Do not copy gigantic switch instructions
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / TailDuplication.cpp
1 //===- TailDuplication.cpp - Simplify CFG through tail duplication --------===//
2 // 
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 // 
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs a limited form of tail duplication, intended to simplify
11 // CFGs by removing some unconditional branches.  This pass is necessary to
12 // straighten out loops created by the C front-end, but also is capable of
13 // making other code nicer.  After this pass is run, the CFG simplify pass
14 // should be run to clean up the mess.
15 //
16 // This pass could be enhanced in the future to use profile information to be
17 // more aggressive.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
22 #include "llvm/Constant.h"
23 #include "llvm/Function.h"
24 #include "llvm/iPHINode.h"
25 #include "llvm/iTerminators.h"
26 #include "llvm/Pass.h"
27 #include "llvm/Type.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "llvm/Support/ValueHolder.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "Support/Debug.h"
32 #include "Support/Statistic.h"
33 using namespace llvm;
34
35 namespace {
36   Statistic<> NumEliminated("tailduplicate",
37                             "Number of unconditional branches eliminated");
38   Statistic<> NumPHINodes("tailduplicate", "Number of phi nodes inserted");
39
40   class TailDup : public FunctionPass {
41     bool runOnFunction(Function &F);
42   private:
43     inline bool shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
44     inline bool canEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI);
45     inline void eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *BI);
46     inline void InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
47                                           BasicBlock *NewBlock);
48     inline Value *GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
49                                   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
50                               std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap);
51     inline Value *GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
52                                    std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
53                                std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap);
54   };
55   RegisterOpt<TailDup> X("tailduplicate", "Tail Duplication");
56 }
57
58 // Public interface to the Tail Duplication pass
59 Pass *llvm::createTailDuplicationPass() { return new TailDup(); }
60
61 /// runOnFunction - Top level algorithm - Loop over each unconditional branch in
62 /// the function, eliminating it if it looks attractive enough.
63 ///
64 bool TailDup::runOnFunction(Function &F) {
65   bool Changed = false;
66   for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; )
67     if (shouldEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator()) &&
68         canEliminateUnconditionalBranch(I->getTerminator())) {
69       eliminateUnconditionalBranch(cast<BranchInst>(I->getTerminator()));
70       Changed = true;
71     } else {
72       ++I;
73     }
74   return Changed;
75 }
76
77 /// shouldEliminateUnconditionalBranch - Return true if this branch looks
78 /// attractive to eliminate.  We eliminate the branch if the destination basic
79 /// block has <= 5 instructions in it, not counting PHI nodes.  In practice,
80 /// since one of these is a terminator instruction, this means that we will add
81 /// up to 4 instructions to the new block.
82 ///
83 /// We don't count PHI nodes in the count since they will be removed when the
84 /// contents of the block are copied over.
85 ///
86 bool TailDup::shouldEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
87   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(TI);
88   if (!BI || !BI->isUnconditional()) return false;  // Not an uncond branch!
89
90   BasicBlock *Dest = BI->getSuccessor(0);
91   if (Dest == BI->getParent()) return false;        // Do not loop infinitely!
92
93   // Do not inline a block if we will just get another branch to the same block!
94   TerminatorInst *DTI = Dest->getTerminator();
95   if (BranchInst *DBI = dyn_cast<BranchInst>(DTI))
96     if (DBI->isUnconditional() && DBI->getSuccessor(0) == Dest)
97       return false;                                 // Do not loop infinitely!
98
99   // Do not bother working on dead blocks...
100   pred_iterator PI = pred_begin(Dest), PE = pred_end(Dest);
101   if (PI == PE && Dest != Dest->getParent()->begin())
102     return false;   // It's just a dead block, ignore it...
103
104   // Also, do not bother with blocks with only a single predecessor: simplify
105   // CFG will fold these two blocks together!
106   ++PI;
107   if (PI == PE) return false;  // Exactly one predecessor!
108
109   BasicBlock::iterator I = Dest->begin();
110   while (isa<PHINode>(*I)) ++I;
111
112   for (unsigned Size = 0; I != Dest->end(); ++Size, ++I)
113     if (Size == 6) return false;  // The block is too large...
114
115   // Do not tail duplicate a block that has thousands of successors into a block
116   // with a single successor if the block has many other predecessors.  This can
117   // cause an N^2 explosion in CFG edges (and PHI node entries), as seen in
118   // cases that have a large number of indirect gotos.
