lib/Transforms/Utils/LowerSwitch.cpp

   1 //===- LowerSwitch.cpp - Eliminate Switch instructions --------------------===//
   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 // The LowerSwitch transformation rewrites switch instructions with a sequence
  11 // of branches, which allows targets to get away with not implementing the
  12 // switch instruction until it is convenient.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  17 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  18 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  19 #include "llvm/IR/Constants.h"
  20 #include "llvm/IR/Function.h"
  21 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  22 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  23 #include "llvm/IR/CFG.h"
  24 #include "llvm/Pass.h"
  25 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  26 #include "llvm/Support/Debug.h"
  27 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  28 #include "llvm/Transforms/Utils/UnifyFunctionExitNodes.h"
  29 #include <algorithm>
  30 using namespace llvm;
  31
  32 #define DEBUG_TYPE "lower-switch"
  33
  34 namespace {
  35   /// LowerSwitch Pass - Replace all SwitchInst instructions with chained branch
  36   /// instructions.
  37   class LowerSwitch : public FunctionPass {
  38   public:
  39     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  40     LowerSwitch() : FunctionPass(ID) {
  41       initializeLowerSwitchPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  42     }
  43
  44     bool runOnFunction(Function &F) override;
  45
  46     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
  47       // This is a cluster of orthogonal Transforms
  48       AU.addPreserved<UnifyFunctionExitNodes>();
  49       AU.addPreserved("mem2reg");
  50       AU.addPreservedID(LowerInvokePassID);
  51     }
  52
  53     struct CaseRange {
  54       Constant* Low;
  55       Constant* High;
  56       BasicBlock* BB;
  57
  58       CaseRange(Constant *low = nullptr, Constant *high = nullptr,
  59                 BasicBlock *bb = nullptr) :
  60         Low(low), High(high), BB(bb) { }
  61     };
  62
  63     typedef std::vector<CaseRange> CaseVector;
  64     typedef std::vector<CaseRange>::iterator CaseItr;
  65   private:
  66     void processSwitchInst(SwitchInst *SI);
  67
  68     BasicBlock *switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
  69                               ConstantInt *LowerBound, ConstantInt *UpperBound,
  70                               Value *Val, BasicBlock *Predecessor,
  71                               BasicBlock *OrigBlock, BasicBlock *Default);
  72     BasicBlock *newLeafBlock(CaseRange &Leaf, Value *Val, BasicBlock *OrigBlock,
  73                              BasicBlock *Default);
  74     unsigned Clusterify(CaseVector &Cases, SwitchInst *SI);
  75   };
  76
  77   /// The comparison function for sorting the switch case values in the vector.
  78   /// WARNING: Case ranges should be disjoint!
  79   struct CaseCmp {
  80     bool operator () (const LowerSwitch::CaseRange& C1,
  81                       const LowerSwitch::CaseRange& C2) {
  82
  83       const ConstantInt* CI1 = cast<const ConstantInt>(C1.Low);
  84       const ConstantInt* CI2 = cast<const ConstantInt>(C2.High);
  85       return CI1->getValue().slt(CI2->getValue());
  86     }
  87   };
  88 }
  89
  90 char LowerSwitch::ID = 0;
  91 INITIALIZE_PASS(LowerSwitch, "lowerswitch",
  92                 "Lower SwitchInst's to branches", false, false)
  93
  94 // Publicly exposed interface to pass...
  95 char &llvm::LowerSwitchID = LowerSwitch::ID;
  96 // createLowerSwitchPass - Interface to this file...
  97 FunctionPass *llvm::createLowerSwitchPass() {
  98   return new LowerSwitch();
  99 }
 100
 101 bool LowerSwitch::runOnFunction(Function &F) {
 102   bool Changed = false;
 103
 104   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ) {
 105     BasicBlock *Cur = I++; // Advance over block so we don't traverse new blocks
 106
 107     if (SwitchInst *SI = dyn_cast<SwitchInst>(Cur->getTerminator())) {
 108       Changed = true;
 109       processSwitchInst(SI);
 110     }
 111   }
 112
 113   return Changed;
 114 }
 115
 116 // operator<< - Used for debugging purposes.
