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 // dominator trees.
  15 //
  16 //===----------------------------------------------------------------------===//
  17
  18 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  19 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  20 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  21 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  22 #include "llvm/Analysis/CFG.h"
  23 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  24 #include "llvm/IR/CFG.h"
  25 #include "llvm/IR/Dominators.h"
  26 #include "llvm/IR/Function.h"
  27 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  28 #include "llvm/IR/Type.h"
  29 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  30 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  31 using namespace llvm;
  32
  33 #define DEBUG_TYPE "break-crit-edges"
  34
  35 STATISTIC(NumBroken, "Number of blocks inserted");
  36
  37 namespace {
  38   struct BreakCriticalEdges : public FunctionPass {
  39     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  40     BreakCriticalEdges() : FunctionPass(ID) {
  41       initializeBreakCriticalEdgesPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  42     }
  43
  44     bool runOnFunction(Function &F) override {
  45       auto *DTWP = getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
  46       auto *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
  47       auto *LIWP = getAnalysisIfAvailable<LoopInfoWrapperPass>();
  48       auto *LI = LIWP ? &LIWP->getLoopInfo() : nullptr;
  49       unsigned N =
  50           SplitAllCriticalEdges(F, CriticalEdgeSplittingOptions(DT, LI));
  51       NumBroken += N;
  52       return N > 0;
  53     }
  54
  55     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
  56       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
  57       AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
  58
  59       // No loop canonicalization guarantees are broken by this pass.
  60       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
  61     }
  62   };
  63 }
  64
  65 char BreakCriticalEdges::ID = 0;
  66 INITIALIZE_PASS(BreakCriticalEdges, "break-crit-edges",
  67                 "Break critical edges in CFG", false, false)
  68
  69 // Publicly exposed interface to pass...
  70 char &llvm::BreakCriticalEdgesID = BreakCriticalEdges::ID;
  71 FunctionPass *llvm::createBreakCriticalEdgesPass() {
  72   return new BreakCriticalEdges();
  73 }
  74
  75 //===----------------------------------------------------------------------===//
  76 //    Implementation of the external critical edge manipulation functions
  77 //===----------------------------------------------------------------------===//
  78
  79 /// createPHIsForSplitLoopExit - When a loop exit edge is split, LCSSA form
  80 /// may require new PHIs in the new exit block. This function inserts the
  81 /// new PHIs, as needed. Preds is a list of preds inside the loop, SplitBB
  82 /// is the new loop exit block, and DestBB is the old loop exit, now the
  83 /// successor of SplitBB.
  84 static void createPHIsForSplitLoopExit(ArrayRef<BasicBlock *> Preds,
  85                                        BasicBlock *SplitBB,
  86                                        BasicBlock *DestBB) {
  87   // SplitBB shouldn't have anything non-trivial in it yet.
  88   assert((SplitBB->getFirstNonPHI() == SplitBB->getTerminator() ||
  89           SplitBB->isLandingPad()) && "SplitBB has non-PHI nodes!");
  90
  91   // For each PHI in the destination block.
  92   for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin();
  93        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
  94     unsigned Idx = PN->getBasicBlockIndex(SplitBB);
  95     Value *V = PN->getIncomingValue(Idx);
  96
  97     // If the input is a PHI which already satisfies LCSSA, don't create
  98     // a new one.
  99     if (const PHINode *VP = dyn_cast<PHINode>(V))
 100       if (VP->getParent() == SplitBB)
 101         continue;
 102
 103     // Otherwise a new PHI is needed. Create one and populate it.
 104     PHINode *NewPN =
 105       PHINode::Create(PN->getType(), Preds.size(), "split",
 106                       SplitBB->isLandingPad() ?
 107                       SplitBB->begin() : SplitBB->getTerminator());
 108     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
 109       NewPN->addIncoming(V, Preds[i]);
 110
 111     // Update the original PHI.
 112     PN->setIncomingValue(Idx, NewPN);
 113   }
 114 }
 115
 116 /// SplitCriticalEdge - If this edge is a critical edge, insert a new node to
 117 /// split the critical edge.  This will update DominatorTree information if it
 118 /// is available, thus calling this pass will not invalidate either of them.
 119 /// This returns the new block if the edge was split, null otherwise.
 120 ///
 121 /// If MergeIdenticalEdges is true (not the default), *all* edges from TI to the
 122 /// specified successor will be merged into the same critical edge block.
 123 /// This is most commonly interesting with switch instructions, which may
 124 /// have many edges to any one destination.  This ensures that all edges to that
 125 /// dest go to one block instead of each going to a different block, but isn't
 126 /// the standard definition of a "critical edge".
