[C++11] Add predecessors(BasicBlock *) / successors(BasicBlock *) iterator ranges.
[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 // 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/CFG.h"
22 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
23 #include "llvm/IR/CFG.h"
24 #include "llvm/IR/Dominators.h"
25 #include "llvm/IR/Function.h"
26 #include "llvm/IR/Instructions.h"
27 #include "llvm/IR/Type.h"
28 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
30 using namespace llvm;
31
32 #define DEBUG_TYPE "break-crit-edges"
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     bool runOnFunction(Function &F) override;
44
45     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
46       AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
47       AU.addPreserved<LoopInfo>();
48
49       // No loop canonicalization guarantees are broken by this pass.
50       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
51     }
52   };
53 }
54
55 char BreakCriticalEdges::ID = 0;
56 INITIALIZE_PASS(BreakCriticalEdges, "break-crit-edges",
57                 "Break critical edges in CFG", false, false)
58
59 // Publicly exposed interface to pass...
60 char &llvm::BreakCriticalEdgesID = BreakCriticalEdges::ID;
61 FunctionPass *llvm::createBreakCriticalEdgesPass() {
62   return new BreakCriticalEdges();
63 }
64
65 // runOnFunction - Loop over all of the edges in the CFG, breaking critical
66 // edges as they are found.
67 //
68 bool BreakCriticalEdges::runOnFunction(Function &F) {
69   bool Changed = false;
70   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I) {
71     TerminatorInst *TI = I->getTerminator();
72     if (TI->getNumSuccessors() > 1 && !isa<IndirectBrInst>(TI))
73       for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i)
74         if (SplitCriticalEdge(TI, i, this)) {
75           ++NumBroken;
76           Changed = true;
77         }
78   }
79
80   return Changed;
81 }
82
83 //===----------------------------------------------------------------------===//
84 //    Implementation of the external critical edge manipulation functions
85 //===----------------------------------------------------------------------===//
86
87 /// createPHIsForSplitLoopExit - When a loop exit edge is split, LCSSA form
88 /// may require new PHIs in the new exit block. This function inserts the
89 /// new PHIs, as needed. Preds is a list of preds inside the loop, SplitBB
90 /// is the new loop exit block, and DestBB is the old loop exit, now the
91 /// successor of SplitBB.
92 static void createPHIsForSplitLoopExit(ArrayRef<BasicBlock *> Preds,
93                                        BasicBlock *SplitBB,
94                                        BasicBlock *DestBB) {
95   // SplitBB shouldn't have anything non-trivial in it yet.
96   assert((SplitBB->getFirstNonPHI() == SplitBB->getTerminator() ||
97           SplitBB->isLandingPad()) && "SplitBB has non-PHI nodes!");
98
99   // For each PHI in the destination block.
100   for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin();
101        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
102     unsigned Idx = PN->getBasicBlockIndex(SplitBB);
103     Value *V = PN->getIncomingValue(Idx);
104
105     // If the input is a PHI which already satisfies LCSSA, don't create
106     // a new one.
107     if (const PHINode *VP = dyn_cast<PHINode>(V))
108       if (VP->getParent() == SplitBB)
109         continue;
110
111     // Otherwise a new PHI is needed. Create one and populate it.
112     PHINode *NewPN =
113       PHINode::Create(PN->getType(), Preds.size(), "split",
114                       SplitBB->isLandingPad() ?
115                       SplitBB->begin() : SplitBB->getTerminator());
116     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
117       NewPN->addIncoming(V, Preds[i]);
118
119     // Update the original PHI.
120     PN->setIncomingValue(Idx, NewPN);
121   }
122 }
123
124 /// SplitCriticalEdge - If this edge is a critical edge, insert a new node to
125 /// split the critical edge.  This will update DominatorTree information if it
126 /// is available, thus calling this pass will not invalidate either of them.
127 /// This returns the new block if the edge was split, null otherwise.
128 ///
129 /// If MergeIdenticalEdges is true (not the default), *all* edges from TI to the
130 /// specified successor will be merged into the same critical edge block.
131 /// This is most commonly interesting with switch instructions, which may
132 /// have many edges to any one destination.  This ensures that all edges to that
133 /// dest go to one block instead of each going to a different block, but isn't
134 /// the standard definition of a "critical edge".
135 ///
136 /// It is invalid to call this function on a critical edge that starts at an
137 /// IndirectBrInst.  Splitting these edges will almost always create an invalid
138 /// program because the address of the new block won't be the one that is jumped
139 /// to.
