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[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/Dominators.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
41     virtual bool runOnFunction(Function &F);
42
43     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
44       AU.addPreserved<DominatorTree>();
45       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
46       AU.addPreserved<LoopInfo>();
47       AU.addPreserved<ProfileInfo>();
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 static RegisterPass<BreakCriticalEdges>
57 X("break-crit-edges", "Break critical edges in CFG");
58
59 // Publically exposed interface to pass...
60 const PassInfo *const llvm::BreakCriticalEdgesID = &X;
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 // isCriticalEdge - Return true if the specified edge is a critical edge.
88 // Critical edges are edges from a block with multiple successors to a block
89 // with multiple predecessors.
90 //
91 bool llvm::isCriticalEdge(const TerminatorInst *TI, unsigned SuccNum,
92                           bool AllowIdenticalEdges) {
93   assert(SuccNum < TI->getNumSuccessors() && "Illegal edge specification!");
94   if (TI->getNumSuccessors() == 1) return false;
95
96   const BasicBlock *Dest = TI->getSuccessor(SuccNum);
97   pred_const_iterator I = pred_begin(Dest), E = pred_end(Dest);
98
99   // If there is more than one predecessor, this is a critical edge...
100   assert(I != E && "No preds, but we have an edge to the block?");
101   const BasicBlock *FirstPred = *I;
102   ++I;        // Skip one edge due to the incoming arc from TI.
103   if (!AllowIdenticalEdges)
104     return I != E;
105   
106   // If AllowIdenticalEdges is true, then we allow this edge to be considered
107   // non-critical iff all preds come from TI's block.
108   while (I != E) {
109     if (*I != FirstPred)
110       return true;
111     // Note: leave this as is until no one ever compiles with either gcc 4.0.1
112     // or Xcode 2. This seems to work around the pred_iterator assert in PR 2207
113     E = pred_end(*I);
114     ++I;
115   }
116   return false;
117 }
118
119 /// CreatePHIsForSplitLoopExit - When a loop exit edge is split, LCSSA form
120 /// may require new PHIs in the new exit block. This function inserts the
121 /// new PHIs, as needed.  Preds is a list of preds inside the loop, SplitBB
122 /// is the new loop exit block, and DestBB is the old loop exit, now the
123 /// successor of SplitBB.
124 static void CreatePHIsForSplitLoopExit(SmallVectorImpl<BasicBlock *> &Preds,
125                                        BasicBlock *SplitBB,
126                                        BasicBlock *DestBB) {
127   // SplitBB shouldn't have anything non-trivial in it yet.
128   assert(SplitBB->getFirstNonPHI() == SplitBB->getTerminator() &&
129          "SplitBB has non-PHI nodes!");
130
131   // For each PHI in the destination block...
132   for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin();
133        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
134     unsigned Idx = PN->getBasicBlockIndex(SplitBB);
135     Value *V = PN->getIncomingValue(Idx);
136     // If the input is a PHI which already satisfies LCSSA, don't create
137     // a new one.
138     if (const PHINode *VP = dyn_cast<PHINode>(V))
139       if (VP->getParent() == SplitBB)
140         continue;
141     // Otherwise a new PHI is needed. Create one and populate it.
142     PHINode *NewPN = PHINode::Create(PN->getType(), "split",
143                                      SplitBB->getTerminator());
144     for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
145       NewPN->addIncoming(V, Preds[i]);
146     // Update the original PHI.
147     PN->setIncomingValue(Idx, NewPN);
148   }
149 }
150
151 /// SplitCriticalEdge - If this edge is a critical edge, insert a new node to
152 /// split the critical edge.  This will update DominatorTree and
153 /// DominatorFrontier information if it is available, thus calling this pass
154 /// will not invalidate either of them. This returns the new block if the edge
155 /// was split, null otherwise.
156 ///
157 /// If MergeIdenticalEdges is true (not the default), *all* edges from TI to the
158 /// specified successor will be merged into the same critical edge block.  
159 /// This is most commonly interesting with switch instructions, which may 
160 /// have many edges to any one destination.  This ensures that all edges to that
161 /// dest go to one block instead of each going to a different block, but isn't 
162 /// the standard definition of a "critical edge".
163 ///
164 /// It is invalid to call this function on a critical edge that starts at an
165 /// IndirectBrInst.  Splitting these edges will almost always create an invalid
166 /// program because the address of the new block won't be the one that is jumped
167 /// to.
168 ///
169 BasicBlock *llvm::SplitCriticalEdge(TerminatorInst *TI, unsigned SuccNum,
170                                     Pass *P, bool MergeIdenticalEdges) {
171   if (!isCriticalEdge(TI, SuccNum, MergeIdenticalEdges)) return 0;
172   
173   assert(!isa<IndirectBrInst>(TI) &&
174          "Cannot split critical edge from IndirectBrInst");
175   
176   BasicBlock *TIBB = TI->getParent();
177   BasicBlock *DestBB = TI->getSuccessor(SuccNum);
178
179   // Create a new basic block, linking it into the CFG.