 127 ///
 128 /// It is invalid to call this function on a critical edge that starts at an
 129 /// IndirectBrInst.  Splitting these edges will almost always create an invalid
 130 /// program because the address of the new block won't be the one that is jumped
 131 /// to.
 132 ///
 133 BasicBlock *llvm::SplitCriticalEdge(TerminatorInst *TI, unsigned SuccNum,
 134                                     const CriticalEdgeSplittingOptions &Options) {
 135   if (!isCriticalEdge(TI, SuccNum, Options.MergeIdenticalEdges))
 136     return nullptr;
 137
 138   assert(!isa<IndirectBrInst>(TI) &&
 139          "Cannot split critical edge from IndirectBrInst");
 140
 141   BasicBlock *TIBB = TI->getParent();
 142   BasicBlock *DestBB = TI->getSuccessor(SuccNum);
 143
 144   // Splitting the critical edge to a landing pad block is non-trivial. Don't do
 145   // it in this generic function.
 146   if (DestBB->isLandingPad()) return nullptr;
 147
 148   // Create a new basic block, linking it into the CFG.
 149   BasicBlock *NewBB = BasicBlock::Create(TI->getContext(),
 150                       TIBB->getName() + "." + DestBB->getName() + "_crit_edge");
 151   // Create our unconditional branch.
 152   BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(DestBB, NewBB);
 153   NewBI->setDebugLoc(TI->getDebugLoc());
 154
 155   // Branch to the new block, breaking the edge.
 156   TI->setSuccessor(SuccNum, NewBB);
 157
 158   // Insert the block into the function... right after the block TI lives in.
 159   Function &F = *TIBB->getParent();
 160   Function::iterator FBBI = TIBB;
 161   F.getBasicBlockList().insert(++FBBI, NewBB);
 162
 163   // If there are any PHI nodes in DestBB, we need to update them so that they
 164   // merge incoming values from NewBB instead of from TIBB.
 165   {
 166     unsigned BBIdx = 0;
 167     for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 168       // We no longer enter through TIBB, now we come in through NewBB.
 169       // Revector exactly one entry in the PHI node that used to come from
 170       // TIBB to come from NewBB.
 171       PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
 172
 173       // Reuse the previous value of BBIdx if it lines up.  In cases where we
 174       // have multiple phi nodes with *lots* of predecessors, this is a speed
 175       // win because we don't have to scan the PHI looking for TIBB.  This
 176       // happens because the BB list of PHI nodes are usually in the same
 177       // order.
 178       if (PN->getIncomingBlock(BBIdx) != TIBB)
 179         BBIdx = PN->getBasicBlockIndex(TIBB);
 180       PN->setIncomingBlock(BBIdx, NewBB);
 181     }
 182   }
 183
 184   // If there are any other edges from TIBB to DestBB, update those to go
 185   // through the split block, making those edges non-critical as well (and
 186   // reducing the number of phi entries in the DestBB if relevant).
 187   if (Options.MergeIdenticalEdges) {
 188     for (unsigned i = SuccNum+1, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
 189       if (TI->getSuccessor(i) != DestBB) continue;
 190
 191       // Remove an entry for TIBB from DestBB phi nodes.
 192       DestBB->removePredecessor(TIBB, Options.DontDeleteUselessPHIs);
 193
 194       // We found another edge to DestBB, go to NewBB instead.
 195       TI->setSuccessor(i, NewBB);
 196     }
 197   }
 198
 199   // If we have nothing to update, just return.
 200   auto *AA = Options.AA;
 201   auto *DT = Options.DT;
 202   auto *LI = Options.LI;
 203   if (!DT && !LI)
 204     return NewBB;
 205
 206   // Now update analysis information.  Since the only predecessor of NewBB is
 207   // the TIBB, TIBB clearly dominates NewBB.  TIBB usually doesn't dominate
 208   // anything, as there are other successors of DestBB.  However, if all other
 209   // predecessors of DestBB are already dominated by DestBB (e.g. DestBB is a
 210   // loop header) then NewBB dominates DestBB.
 211   SmallVector<BasicBlock*, 8> OtherPreds;
 212
 213   // If there is a PHI in the block, loop over predecessors with it, which is
 214   // faster than iterating pred_begin/end.
 215   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(DestBB->begin())) {
 216     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
 217       if (PN->getIncomingBlock(i) != NewBB)
 218         OtherPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
 219   } else {
 220     for (pred_iterator I = pred_begin(DestBB), E = pred_end(DestBB);
 221          I != E; ++I) {
 222       BasicBlock *P = *I;
 223       if (P != NewBB)
 224         OtherPreds.push_back(P);
 225     }
 226   }
 227
 228   bool NewBBDominatesDestBB = true;
 229
 230   // Should we update DominatorTree information?