 117 //
 118 static raw_ostream& operator<<(raw_ostream &O,
 119                                const LowerSwitch::CaseVector &C)
 120     LLVM_ATTRIBUTE_USED;
 121 static raw_ostream& operator<<(raw_ostream &O,
 122                                const LowerSwitch::CaseVector &C) {
 123   O << "[";
 124
 125   for (LowerSwitch::CaseVector::const_iterator B = C.begin(),
 126          E = C.end(); B != E; ) {
 127     O << *B->Low << " -" << *B->High;
 128     if (++B != E) O << ", ";
 129   }
 130
 131   return O << "]";
 132 }
 133
 134 // \brief Update the first occurrence of the "switch statement" BB in the PHI
 135 // node with the "new" BB. The other occurrences will:
 136 //
 137 // 1) Be updated by subsequent calls to this function.  Switch statements may
 138 // have more than one outcoming edge into the same BB if they all have the same
 139 // value. When the switch statement is converted these incoming edges are now
 140 // coming from multiple BBs.
 141 // 2) Removed if subsequent incoming values now share the same case, i.e.,
 142 // multiple outcome edges are condensed into one. This is necessary to keep the
 143 // number of phi values equal to the number of branches to SuccBB.
 144 static void fixPhis(BasicBlock *SuccBB, BasicBlock *OrigBB, BasicBlock *NewBB,
 145                     unsigned NumMergedCases) {
 146   for (BasicBlock::iterator I = SuccBB->begin(), IE = SuccBB->getFirstNonPHI();
 147        I != IE; ++I) {
 148     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
 149
 150     // Only update the first occurence.
 151     unsigned Idx = 0, E = PN->getNumIncomingValues();
 152     for (; Idx != E; ++Idx) {
 153       if (PN->getIncomingBlock(Idx) == OrigBB) {
 154         PN->setIncomingBlock(Idx, NewBB);
 155         break;
 156       }
 157     }
 158
 159     // Remove additional occurences coming from condensed cases and keep the
 160     // number of incoming values equal to the number of branches to SuccBB.
 161     for (++Idx; NumMergedCases > 0 && Idx != E; ++Idx)
 162       if (PN->getIncomingBlock(Idx) == OrigBB) {
 163         PN->removeIncomingValue(Idx);
 164         NumMergedCases--;
 165       }
 166   }
 167 }
 168
 169 // switchConvert - Convert the switch statement into a binary lookup of
 170 // the case values. The function recursively builds this tree.
 171 // LowerBound and UpperBound are used to keep track of the bounds for Val
 172 // that have already been checked by a block emitted by one of the previous
 173 // calls to switchConvert in the call stack.
 174 BasicBlock *LowerSwitch::switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
 175                                        ConstantInt *LowerBound,
 176                                        ConstantInt *UpperBound, Value *Val,
 177                                        BasicBlock *Predecessor,
 178                                        BasicBlock *OrigBlock,
 179                                        BasicBlock *Default) {
 180   unsigned Size = End - Begin;
 181
 182   if (Size == 1) {
 183     // Check if the Case Range is perfectly squeezed in between
 184     // already checked Upper and Lower bounds. If it is then we can avoid
 185     // emitting the code that checks if the value actually falls in the range
 186     // because the bounds already tell us so.
