LowerSwitch: replace unreachable default with popular case destination
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / LowerSwitch.cpp
index 17e40e1a23a6f73766f6cdc8afab69551c24e645..0a1e138e1b31dd8642477e8a37333ab3d707432e 100644 (file)
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
 #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/LLVMContext.h"
-#include "llvm/Pass.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
-#include "llvm/Support/Debug.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/raw_ostream.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/UnifyFunctionExitNodes.h"
 #include <algorithm>
 using namespace llvm;
 
+#define DEBUG_TYPE "lower-switch"
+
 namespace {
+  struct IntRange {
+    int64_t Low, High;
+  };
+  // Return true iff R is covered by Ranges.
+  static bool IsInRanges(const IntRange &R,
+                         const std::vector<IntRange> &Ranges) {
+    // Note: Ranges must be sorted, non-overlapping and non-adjacent.
+
+    // Find the first range whose High field is >= R.High,
+    // then check if the Low field is <= R.Low. If so, we
+    // have a Range that covers R.
+    auto I = std::lower_bound(
+        Ranges.begin(), Ranges.end(), R,
+        [](const IntRange &A, const IntRange &B) { return A.High < B.High; });
+    return I != Ranges.end() && I->Low <= R.Low;
+  }
+
   /// 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:
     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
-    LowerSwitch() : FunctionPass(&ID) {} 
+    LowerSwitch() : FunctionPass(ID) {
+      initializeLowerSwitchPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+    } 
 
-    virtual bool runOnFunction(Function &F);
-    
-    virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
+    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.addPreserved("mem2reg");
       AU.addPreservedID(LowerInvokePassID);
-      AU.addPreservedID(LowerAllocationsID);
     }
 
     struct CaseRange {
@@ -51,21 +72,24 @@ namespace {
       Constant* High;
       BasicBlock* BB;
 
-      CaseRange() : Low(0), High(0), BB(0) { }
-      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> 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(CaseRange& Leaf, Value* Val,
-                             BasicBlock* OrigBlock, BasicBlock* Default);
-    unsigned Clusterify(CaseVector& Cases, SwitchInst *SI);
+    BasicBlock *switchConvert(CaseItr Begin, CaseItr End,
+                              ConstantInt *LowerBound, ConstantInt *UpperBound,
+                              Value *Val, BasicBlock *Predecessor,
+                              BasicBlock *OrigBlock, BasicBlock *Default,
+                              const std::vector<IntRange> &UnreachableRanges);
+    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.
@@ -82,11 +106,11 @@ namespace {
 }
 
 char LowerSwitch::ID = 0;
-static RegisterPass<LowerSwitch>
-X("lowerswitch", "Lower SwitchInst's to branches");
+INITIALIZE_PASS(LowerSwitch, "lowerswitch",
+                "Lower SwitchInst's to branches", false, false)
 
-// Publically exposed interface to pass...
-const PassInfo *const llvm::LowerSwitchID = &X;
+// Publicly exposed interface to pass...
+char &llvm::LowerSwitchID = LowerSwitch::ID;
 // createLowerSwitchPass - Interface to this file...
 FunctionPass *llvm::createLowerSwitchPass() {
   return new LowerSwitch();
@@ -109,6 +133,9 @@ bool LowerSwitch::runOnFunction(Function &F) {
 
 // operator<< - Used for debugging purposes.
 //
+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 << "[";
@@ -122,44 +149,136 @@ static raw_ostream& operator<<(raw_ostream &O,
   return O << "]";
 }
 
+// \brief Update the first occurrence of the "switch statement" BB in the PHI
+// node with the "new" BB. The other occurrences will:
+//
+// 1) Be updated by subsequent calls to this function.  Switch statements may
+// have more than one outcoming edge into the same BB if they all have the same
+// value. When the switch statement is converted these incoming edges are now
+// coming from multiple BBs.
+// 2) Removed if subsequent incoming values now share the same case, i.e.,
+// multiple outcome edges are condensed into one. This is necessary to keep the
+// number of phi values equal to the number of branches to SuccBB.
+static void fixPhis(BasicBlock *SuccBB, BasicBlock *OrigBB, BasicBlock *NewBB,
+                    unsigned NumMergedCases) {
+  for (BasicBlock::iterator I = SuccBB->begin(), IE = SuccBB->getFirstNonPHI();
+       I != IE; ++I) {
+    PHINode *PN = cast<PHINode>(I);
+
+    // Only update the first occurence.
+    unsigned Idx = 0, E = PN->getNumIncomingValues();
+    unsigned LocalNumMergedCases = NumMergedCases;
+    for (; Idx != E; ++Idx) {
+      if (PN->getIncomingBlock(Idx) == OrigBB) {
+        PN->setIncomingBlock(Idx, NewBB);
+        break;
+      }
+    }
+
+    // Remove additional occurences coming from condensed cases and keep the
+    // number of incoming values equal to the number of branches to SuccBB.
+    for (++Idx; LocalNumMergedCases > 0 && Idx < E; ++Idx)
+      if (PN->getIncomingBlock(Idx) == OrigBB) {
+        PN->removeIncomingValue(Idx);
+        LocalNumMergedCases--;
+      }
+  }
+}
+
 // 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,
+                           const std::vector<IntRange> &UnreachableRanges) {
   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) {
+      unsigned NumMergedCases = 0;
+      if (LowerBound && UpperBound)
+        NumMergedCases =
+            UpperBound->getSExtValue() - LowerBound->getSExtValue();
+      fixPhis(Begin->BB, OrigBlock, Predecessor, NumMergedCases);
+      return Begin->BB;
+    }
     return newLeafBlock(*Begin, Val, OrigBlock, Default);
+  }
 