180   BasicBlock *NewBB = BasicBlock::Create(TI->getContext(),
181                       TIBB->getName() + "." + DestBB->getName() + "_crit_edge");
182   // Create our unconditional branch...
183   BranchInst::Create(DestBB, NewBB);
184
185   // Branch to the new block, breaking the edge.
186   TI->setSuccessor(SuccNum, NewBB);
187
188   // Insert the block into the function... right after the block TI lives in.
189   Function &F = *TIBB->getParent();
190   Function::iterator FBBI = TIBB;
191   F.getBasicBlockList().insert(++FBBI, NewBB);
192   
193   // If there are any PHI nodes in DestBB, we need to update them so that they
194   // merge incoming values from NewBB instead of from TIBB.
195   //
196   for (BasicBlock::iterator I = DestBB->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
197     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
198     // We no longer enter through TIBB, now we come in through NewBB.  Revector
199     // exactly one entry in the PHI node that used to come from TIBB to come
200     // from NewBB.
201     int BBIdx = PN->getBasicBlockIndex(TIBB);
202     PN->setIncomingBlock(BBIdx, NewBB);
203   }
204   
205   // If there are any other edges from TIBB to DestBB, update those to go
206   // through the split block, making those edges non-critical as well (and
207   // reducing the number of phi entries in the DestBB if relevant).
208   if (MergeIdenticalEdges) {
209     for (unsigned i = SuccNum+1, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
210       if (TI->getSuccessor(i) != DestBB) continue;
211       
212       // Remove an entry for TIBB from DestBB phi nodes.
213       DestBB->removePredecessor(TIBB);
214       
215       // We found another edge to DestBB, go to NewBB instead.
216       TI->setSuccessor(i, NewBB);
217     }
218   }
219   
220   
221
222   // If we don't have a pass object, we can't update anything...
223   if (P == 0) return NewBB;
224
225   // Now update analysis information.  Since the only predecessor of NewBB is
226   // the TIBB, TIBB clearly dominates NewBB.  TIBB usually doesn't dominate
227   // anything, as there are other successors of DestBB.  However, if all other
228   // predecessors of DestBB are already dominated by DestBB (e.g. DestBB is a
229   // loop header) then NewBB dominates DestBB.
230   SmallVector<BasicBlock*, 8> OtherPreds;
231
232   for (pred_iterator I = pred_begin(DestBB), E = pred_end(DestBB); I != E; ++I)
233     if (*I != NewBB)
234       OtherPreds.push_back(*I);
235   
236   bool NewBBDominatesDestBB = true;
237   
238   // Should we update DominatorTree information?
239   if (DominatorTree *DT = P->getAnalysisIfAvailable<DominatorTree>()) {
240     DomTreeNode *TINode = DT->getNode(TIBB);
241
242     // The new block is not the immediate dominator for any other nodes, but
243     // TINode is the immediate dominator for the new node.
244     //
245     if (TINode) {       // Don't break unreachable code!
246       DomTreeNode *NewBBNode = DT->addNewBlock(NewBB, TIBB);
247       DomTreeNode *DestBBNode = 0;
248      
249       // If NewBBDominatesDestBB hasn't been computed yet, do so with DT.
250       if (!OtherPreds.empty()) {
251         DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
252         while (!OtherPreds.empty() && NewBBDominatesDestBB) {
253           if (DomTreeNode *OPNode = DT->getNode(OtherPreds.back()))
254             NewBBDominatesDestBB = DT->dominates(DestBBNode, OPNode);
255           OtherPreds.pop_back();
256         }
257         OtherPreds.clear();
258       }
259       
260       // If NewBBDominatesDestBB, then NewBB dominates DestBB, otherwise it
261       // doesn't dominate anything.
262       if (NewBBDominatesDestBB) {
263         if (!DestBBNode) DestBBNode = DT->getNode(DestBB);
264         DT->changeImmediateDominator(DestBBNode, NewBBNode);
265       }
266     }
267   }
268
269   // Should we update DominanceFrontier information?
270   if (DominanceFrontier *DF = P->getAnalysisIfAvailable<DominanceFrontier>()) {
271     // If NewBBDominatesDestBB hasn't been computed yet, do so with DF.
272     if (!OtherPreds.empty()) {
273       // FIXME: IMPLEMENT THIS!
274       llvm_unreachable("Requiring domfrontiers but not idom/domtree/domset."
275                        " not implemented yet!");
276     }
277     
278     // Since the new block is dominated by its only predecessor TIBB,
279     // it cannot be in any block's dominance frontier.  If NewBB dominates
280     // DestBB, its dominance frontier is the same as DestBB's, otherwise it is
281     // just {DestBB}.