 187     if (Begin->Low == LowerBound && Begin->High == UpperBound) {
 188       unsigned NumMergedCases = 0;
 189       if (LowerBound && UpperBound)
 190         NumMergedCases =
 191             UpperBound->getSExtValue() - LowerBound->getSExtValue();
 192       fixPhis(Begin->BB, OrigBlock, Predecessor, NumMergedCases);
 193       return Begin->BB;
 194     }
 195     return newLeafBlock(*Begin, Val, OrigBlock, Default);
 196   }
 197
 198   unsigned Mid = Size / 2;
 199   std::vector<CaseRange> LHS(Begin, Begin + Mid);
 200   DEBUG(dbgs() << "LHS: " << LHS << "\n");
 201   std::vector<CaseRange> RHS(Begin + Mid, End);
 202   DEBUG(dbgs() << "RHS: " << RHS << "\n");
 203
 204   CaseRange &Pivot = *(Begin + Mid);
 205   DEBUG(dbgs() << "Pivot ==> "
 206                << cast<ConstantInt>(Pivot.Low)->getValue()
 207                << " -" << cast<ConstantInt>(Pivot.High)->getValue() << "\n");
 208
 209   // NewLowerBound here should never be the integer minimal value.
 210   // This is because it is computed from a case range that is never
 211   // the smallest, so there is always a case range that has at least
 212   // a smaller value.
 213   ConstantInt *NewLowerBound = cast<ConstantInt>(Pivot.Low);
 214   ConstantInt *NewUpperBound;
 215
 216   // If we don't have a Default block then it means that we can never
 217   // have a value outside of a case range, so set the UpperBound to the highest
 218   // value in the LHS part of the case ranges.
 219   if (Default != nullptr) {
 220     // Because NewLowerBound is never the smallest representable integer
 221     // it is safe here to subtract one.
 222     NewUpperBound = ConstantInt::get(NewLowerBound->getContext(),
 223                                      NewLowerBound->getValue() - 1);
 224   } else {
 225     CaseItr LastLHS = LHS.begin() + LHS.size() - 1;
 226     NewUpperBound = cast<ConstantInt>(LastLHS->High);
 227   }
 228
 229   DEBUG(dbgs() << "LHS Bounds ==> ";
 230         if (LowerBound) {
 231           dbgs() << cast<ConstantInt>(LowerBound)->getSExtValue();
 232         } else {
 233           dbgs() << "NONE";
 234         }
 235         dbgs() << " - " << NewUpperBound->getSExtValue() << "\n";
 236         dbgs() << "RHS Bounds ==> ";
 237         dbgs() << NewLowerBound->getSExtValue() << " - ";
 238         if (UpperBound) {
 239           dbgs() << cast<ConstantInt>(UpperBound)->getSExtValue() << "\n";
 240         } else {
 241           dbgs() << "NONE\n";
 242         });
 243
 244   // Create a new node that checks if the value is < pivot. Go to the
 245   // left branch if it is and right branch if not.
 246   Function* F = OrigBlock->getParent();
 247   BasicBlock* NewNode = BasicBlock::Create(Val->getContext(), "NodeBlock");
 248
 249   ICmpInst* Comp = new ICmpInst(ICmpInst::ICMP_SLT,
 250                                 Val, Pivot.Low, "Pivot");
 251
 252   BasicBlock *LBranch = switchConvert(LHS.begin(), LHS.end(), LowerBound,
 253                                       NewUpperBound, Val, NewNode, OrigBlock,
 254                                       Default);
 255   BasicBlock *RBranch = switchConvert(RHS.begin(), RHS.end(), NewLowerBound,
 256                                       UpperBound, Val, NewNode, OrigBlock,
 257                                       Default);
 258
 259   Function::iterator FI = OrigBlock;
 260   F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewNode);
 261   NewNode->getInstList().push_back(Comp);
 262
 263   BranchInst::Create(LBranch, RBranch, Comp, NewNode);
 264   return NewNode;
 265 }
 266
 267 // newLeafBlock - Create a new leaf block for the binary lookup tree. It
 268 // checks if the switch's value == the case's value. If not, then it
 269 // jumps to the default branch. At this point in the tree, the value
 270 // can't be another valid case value, so the jump to the "default" branch
 271 // is warranted.
 272 //
 273 BasicBlock* LowerSwitch::newLeafBlock(CaseRange& Leaf, Value* Val,
 274                                       BasicBlock* OrigBlock,
 275                                       BasicBlock* Default)
 276 {
 277   Function* F = OrigBlock->getParent();
 278   BasicBlock* NewLeaf = BasicBlock::Create(Val->getContext(), "LeafBlock");
 279   Function::iterator FI = OrigBlock;
 280   F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewLeaf);
 281
 282   // Emit comparison
 283   ICmpInst* Comp = nullptr;
 284   if (Leaf.Low == Leaf.High) {
 285     // Make the seteq instruction...
