInfo *llvm::LowerSwitchID = X.getPassInfo();
+char LowerSwitch::ID = 0;
+INITIALIZE_PASS(LowerSwitch, "lowerswitch",
+                "Lower SwitchInst's to branches", false, false)
+
+// Publicly exposed interface to pass...
+char &llvm::LowerSwitchID = LowerSwitch::ID;
 // createLowerSwitchPass - Interface to this file...
 FunctionPass *llvm::createLowerSwitchPass() {
   return new LowerSwitch();
@@ -96,57 +115,128 @@ bool LowerSwitch::runOnFunction(Function &F) {
 
 // operator<< - Used for debugging purposes.
 //
-std::ostream& operator<<(std::ostream &O,
-                         const std::vector<LowerSwitch::Case> &C) {
+static raw_ostream& operator<<(raw_ostream &O,
+                               const LowerSwitch::CaseVector &C)
+    LLVM_ATTRIBUTE_USED;
+static raw_ostream& operator<<(raw_ostream &O,
+                               const LowerSwitch::CaseVector &C) {
   O << "[";
 
-  for (std::vector<LowerSwitch::Case>::const_iterator B = C.begin(),
+  for (LowerSwitch::CaseVector::const_iterator B = C.begin(),
          E = C.end(); B != E; ) {
-    O << *B->first;
+    O << *B->Low << " -" << *B->High;
     if (++B != E) O << ", ";
   }
 
   return O << "]";
 }
 
+static void fixPhis(BasicBlock *Succ,
+                    BasicBlock *OrigBlock,
+                    BasicBlock *NewNode) {
+  for (BasicBlock::iterator I = Succ->begin(),
+                            E = Succ->getFirstNonPHI();
+       I != E; ++I) {
+    PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
+
+    for (unsigned I = 0, E = PN->getNumIncomingValues(); I != E; ++I) {
+      if (PN->getIncomingBlock(I) == OrigBlock)
+        PN->setIncomingBlock(I, NewNode);
+    }
+  }
+}
+
 // switchConvert - Convert the switch statement into a binary lookup of
 // the case values. The function recursively builds this tree.
-//
-BasicBlock* LowerSwitch::switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
-                                       Value* Val, BasicBlock* OrigBlock,
-                                       BasicBlock* Default)
-{
+// LowerBound and UpperBound are used to keep track of the bounds for Val
+// that have already been checked by a block emitted by one of the previous
+// calls to switchConvert in the call stack.
+BasicBlock *LowerSwitch::switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
+                                       ConstantInt *LowerBound,
+                                       ConstantInt *UpperBound, Value *Val,
+                                       BasicBlock *Predecessor,
+                                       BasicBlock *OrigBlock,
+                                       BasicBlock *Default) {
   unsigned Size = End - Begin;
 
-  if (Size == 1)
+  if (Size == 1) {
+    // Check if the Case Range is perfectly squeezed in between
+    // already checked Upper and Lower bounds. If it is then we can avoid
+    // emitting the code that checks if the value actually falls in the range
+    // because the bounds already tell us so.
+    if (Begin->Low == LowerBound && Begin->High == UpperBound) {
+      fixPhis(Begin->BB, OrigBlock, Predecessor);
+      return Begin->BB;
+    }
     return newLeafBlock(*Begin, Val, OrigBlock, Default);
+  }
 
   unsigned Mid = Size / 2;
-  std::vector<Case> LHS(Begin, Begin + Mid);
-  DEBUG(std::cerr << "LHS: " << LHS << "\n");
-  std::vector<Case> RHS(Begin + Mid, End);
-  DEBUG(std::cerr << "RHS: " << RHS << "\n");
-
-  Case& Pivot = *(Begin + Mid);
-  DEBUG(std::cerr << "Pivot ==> "
-                  << (int64_t)cast<ConstantInt>(Pivot.first)->getRawValue()
-                  << "\n");
+  std::vector<CaseRange> LHS(Begin, Begin + Mid);
+  DEBUG(dbgs() << "LHS: " << LHS << "\n");
+  std::vector<CaseRange> RHS(Begin + Mid, End);
+  DEBUG(dbgs() << "RHS: " << RHS << "\n");
+
+  CaseRange &Pivot = *(Begin + Mid);
+  DEBUG(dbgs() << "Pivot ==> "
+               << cast<ConstantInt>(Pivot.Low)->getValue()
+               << " -" << cast<ConstantInt>(Pivot.High)->getValue() << "\n");
+
+  // NewLowerBound here should never be the integer minimal value.
+  // This is because it is computed from a case range that is never
+  // the smallest, so there is always a case range that has at least
+  // a smaller value.
+  ConstantInt *NewLowerBound = cast<ConstantInt>(Pivot.Low);
+  ConstantInt *NewUpperBound;
+
+  // If we don't have a Default block then it means that we can never
+  // have a value outside of a case range, so set the UpperBound to the highest
+  // value in the LHS part of the case ranges.
+  if (Default != nullptr) {
+    // Because NewLowerBound is never the smallest representable integer
+    // it is safe here to subtract one.
+    NewUpperBound = ConstantInt::get(NewLowerBound->getContext(),
+                                     NewLowerBound->getValue() - 1);
+  } else {
+    CaseItr LastLHS = LHS.begin() + LHS.size() - 1;
+    NewUpperBound = cast<ConstantInt>(LastLHS->High);
+  }
 