282     DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
283     if (NewBBDominatesDestBB) {
284       DominanceFrontier::iterator I = DF->find(DestBB);
285       if (I != DF->end()) {
286         DF->addBasicBlock(NewBB, I->second);
287         
288         if (I->second.count(DestBB)) {
289           // However NewBB's frontier does not include DestBB.
290           DominanceFrontier::iterator NF = DF->find(NewBB);
291           DF->removeFromFrontier(NF, DestBB);
292         }
293       }
294       else
295         DF->addBasicBlock(NewBB, DominanceFrontier::DomSetType());
296     } else {
297       DominanceFrontier::DomSetType NewDFSet;
298       NewDFSet.insert(DestBB);
299       DF->addBasicBlock(NewBB, NewDFSet);
300     }
301   }
302   
303   // Update LoopInfo if it is around.
304   if (LoopInfo *LI = P->getAnalysisIfAvailable<LoopInfo>()) {
305     if (Loop *TIL = LI->getLoopFor(TIBB)) {
306       // If one or the other blocks were not in a loop, the new block is not
307       // either, and thus LI doesn't need to be updated.
308       if (Loop *DestLoop = LI->getLoopFor(DestBB)) {
309         if (TIL == DestLoop) {
310           // Both in the same loop, the NewBB joins loop.
311           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
312         } else if (TIL->contains(DestLoop->getHeader())) {
313           // Edge from an outer loop to an inner loop.  Add to the outer loop.
314           TIL->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
315         } else if (DestLoop->contains(TIL->getHeader())) {
316           // Edge from an inner loop to an outer loop.  Add to the outer loop.
317           DestLoop->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
318         } else {
319           // Edge from two loops with no containment relation.  Because these
320           // are natural loops, we know that the destination block must be the
321           // header of its loop (adding a branch into a loop elsewhere would
322           // create an irreducible loop).
323           assert(DestLoop->getHeader() == DestBB &&
324                  "Should not create irreducible loops!");
325           if (Loop *P = DestLoop->getParentLoop())
326             P->addBasicBlockToLoop(NewBB, LI->getBase());
327         }
328       }
329       // If TIBB is in a loop and DestBB is outside of that loop, split the
330       // other exit blocks of the loop that also have predecessors outside
331       // the loop, to maintain a LoopSimplify guarantee.
332       if (!TIL->contains(DestBB) &&
333           P->mustPreserveAnalysisID(LoopSimplifyID)) {
334         assert(!TIL->contains(NewBB) &&
335                "Split point for loop exit is contained in loop!");
336
337         // Update LCSSA form in the newly created exit block.
338         if (P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID)) {
339           SmallVector<BasicBlock *, 1> OrigPred;
340           OrigPred.push_back(TIBB);
341           CreatePHIsForSplitLoopExit(OrigPred, NewBB, DestBB);
342         }
343
344         // For each unique exit block...
345         SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitBlocks;
346         TIL->getExitBlocks(ExitBlocks);
347         for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
348           // Collect all the preds that are inside the loop, and note
349           // whether there are any preds outside the loop.
350           SmallVector<BasicBlock *, 4> Preds;
351           bool HasPredOutsideOfLoop = false;
352           BasicBlock *Exit = ExitBlocks[i];
353           for (pred_iterator I = pred_begin(Exit), E = pred_end(Exit);
354                I != E; ++I)
355             if (TIL->contains(*I))
356               Preds.push_back(*I);
357             else
358               HasPredOutsideOfLoop = true;
359           // If there are any preds not in the loop, we'll need to split
360           // the edges. The Preds.empty() check is needed because a block
361           // may appear multiple times in the list. We can't use
362           // getUniqueExitBlocks above because that depends on LoopSimplify
363           // form, which we're in the process of restoring!
364           if (!Preds.empty() && HasPredOutsideOfLoop) {
365             BasicBlock *NewExitBB =
366               SplitBlockPredecessors(Exit, Preds.data(), Preds.size(),
367                                      "split", P);
368             if (P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID))
369               CreatePHIsForSplitLoopExit(Preds, NewExitBB, Exit);
370           }
371         }
372       }
373       // LCSSA form was updated above for the case where LoopSimplify is
374       // available, which means that all predecessors of loop exit blocks
375       // are within the loop. Without LoopSimplify form, it would be
376       // necessary to insert a new phi.
377       assert((!P->mustPreserveAnalysisID(LCSSAID) ||
378               P->mustPreserveAnalysisID(LoopSimplifyID)) &&
379              "SplitCriticalEdge doesn't know how to update LCCSA form "
380              "without LoopSimplify!");
381     }
382   }
383
384   // Update ProfileInfo if it is around.
385   if (ProfileInfo *PI = P->getAnalysisIfAvailable<ProfileInfo>()) {
386     PI->splitEdge(TIBB,DestBB,NewBB,MergeIdenticalEdges);
387   }
388
389   return NewBB;
390 }