   unsigned Mid = Size / 2;
   std::vector<CaseRange> LHS(Begin, Begin + Mid);
-  DEBUG(errs() << "LHS: " << LHS << "\n");
+  DEBUG(dbgs() << "LHS: " << LHS << "\n");
   std::vector<CaseRange> RHS(Begin + Mid, End);
-  DEBUG(errs() << "RHS: " << RHS << "\n");
-
-  CaseRange& Pivot = *(Begin + Mid);
-  DEBUG(errs() << "Pivot ==> " 
-               << cast<ConstantInt>(Pivot.Low)->getValue() << " -"
-               << cast<ConstantInt>(Pivot.High)->getValue() << "\n");
+  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);
+
+  // Because NewLowerBound is never the smallest representable integer
+  // it is safe here to subtract one.
+  ConstantInt *NewUpperBound = ConstantInt::get(NewLowerBound->getContext(),
+                                                NewLowerBound->getValue() - 1);
+
+  if (!UnreachableRanges.empty()) {
+    // Check if the gap between LHS's highest and NewLowerBound is unreachable.
+    int64_t GapLow = cast<ConstantInt>(LHS.back().High)->getSExtValue() + 1;
+    int64_t GapHigh = NewLowerBound->getSExtValue() - 1;
+    IntRange Gap = { GapLow, GapHigh };
+    if (GapHigh >= GapLow && IsInRanges(Gap, UnreachableRanges))
+      NewUpperBound = cast<ConstantInt>(LHS.back().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 = BasicBlock::Create("NodeBlock");
-  Function::iterator FI = OrigBlock;
-  F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewNode);
+  BasicBlock* NewNode = BasicBlock::Create(Val->getContext(), "NodeBlock");
 
-  ICmpInst* Comp = new ICmpInst(Default->getContext(), ICmpInst::ICMP_SLT,
+  ICmpInst* Comp = new ICmpInst(ICmpInst::ICMP_SLT,
                                 Val, Pivot.Low, "Pivot");
+
+  BasicBlock *LBranch = switchConvert(LHS.begin(), LHS.end(), LowerBound,
+                                      NewUpperBound, Val, NewNode, OrigBlock,
+                                      Default, UnreachableRanges);
+  BasicBlock *RBranch = switchConvert(RHS.begin(), RHS.end(), NewLowerBound,
+                                      UpperBound, Val, NewNode, OrigBlock,
+                                      Default, UnreachableRanges);
+
+  Function::iterator FI = OrigBlock;
+  F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewNode);
   NewNode->getInstList().push_back(Comp);
+
   BranchInst::Create(LBranch, RBranch, Comp, NewNode);
   return NewNode;
 }
@@ -175,13 +294,12 @@ BasicBlock* LowerSwitch::newLeafBlock(CaseRange& Leaf, Value* Val,
                                       BasicBlock* Default)
 {
   Function* F = OrigBlock->getParent();
-  LLVMContext &Context = F->getContext();
-  BasicBlock* NewLeaf = BasicBlock::Create("LeafBlock");
+  BasicBlock* NewLeaf = BasicBlock::Create(Val->getContext(), "LeafBlock");
   Function::iterator FI = OrigBlock;
   F->getBasicBlockList().insert(++FI, NewLeaf);
 
   // Emit comparison
-  ICmpInst* Comp = NULL;
+  ICmpInst* Comp = nullptr;
   if (Leaf.Low == Leaf.High) {
     // Make the seteq instruction...
     Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_EQ, Val,
@@ -198,11 +316,11 @@ BasicBlock* LowerSwitch::newLeafBlock(CaseRange& Leaf, Value* Val,
                           "SwitchLeaf");      
     } else {
       // Emit V-Lo <=u Hi-Lo
-      Constant* NegLo = Context.getConstantExprNeg(Leaf.Low);
+      Constant* NegLo = ConstantExpr::getNeg(Leaf.Low);
       Instruction* Add = BinaryOperator::CreateAdd(Val, NegLo,
                                                    Val->getName()+".off",
                                                    NewLeaf);
-      Constant *UpperBound = Context.getConstantExprAdd(NegLo, Leaf.High);
+      Constant *UpperBound = ConstantExpr::getAdd(NegLo, Leaf.High);
       Comp = new ICmpInst(*NewLeaf, ICmpInst::ICMP_ULE, Add, UpperBound,
                           "SwitchLeaf");
     }
@@ -236,15 +354,16 @@ unsigned LowerSwitch::Clusterify(CaseVector& Cases, SwitchInst *SI) {
   unsigned numCmps = 0;
 