-  BasicBlock* LBranch = switchConvert(LHS.begin(), LHS.end(), Val,
-                                      OrigBlock, Default);
-  BasicBlock* RBranch = switchConvert(RHS.begin(), RHS.end(), Val,
-                                      OrigBlock, Default);
+  DEBUG(dbgs() << "LHS Bounds ==> ";
+        if (LowerBound) {
+          dbgs() << cast<ConstantInt>(LowerBound)->getSExtValue();
+        } else {
+          dbgs() << "NONE";
+        }
+        dbgs() << " - " << NewUpperBound->getSExtValue() << "\n";
+        dbgs() << "RHS Bounds ==> ";
+        dbgs() << NewLowerBound->getSExtValue() << " - ";
+        if (UpperBound) {
+          dbgs() << cast<ConstantInt>(UpperBound)->getSExtValue() << "\n";
+        } else {
+          dbgs() << "NONE\n";
+        });
 
   // Create a new node that checks if the value is < pivot. Go to the
   // left branch if it is and right branch if not.
   Function* F = OrigBlock->getParent();
-  BasicBlock* NewNode = new BasicBlock("NodeBlock");
-  F->getBasicBlockList().insert(OrigBlock->getNext(), NewNode);
+  BasicBlock* NewNode = BasicBlock::Create(Val->getContext(), "NodeBlock");
+
+  ICmpInst* Comp = new ICmpInst(ICmpInst::ICMP_SLT,
+                                Val, Pivot.Low, "Pivot");
 
-  SetCondInst* Comp = new SetCondInst(Instruction::SetLT, Val, Pivot.first,
-                                      "Pivot");
+  BasicBlock *LBranch = switchConvert(LHS.begin(), LHS.end(), LowerBound,
+                                      NewUpperBound, Val, NewNode, OrigBlock,
+                                      Default);
+  BasicBlock *RBranch = switchConvert(RHS.begin(), RHS.end(), NewLowerBound,
+                                      UpperBound, Val, NewNode, OrigBlock,
+                                      Default);
+
+  Function::iterator FI = OrigBlock;
+  F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewNode);
   NewNode->getInstList().push_back(Comp);
-  new BranchInst(LBranch, RBranch, Comp, NewNode);
+
+  BranchInst::Create(LBranch, RBranch, Comp, NewNode);
   return NewNode;
 }
 