 231   if (DT) {
 232     DomTreeNode *TINode = DT->getNode(TIBB);
 233
 234     // The new block is not the immediate dominator for any other nodes, but
 235     // TINode is the immediate dominator for the new node.
 236     //
 237     if (TINode) {       // Don't break unreachable code!
 238       DomTreeNode *NewBBNode = DT->addNewBlock(NewBB, TIBB);
 239       DomTreeNode *DestBBNode = nullptr;
 240
 241       // If NewBBDominatesDestBB hasn't been computed yet, do so with DT.
 242       if (!OtherPreds.empty()) {
 243         DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
 244         while (!OtherPreds.empty() && NewBBDominatesDestBB) {
 245           if (DomTreeNode *OPNode = DT->getNode(OtherPreds.back()))
 246             NewBBDominatesDestBB = DT->dominates(DestBBNode, OPNode);
 247           OtherPreds.pop_back();
 248         }
 249         OtherPreds.clear();
 250       }
 251
 252       // If NewBBDominatesDestBB, then NewBB dominates DestBB, otherwise it
 253       // doesn't dominate anything.
 254       if (NewBBDominatesDestBB) {
 255         if (!DestBBNode) DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
 256         DT->changeImmediateDominator(DestBBNode, NewBBNode);
 257       }
 258     }
 259   }
 260
 261   // Update LoopInfo if it is around.
 262   if (LI) {
 263     if (Loop *TIL = LI->getLoopFor(TIBB)) {
 264       // If one or the other blocks were not in a loop, the new block is not
 265       // either, and thus LI doesn't need to be updated.
 266       if (Loop *DestLoop = LI->getLoopFor(DestBB)) {
 267         if (TIL == DestLoop) {
 268           // Both in the same loop, the NewBB joins loop.
 269           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
 270         } else if (TIL->contains(DestLoop)) {
 271           // Edge from an outer loop to an inner loop.  Add to the outer loop.
 272           TIL->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
 273         } else if (DestLoop->contains(TIL)) {
 274           // Edge from an inner loop to an outer loop.  Add to the outer loop.
 275           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
 276         } else {
 277           // Edge from two loops with no containment relation.  Because these
 278           // are natural loops, we know that the destination block must be the
 279           // header of its loop (adding a branch into a loop elsewhere would
 280           // create an irreducible loop).
 281           assert(DestLoop->getHeader() == DestBB &&
 282                  "Should not create irreducible loops!");
 283           if (Loop *P = DestLoop->getParentLoop())
 284             P->addBasicBlockToLoop(NewBB, *LI);
 285         }
 286       }
 287
 288       // If TIBB is in a loop and DestBB is outside of that loop, we may need
 289       // to update LoopSimplify form and LCSSA form.
 290       if (!TIL->contains(DestBB)) {
 291         assert(!TIL->contains(NewBB) &&
 292                "Split point for loop exit is contained in loop!");
 293
 294         // Update LCSSA form in the newly created exit block.
 295         if (Options.PreserveLCSSA) {
 296           createPHIsForSplitLoopExit(TIBB, NewBB, DestBB);
 297         }
 298
 299         // The only that we can break LoopSimplify form by splitting a critical
 300         // edge is if after the split there exists some edge from TIL to DestBB
 301         // *and* the only edge into DestBB from outside of TIL is that of
 302         // NewBB. If the first isn't true, then LoopSimplify still holds, NewBB
 303         // is the new exit block and it has no non-loop predecessors. If the
 304         // second isn't true, then DestBB was not in LoopSimplify form prior to
 305         // the split as it had a non-loop predecessor. In both of these cases,
 306         // the predecessor must be directly in TIL, not in a subloop, or again
 307         // LoopSimplify doesn't hold.
 308         SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopPreds;
 309         for (pred_iterator I = pred_begin(DestBB), E = pred_end(DestBB); I != E;
 310              ++I) {
 311           BasicBlock *P = *I;
 312           if (P == NewBB)
 313             continue; // The new block is known.
 314           if (LI->getLoopFor(P) != TIL) {
 315             // No need to re-simplify, it wasn't to start with.
 316             LoopPreds.clear();
 317             break;
 318           }
 319           LoopPreds.push_back(P);
 320         }
 321         if (!LoopPreds.empty()) {
 322           assert(!DestBB->isLandingPad() &&
 323                  "We don't split edges to landing pads!");
 324           BasicBlock *NewExitBB = SplitBlockPredecessors(
 325               DestBB, LoopPreds, "split", AA, DT, LI, Options.PreserveLCSSA);
 326           if (Options.PreserveLCSSA)
 327             createPHIsForSplitLoopExit(LoopPreds, NewExitBB, DestBB);
 328         }
 329       }
 330     }
 331   }
 332
 333   return NewBB;
 334 }