   // Start with "simple" cases
-  for (unsigned i = 1; i < SI->getNumSuccessors(); ++i)
-    Cases.push_back(CaseRange(SI->getSuccessorValue(i),
-                              SI->getSuccessorValue(i),
-                              SI->getSuccessor(i)));
+  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=next(Cases.begin()); J!=Cases.end(); ) {
+    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;
@@ -276,21 +395,103 @@ 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) {
-    BranchInst::Create(SI->getDefaultDest(), CurBlock);
-    CurBlock->getInstList().erase(SI);
+  // If there is only the default destination, just branch.
+  if (!SI->getNumCases()) {
+    BranchInst::Create(Default, CurBlock);
+    SI->eraseFromParent();
     return;
   }
 
+  // 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 *LowerBound = nullptr;
+  ConstantInt *UpperBound = nullptr;
+  std::vector<IntRange> UnreachableRanges;
+
+  if (isa<UnreachableInst>(Default->getFirstNonPHIOrDbg())) {
+    // Make the bounds tightly fitted around the case value range, becase we
+    // know that the value passed to the switch must be exactly one of the case
+    // values.
+    assert(!Cases.empty());
+    LowerBound = cast<ConstantInt>(Cases.front().Low);
+    UpperBound = cast<ConstantInt>(Cases.back().High);
+
+    DenseMap<BasicBlock *, unsigned> Popularity;
+    unsigned MaxPop = 0;
+    BasicBlock *PopSucc = nullptr;
+
+    IntRange R = { INT64_MIN, INT64_MAX };
+    UnreachableRanges.push_back(R);
+    for (const auto &I : Cases) {
+      int64_t Low = cast<ConstantInt>(I.Low)->getSExtValue();
+      int64_t High = cast<ConstantInt>(I.High)->getSExtValue();
+
+      IntRange &LastRange = UnreachableRanges.back();
+      if (LastRange.Low == Low) {
+        // There is nothing left of the previous range.
+        UnreachableRanges.pop_back();
+      } else {
+        // Terminate the previous range.
+        assert(Low > LastRange.Low);
+        LastRange.High = Low - 1;
+      }
+      if (High != INT64_MAX) {
+        IntRange R = { High + 1, INT64_MAX };
+        UnreachableRanges.push_back(R);
+      }
+
+      // Count popularity.
+      int64_t N = High - Low + 1;
+      unsigned &Pop = Popularity[I.BB];
+      if ((Pop += N) > MaxPop) {
+        MaxPop = Pop;
+        PopSucc = I.BB;
+      }
+    }
+#ifndef NDEBUG
+    /* UnreachableRanges should be sorted and the ranges non-adjacent. */
+    for (auto I = UnreachableRanges.begin(), E = UnreachableRanges.end();
+         I != E; ++I) {
+      assert(I->Low <= I->High);
+      auto Next = I + 1;
+      if (Next != E) {
+        assert(Next->Low > I->High);
+      }
+    }
+#endif
+
+    // Use the most popular block as the new default, reducing the number of
+    // cases.
+    assert(MaxPop > 0 && PopSucc);
+    Default = PopSucc;
+    for (CaseItr I = Cases.begin(); I != Cases.end();) {
+      if (I->BB == PopSucc)
+        I = Cases.erase(I);
+      else
+        ++I;
+    }
+
+    // If there are no cases left, just branch.
+    if (Cases.empty()) {
+      BranchInst::Create(Default, CurBlock);
+      SI->eraseFromParent();
+      return;
+    }
+  }
+
   // 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 = BasicBlock::Create("NewDefault");
+  BasicBlock *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
@@ -302,21 +503,18 @@ void LowerSwitch::processSwitchInst(SwitchInst *SI) {
     PN->setIncomingBlock((unsigned)BlockIdx, NewDefault);
   }
 
-  // Prepare cases vector.
-  CaseVector Cases;
-  unsigned numCmps = Clusterify(Cases, SI);
-
-  DEBUG(errs() << "Clusterify finished. Total clusters: " << Cases.size()
-               << ". Total compares: " << numCmps << "\n");
-  DEBUG(errs() << "Cases: " << Cases << "\n");
-  (void)numCmps;
-  
-  BasicBlock* SwitchBlock = switchConvert(Cases.begin(), Cases.end(), Val,
-                                          OrigBlock, NewDefault);
+  BasicBlock *SwitchBlock =
+      switchConvert(Cases.begin(), Cases.end(), LowerBound, UpperBound, Val,
+                    OrigBlock, OrigBlock, NewDefault, UnreachableRanges);
 
   // Branch to our shiny new if-then stuff...
   BranchInst::Create(SwitchBlock, OrigBlock);
 
   // We are now done with the switch instruction, delete it.
+  BasicBlock *OldDefault = SI->getDefaultDest();
   CurBlock->getInstList().erase(SI);
+
+  // If the Default block has no more predecessors just remove it.
+  if (pred_begin(OldDefault) == pred_end(OldDefault))
+    DeleteDeadBlock(OldDefault);
 }