140 ///
141 BasicBlock *llvm::SplitCriticalEdge(TerminatorInst *TI, unsigned SuccNum,
142                                     Pass *P, bool MergeIdenticalEdges,
143                                     bool DontDeleteUselessPhis,
144                                     bool SplitLandingPads) {
145   if (!isCriticalEdge(TI, SuccNum, MergeIdenticalEdges)) return nullptr;
146
147   assert(!isa<IndirectBrInst>(TI) &&
148          "Cannot split critical edge from IndirectBrInst");
149
150   BasicBlock *TIBB = TI->getParent();
151   BasicBlock *DestBB = TI->getSuccessor(SuccNum);
152
153   // Splitting the critical edge to a landing pad block is non-trivial. Don't do
154   // it in this generic function.
155   if (DestBB->isLandingPad()) return nullptr;
156
157   // Create a new basic block, linking it into the CFG.
158   BasicBlock *NewBB = BasicBlock::Create(TI->getContext(),
159                       TIBB->getName() + "." + DestBB->getName() + "_crit_edge");
160   // Create our unconditional branch.
161   BranchInst *NewBI = BranchInst::Create(DestBB, NewBB);
162   NewBI->setDebugLoc(TI->getDebugLoc());
163
164   // Branch to the new block, breaking the edge.
165   TI->setSuccessor(SuccNum, NewBB);
166
167   // Insert the block into the function... right after the block TI lives in.
168   Function &F = *TIBB->getParent();
169   Function::iterator FBBI = TIBB;
170   F.getBasicBlockList().insert(++FBBI, NewBB);
171
172   // If there are any PHI nodes in DestBB, we need to update them so that they
173   // merge incoming values from NewBB instead of from TIBB.
174   {
175     unsigned BBIdx = 0;
176     for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
177       // We no longer enter through TIBB, now we come in through NewBB.
178       // Revector exactly one entry in the PHI node that used to come from
179       // TIBB to come from NewBB.
180       PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
181
182       // Reuse the previous value of BBIdx if it lines up.  In cases where we
183       // have multiple phi nodes with *lots* of predecessors, this is a speed
184       // win because we don't have to scan the PHI looking for TIBB.  This
185       // happens because the BB list of PHI nodes are usually in the same
186       // order.
187       if (PN->getIncomingBlock(BBIdx) != TIBB)
188         BBIdx = PN->getBasicBlockIndex(TIBB);
189       PN->setIncomingBlock(BBIdx, NewBB);
190     }
191   }
192
193   // If there are any other edges from TIBB to DestBB, update those to go
194   // through the split block, making those edges non-critical as well (and
195   // reducing the number of phi entries in the DestBB if relevant).
196   if (MergeIdenticalEdges) {
197     for (unsigned i = SuccNum+1, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
198       if (TI->getSuccessor(i) != DestBB) continue;
199
200       // Remove an entry for TIBB from DestBB phi nodes.
201       DestBB->removePredecessor(TIBB, DontDeleteUselessPhis);
202
203       // We found another edge to DestBB, go to NewBB instead.
204       TI->setSuccessor(i, NewBB);
205     }
206   }
207
208
209
210   // If we don't have a pass object, we can't update anything...
211   if (!P) return NewBB;
212
213   DominatorTreeWrapperPass *DTWP =
214       P->getAnalysisIfAvailable<DominatorTreeWrapperPass>();
215   DominatorTree *DT = DTWP ? &DTWP->getDomTree() : nullptr;
216   LoopInfo *LI = P->getAnalysisIfAvailable<LoopInfo>();
217
218   // If we have nothing to update, just return.
219   if (!DT && !LI)
220     return NewBB;
221
222   // Now update analysis information.  Since the only predecessor of NewBB is
223   // the TIBB, TIBB clearly dominates NewBB.  TIBB usually doesn't dominate
224   // anything, as there are other successors of DestBB.  However, if all other
225   // predecessors of DestBB are already dominated by DestBB (e.g. DestBB is a
226   // loop header) then NewBB dominates DestBB.
227   SmallVector<BasicBlock*, 8> OtherPreds;
228
229   // If there is a PHI in the block, loop over predecessors with it, which is
230   // faster than iterating pred_begin/end.
231   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(DestBB->begin())) {
232     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
233       if (PN->getIncomingBlock(i) != NewBB)
234         OtherPreds.push_back(PN->getIncomingBlock(i));
235   } else {
236     for (BasicBlock *P : predecessors(DestBB)) {
237       if (P != NewBB)
238         OtherPreds.push_back(P);
239     }
240   }
241
242   bool NewBBDominatesDestBB = true;
243
244   // Should we update DominatorTree information?
245   if (DT) {
246     DomTreeNode *TINode = DT->getNode(TIBB);
247
248     // The new block is not the immediate dominator for any other nodes, but
249     // TINode is the immediate dominator for the new node.