@@ -156,27 +246,58 @@ BasicBlock* LowerSwitch::switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
 // can't be another valid case value, so the jump to the "default" branch
 // is warranted.
 //
-BasicBlock* LowerSwitch::newLeafBlock(Case& Leaf, Value* Val,
+BasicBlock* LowerSwitch::newLeafBlock(CaseRange& Leaf, Value* Val,
                                       BasicBlock* OrigBlock,
                                       BasicBlock* Default)
 {
   Function* F = OrigBlock->getParent();
-  BasicBlock* NewLeaf = new BasicBlock("LeafBlock");
-  F->getBasicBlockList().insert(OrigBlock->getNext(), NewLeaf);
-
-  // Make the seteq instruction...
-  SetCondInst* Comp = new SetCondInst(Instruction::SetEQ, Val,
-                                      Leaf.first, "SwitchLeaf");
-  NewLeaf->getInstList().push_back(Comp);
+  BasicBlock* NewLeaf = BasicBlock::Create(Val->getContext(), "LeafBlock");
+  Function::iterator FI = OrigBlock;
+  F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewLeaf);
+
+  // Emit comparison
+  ICmpInst* Comp = nullptr;
+  if (Leaf.Low == Leaf.High) {
+    // Make the seteq instruction...
+    Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_EQ, Val,
+                        Leaf.Low, "SwitchLeaf");
+  } else {
+    // Make range comparison
+    if (cast<ConstantInt>(Leaf.Low)->isMinValue(true /*isSigned*/)) {
+      // Val >= Min && Val <= Hi --> Val <= Hi
+      Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_SLE, Val, Leaf.High,
+                          "SwitchLeaf");
+    } else if (cast<ConstantInt>(Leaf.Low)->isZero()) {
+      // Val >= 0 && Val <= Hi --> Val <=u Hi
+      Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_ULE, Val, Leaf.High,
+                          "SwitchLeaf");      
+    } else {
+      // Emit V-Lo <=u Hi-Lo
+      Constant* NegLo = ConstantExpr::getNeg(Leaf.Low);
+      Instruction* Add = BinaryOperator::CreateAdd(Val, NegLo,
+                                                   Val->getName()+".off",
+                                                   NewLeaf);
+      Constant *UpperBound = ConstantExpr::getAdd(NegLo, Leaf.High);
+      Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_ULE, Add, UpperBound,
+                          "SwitchLeaf");
+    }
+  }
 
   // Make the conditional branch...
-  BasicBlock* Succ = Leaf.second;
-  new BranchInst(Succ, Default, Comp, NewLeaf);
+  BasicBlock* Succ = Leaf.BB;
+  BranchInst::Create(Succ, Default, Comp, NewLeaf);
 
   // If there were any PHI nodes in this successor, rewrite one entry
   // from OrigBlock to come from NewLeaf.
   for (BasicBlock::iterator I = Succ->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
     PHINode* PN = cast<PHINode>(I);
+    // Remove all but one incoming entries from the cluster
+    uint64_t Range = cast<ConstantInt>(Leaf.High)->getSExtValue() -
+                     cast<ConstantInt>(Leaf.Low)->getSExtValue();    
+    for (uint64_t j = 0; j < Range; ++j) {
+      PN->removeIncomingValue(OrigBlock);
+    }
+    
     int BlockIdx = PN->getBasicBlockIndex(OrigBlock);
     assert(BlockIdx != -1 && "Switch didn't go to this successor??");
     PN->setIncomingBlock((unsigned)BlockIdx, NewLeaf);
@@ -185,6 +306,45 @@ BasicBlock* LowerSwitch::newLeafBlock(Case& Leaf, Value* Val,
   return NewLeaf;
 }
 
+// Clusterify - Transform simple list of Cases into list of CaseRange's
+unsigned LowerSwitch::Clusterify(CaseVector& Cases, SwitchInst *SI) {
+  unsigned numCmps = 0;
+
+  // Start with "simple" cases
+  for (SwitchInst::CaseIt i = SI->case_begin(), e = SI->case_end(); i != e; ++i)
+    Cases.push_back(CaseRange(i.getCaseValue(), i.getCaseValue(),
+                              i.getCaseSuccessor()));
+  
+  std::sort(Cases.begin(), Cases.end(), CaseCmp());
+
+  // Merge case into clusters
+  if (Cases.size()>=2)
+    for (CaseItr I = Cases.begin(), J = std::next(Cases.begin());
+         J != Cases.end();) {
+      int64_t nextValue = cast<ConstantInt>(J->Low)->getSExtValue();
+      int64_t currentValue = cast<ConstantInt>(I->High)->getSExtValue();
+      BasicBlock* nextBB = J->BB;
+      BasicBlock* currentBB = I->BB;
+
+      // If the two neighboring cases go to the same destination, merge them
+      // into a single case.
+      if ((nextValue-currentValue==1) && (currentBB == nextBB)) {
+        I->High = J->High;
+        J = Cases.erase(J);
+      } else {
+        I = J++;
+      }
+    }
+
+  for (CaseItr I=Cases.begin(), E=Cases.end(); I!=E; ++I, ++numCmps) {
+    if (I->Low != I->High)
+      // A range counts double, since it requires two compares.
+      ++numCmps;
+  }
+
+  return numCmps;
+}
+
 // processSwitchInst - Replace the specified switch instruction with a sequence
 // of chained if-then insts in a balanced binary search.
 //
@@ -192,23 +352,29 @@ void LowerSwitch::processSwitchInst(SwitchInst *SI) {
   BasicBlock *CurBlock = SI->getParent();
   BasicBlock *OrigBlock = CurBlock;
   Function *F = CurBlock->getParent();
-  Value *Val = SI->getOperand(0);  // The value we are switching on...
+  Value *Val = SI->getCondition();  // The value we are switching on...
   BasicBlock* Default = SI->getDefaultDest();
 