 286     Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_EQ, Val,
 287                         Leaf.Low, "SwitchLeaf");
 288   } else {
 289     // Make range comparison
 290     if (cast<ConstantInt>(Leaf.Low)->isMinValue(true /*isSigned*/)) {
 291       // Val >= Min && Val <= Hi --> Val <= Hi
 292       Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_SLE, Val, Leaf.High,
 293                           "SwitchLeaf");
 294     } else if (cast<ConstantInt>(Leaf.Low)->isZero()) {
 295       // Val >= 0 && Val <= Hi --> Val <=u Hi
 296       Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_ULE, Val, Leaf.High,
 297                           "SwitchLeaf");
 298     } else {
 299       // Emit V-Lo <=u Hi-Lo
 300       Constant* NegLo = ConstantExpr::getNeg(Leaf.Low);
 301       Instruction* Add = BinaryOperator::CreateAdd(Val, NegLo,
 302                                                    Val->getName()+".off",
 303                                                    NewLeaf);
 304       Constant *UpperBound = ConstantExpr::getAdd(NegLo, Leaf.High);
 305       Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_ULE, Add, UpperBound,
 306                           "SwitchLeaf");
 307     }
 308   }
 309
 310   // Make the conditional branch...
 311   BasicBlock* Succ = Leaf.BB;
 312   BranchInst::Create(Succ, Default, Comp, NewLeaf);
 313
 314   // If there were any PHI nodes in this successor, rewrite one entry
 315   // from OrigBlock to come from NewLeaf.
 316   for (BasicBlock::iterator I = Succ->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 317     PHINode* PN = cast<PHINode>(I);
 318     // Remove all but one incoming entries from the cluster
 319     uint64_t Range = cast<ConstantInt>(Leaf.High)->getSExtValue() -
 320                      cast<ConstantInt>(Leaf.Low)->getSExtValue();
 321     for (uint64_t j = 0; j < Range; ++j) {
 322       PN->removeIncomingValue(OrigBlock);
 323     }
 324
 325     int BlockIdx = PN->getBasicBlockIndex(OrigBlock);
 326     assert(BlockIdx != -1 && "Switch didn't go to this successor??");
 327     PN->setIncomingBlock((unsigned)BlockIdx, NewLeaf);
 328   }
 329
 330   return NewLeaf;
 331 }
 332
 333 // Clusterify - Transform simple list of Cases into list of CaseRange's
 334 unsigned LowerSwitch::Clusterify(CaseVector& Cases, SwitchInst *SI) {
 335   unsigned numCmps = 0;
 336
 337   // Start with "simple" cases
 338   for (SwitchInst::CaseIt i = SI->case_begin(), e = SI->case_end(); i != e; ++i)
 339     Cases.push_back(CaseRange(i.getCaseValue(), i.getCaseValue(),
 340                               i.getCaseSuccessor()));
 341
 342   std::sort(Cases.begin(), Cases.end(), CaseCmp());
 343
 344   // Merge case into clusters
 345   if (Cases.size()>=2)
 346     for (CaseItr I = Cases.begin(), J = std::next(Cases.begin());
 347          J != Cases.end();) {
 348       int64_t nextValue = cast<ConstantInt>(J->Low)->getSExtValue();
 349       int64_t currentValue = cast<ConstantInt>(I->High)->getSExtValue();
 350       BasicBlock* nextBB = J->BB;
 351       BasicBlock* currentBB = I->BB;
 352
 353       // If the two neighboring cases go to the same destination, merge them
 354       // into a single case.