250     //
251     if (TINode) {       // Don't break unreachable code!
252       DomTreeNode *NewBBNode = DT->addNewBlock(NewBB, TIBB);
253       DomTreeNode *DestBBNode = nullptr;
254
255       // If NewBBDominatesDestBB hasn't been computed yet, do so with DT.
256       if (!OtherPreds.empty()) {
257         DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
258         while (!OtherPreds.empty() && NewBBDominatesDestBB) {
259           if (DomTreeNode *OPNode = DT->getNode(OtherPreds.back()))
260             NewBBDominatesDestBB = DT->dominates(DestBBNode, OPNode);
261           OtherPreds.pop_back();
262         }
263         OtherPreds.clear();
264       }
265
266       // If NewBBDominatesDestBB, then NewBB dominates DestBB, otherwise it
267       // doesn't dominate anything.
268       if (NewBBDominatesDestBB) {
269         if (!DestBBNode) DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
270         DT->changeImmediateDominator(DestBBNode, NewBBNode);
271       }
272     }
273   }
274
275   // Update LoopInfo if it is around.
276   if (LI) {
277     if (Loop *TIL = LI->getLoopFor(TIBB)) {
278       // If one or the other blocks were not in a loop, the new block is not
279       // either, and thus LI doesn't need to be updated.
280       if (Loop *DestLoop = LI->getLoopFor(DestBB)) {
281         if (TIL == DestLoop) {
282           // Both in the same loop, the NewBB joins loop.
283           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
284         } else if (TIL->contains(DestLoop)) {
285           // Edge from an outer loop to an inner loop.  Add to the outer loop.
286           TIL->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
287         } else if (DestLoop->contains(TIL)) {
288           // Edge from an inner loop to an outer loop.  Add to the outer loop.
289           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
290         } else {
291           // Edge from two loops with no containment relation.  Because these
292           // are natural loops, we know that the destination block must be the
293           // header of its loop (adding a branch into a loop elsewhere would
294           // create an irreducible loop).
295           assert(DestLoop->getHeader() == DestBB &&
296                  "Should not create irreducible loops!");
297           if (Loop *P = DestLoop->getParentLoop())
298             P->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
299         }
300       }
301       // If TIBB is in a loop and DestBB is outside of that loop, we may need
302       // to update LoopSimplify form and LCSSA form.
303       if (!TIL->contains(DestBB) &&
304           P->mustPreserveAnalysisID(LoopSimplifyID)) {
305         assert(!TIL->contains(NewBB) &&
306                "Split point for loop exit is contained in loop!");
307
308         // Update LCSSA form in the newly created exit block.
309         if (P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID))
310           createPHIsForSplitLoopExit(TIBB, NewBB, DestBB);
311
312         // The only that we can break LoopSimplify form by splitting a critical
313         // edge is if after the split there exists some edge from TIL to DestBB
314         // *and* the only edge into DestBB from outside of TIL is that of
315         // NewBB. If the first isn't true, then LoopSimplify still holds, NewBB
316         // is the new exit block and it has no non-loop predecessors. If the
317         // second isn't true, then DestBB was not in LoopSimplify form prior to
318         // the split as it had a non-loop predecessor. In both of these cases,
319         // the predecessor must be directly in TIL, not in a subloop, or again
320         // LoopSimplify doesn't hold.
321         SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopPreds;
322         for (BasicBlock *P : predecessors(DestBB)) {
323           if (P == NewBB)
324             continue; // The new block is known.
325           if (LI->getLoopFor(P) != TIL) {
326             // No need to re-simplify, it wasn't to start with.
327             LoopPreds.clear();
328             break;
329           }
330           LoopPreds.push_back(P);
331         }
332         if (!LoopPreds.empty()) {
333           assert(!DestBB->isLandingPad() &&
334                  "We don't split edges to landing pads!");
335           BasicBlock *NewExitBB =
336               SplitBlockPredecessors(DestBB, LoopPreds, "split", P);
337           if (P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID))
338             createPHIsForSplitLoopExit(LoopPreds, NewExitBB, DestBB);
339         }
340       }
341       // LCSSA form was updated above for the case where LoopSimplify is
342       // available, which means that all predecessors of loop exit blocks
343       // are within the loop. Without LoopSimplify form, it would be
344       // necessary to insert a new phi.
345       assert((!P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID) ||
346               P->mustPreserveAnalysisID(LoopSimplifyID)) &&
347              "SplitCriticalEdge doesn't know how to update LCCSA form "
348              "without LoopSimplify!");
349     }
350   }
351
352   return NewBB;
353 }