   // If there is only the default destination, don't bother with the code below.
-  if (SI->getNumOperands() == 2) {
-    new BranchInst(SI->getDefaultDest(), CurBlock);
+  if (!SI->getNumCases()) {
+    BranchInst::Create(SI->getDefaultDest(), CurBlock);
     CurBlock->getInstList().erase(SI);
     return;
   }
 
+  const bool DefaultIsUnreachable =
+      Default->size() == 1 && isa<UnreachableInst>(Default->getTerminator());
   // Create a new, empty default block so that the new hierarchy of
   // if-then statements go to this and the PHI nodes are happy.
-  BasicBlock* NewDefault = new BasicBlock("NewDefault");
-  F->getBasicBlockList().insert(Default, NewDefault);
-
-  new BranchInst(Default, NewDefault);
-
+  // if the default block is set as an unreachable we avoid creating one
+  // because will never be a valid target.
+  BasicBlock *NewDefault = nullptr;
+  if (!DefaultIsUnreachable) {
+    NewDefault = BasicBlock::Create(SI->getContext(), "NewDefault");
+    F->getBasicBlockList().insert(Default, NewDefault);
+
+    BranchInst::Create(Default, NewDefault);
+  }
   // If there is an entry in any PHI nodes for the default edge, make sure
   // to update them as well.
   for (BasicBlock::iterator I = Default->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
@@ -218,20 +384,40 @@ void LowerSwitch::processSwitchInst(SwitchInst *SI) {
     PN->setIncomingBlock((unsigned)BlockIdx, NewDefault);
   }
 
-  std::vector<Case> Cases;
-
-  // Expand comparisons for all of the non-default cases...
-  for (unsigned i = 1; i < SI->getNumSuccessors(); ++i)
-    Cases.push_back(Case(SI->getSuccessorValue(i), SI->getSuccessor(i)));
-
-  std::sort(Cases.begin(), Cases.end(), CaseCmp());
-  DEBUG(std::cerr << "Cases: " << Cases << "\n");
-  BasicBlock* SwitchBlock = switchConvert(Cases.begin(), Cases.end(), Val,
-                                          OrigBlock, NewDefault);
+  // Prepare cases vector.
+  CaseVector Cases;
+  unsigned numCmps = Clusterify(Cases, SI);
+
+  DEBUG(dbgs() << "Clusterify finished. Total clusters: " << Cases.size()
+               << ". Total compares: " << numCmps << "\n");
+  DEBUG(dbgs() << "Cases: " << Cases << "\n");
+  (void)numCmps;
+  
+  ConstantInt *UpperBound = nullptr;
+  ConstantInt *LowerBound = nullptr;
+
+  // Optimize the condition where Default is an unreachable block. In this case
+  // we can make the bounds tightly fitted around the case value ranges,
+  // because we know that the value passed to the switch should always be
+  // exactly one of the case values.
+  if (DefaultIsUnreachable) {
+    CaseItr LastCase = Cases.begin() + Cases.size() - 1;
+    UpperBound = cast<ConstantInt>(LastCase->High);
+    LowerBound = cast<ConstantInt>(Cases.begin()->Low);
+  }
+  BasicBlock *SwitchBlock =
+      switchConvert(Cases.begin(), Cases.end(), LowerBound, UpperBound, Val,
+                    OrigBlock, OrigBlock, NewDefault);
 
   // Branch to our shiny new if-then stuff...
-  new BranchInst(SwitchBlock, OrigBlock);
+  BranchInst::Create(SwitchBlock, OrigBlock);
 
   // We are now done with the switch instruction, delete it.
   CurBlock->getInstList().erase(SI);
+
+  pred_iterator PI = pred_begin(Default), E = pred_end(Default);
+  // If the Default block has no more predecessors just remove it
+  if (PI == E) {
+    DeleteDeadBlock(Default);
+  }
 }