 355       if ((nextValue-currentValue==1) && (currentBB == nextBB)) {
 356         I->High = J->High;
 357         J = Cases.erase(J);
 358       } else {
 359         I = J++;
 360       }
 361     }
 362
 363   for (CaseItr I=Cases.begin(), E=Cases.end(); I!=E; ++I, ++numCmps) {
 364     if (I->Low != I->High)
 365       // A range counts double, since it requires two compares.
 366       ++numCmps;
 367   }
 368
 369   return numCmps;
 370 }
 371
 372 // processSwitchInst - Replace the specified switch instruction with a sequence
 373 // of chained if-then insts in a balanced binary search.
 374 //
 375 void LowerSwitch::processSwitchInst(SwitchInst *SI) {
 376   BasicBlock *CurBlock = SI->getParent();
 377   BasicBlock *OrigBlock = CurBlock;
 378   Function *F = CurBlock->getParent();
 379   Value *Val = SI->getCondition();  // The value we are switching on...
 380   BasicBlock* Default = SI->getDefaultDest();
 381
 382   // If there is only the default destination, don't bother with the code below.
 383   if (!SI->getNumCases()) {
 384     BranchInst::Create(SI->getDefaultDest(), CurBlock);
 385     CurBlock->getInstList().erase(SI);
 386     return;
 387   }
 388
 389   const bool DefaultIsUnreachable =
 390       Default->size() == 1 && isa<UnreachableInst>(Default->getTerminator());
 391   // Create a new, empty default block so that the new hierarchy of
 392   // if-then statements go to this and the PHI nodes are happy.
 393   // if the default block is set as an unreachable we avoid creating one
 394   // because will never be a valid target.
 395   BasicBlock *NewDefault = nullptr;
 396   if (!DefaultIsUnreachable) {
 397     NewDefault = BasicBlock::Create(SI->getContext(), "NewDefault");
 398     F->getBasicBlockList().insert(Default, NewDefault);
 399
 400     BranchInst::Create(Default, NewDefault);
 401   }
 402   // If there is an entry in any PHI nodes for the default edge, make sure
 403   // to update them as well.
 404   for (BasicBlock::iterator I = Default->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
 405     PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
 406     int BlockIdx = PN->getBasicBlockIndex(OrigBlock);
 407     assert(BlockIdx != -1 && "Switch didn't go to this successor??");
 408     PN->setIncomingBlock((unsigned)BlockIdx, NewDefault);
 409   }
 410
 411   // Prepare cases vector.
 412   CaseVector Cases;
 413   unsigned numCmps = Clusterify(Cases, SI);
 414
 415   DEBUG(dbgs() << "Clusterify finished. Total clusters: " << Cases.size()
 416                << ". Total compares: " << numCmps << "\n");
 417   DEBUG(dbgs() << "Cases: " << Cases << "\n");
 418   (void)numCmps;
 419
 420   ConstantInt *UpperBound = nullptr;
 421   ConstantInt *LowerBound = nullptr;
 422
 423   // Optimize the condition where Default is an unreachable block. In this case
 424   // we can make the bounds tightly fitted around the case value ranges,
 425   // because we know that the value passed to the switch should always be
 426   // exactly one of the case values.
 427   if (DefaultIsUnreachable) {
 428     CaseItr LastCase = Cases.begin() + Cases.size() - 1;
 429     UpperBound = cast<ConstantInt>(LastCase->High);
 430     LowerBound = cast<ConstantInt>(Cases.begin()->Low);
 431   }
 432   BasicBlock *SwitchBlock =
 433       switchConvert(Cases.begin(), Cases.end(), LowerBound, UpperBound, Val,
 434                     OrigBlock, OrigBlock, NewDefault);
 435
 436   // Branch to our shiny new if-then stuff...
 437   BranchInst::Create(SwitchBlock, OrigBlock);
 438
 439   // We are now done with the switch instruction, delete it.
 440   CurBlock->getInstList().erase(SI);
 441
 442   pred_iterator PI = pred_begin(Default), E = pred_end(Default);
 443   // If the Default block has no more predecessors just remove it
 444   if (PI == E) {
 445     DeleteDeadBlock(Default);
 446   }
 447 }