119   if (DTI->getNumSuccessors() > 8)
120     if (std::distance(PI, PE) * DTI->getNumSuccessors() > 128)
121       return false;
122
123   return true;  
124 }
125
126 /// canEliminateUnconditionalBranch - Unfortunately, the general form of tail
127 /// duplication can do very bad things to SSA form, by destroying arbitrary
128 /// relationships between dominators and dominator frontiers as it processes the
129 /// program.  The right solution for this is to have an incrementally updating
130 /// dominator data structure, which can gracefully react to arbitrary
131 /// "addEdge/removeEdge" changes to the CFG.  Implementing this is nontrivial,
132 /// however, so we just disable the transformation in cases where it is not
133 /// currently safe.
134 ///
135 bool TailDup::canEliminateUnconditionalBranch(TerminatorInst *TI) {
136   // Basically, we refuse to make the transformation if any of the values
137   // computed in the 'tail' are used in any other basic blocks.
138   BasicBlock *BB = TI->getParent();
139   BasicBlock *Tail = TI->getSuccessor(0);
140   assert(isa<BranchInst>(TI) && cast<BranchInst>(TI)->isUnconditional());
141   
142   for (BasicBlock::iterator I = Tail->begin(), E = Tail->end(); I != E; ++I)
143     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;
144          ++UI) {
145       Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
146       if (User->getParent() != Tail && User->getParent() != BB)
147         return false;
148
149       // The 'swap' problem foils the tail duplication rewriting code.
150       if (isa<PHINode>(User) && User->getParent() == Tail)
151         return false;
152     }
153   return true;
154 }
155
156
157 /// eliminateUnconditionalBranch - Clone the instructions from the destination
158 /// block into the source block, eliminating the specified unconditional branch.
159 /// If the destination block defines values used by successors of the dest
160 /// block, we may need to insert PHI nodes.
161 ///
162 void TailDup::eliminateUnconditionalBranch(BranchInst *Branch) {
163   BasicBlock *SourceBlock = Branch->getParent();
164   BasicBlock *DestBlock = Branch->getSuccessor(0);
165   assert(SourceBlock != DestBlock && "Our predicate is broken!");
166
167   DEBUG(std::cerr << "TailDuplication[" << SourceBlock->getParent()->getName()
168                   << "]: Eliminating branch: " << *Branch);
169
170   // We are going to have to map operands from the original block B to the new
171   // copy of the block B'.  If there are PHI nodes in the DestBlock, these PHI
172   // nodes also define part of this mapping.  Loop over these PHI nodes, adding
173   // them to our mapping.
174   //
175   std::map<Value*, Value*> ValueMapping;
176
177   BasicBlock::iterator BI = DestBlock->begin();
178   bool HadPHINodes = isa<PHINode>(BI);
179   for (; PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(BI); ++BI)
180     ValueMapping[PN] = PN->getIncomingValueForBlock(SourceBlock);
181
182   // Clone the non-phi instructions of the dest block into the source block,
183   // keeping track of the mapping...
184   //
185   for (; BI != DestBlock->end(); ++BI) {
186     Instruction *New = BI->clone();
187     New->setName(BI->getName());
188     SourceBlock->getInstList().push_back(New);
189     ValueMapping[BI] = New;
190   }
191
192   // Now that we have built the mapping information and cloned all of the
193   // instructions (giving us a new terminator, among other things), walk the new
194   // instructions, rewriting references of old instructions to use new
195   // instructions.
196   //
197   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
198   for (; BI != SourceBlock->end(); ++BI)
199     for (unsigned i = 0, e = BI->getNumOperands(); i != e; ++i)
200       if (Value *Remapped = ValueMapping[BI->getOperand(i)])
201         BI->setOperand(i, Remapped);
202
203   // Next we check to see if any of the successors of DestBlock had PHI nodes.
204   // If so, we need to add entries to the PHI nodes for SourceBlock now.
205   for (succ_iterator SI = succ_begin(DestBlock), SE = succ_end(DestBlock);
206        SI != SE; ++SI) {
207     BasicBlock *Succ = *SI;
208     for (BasicBlock::iterator PNI = Succ->begin();
209          PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(PNI); ++PNI) {
210       // Ok, we have a PHI node.  Figure out what the incoming value was for the
211       // DestBlock.
212       Value *IV = PN->getIncomingValueForBlock(DestBlock);
213       
214       // Remap the value if necessary...
215       if (Value *MappedIV = ValueMapping[IV])
216         IV = MappedIV;
217       PN->addIncoming(IV, SourceBlock);
218     }
219   }
220   
221   // Now that all of the instructions are correctly copied into the SourceBlock,
222   // we have one more minor problem: the successors of the original DestBB may
223   // use the values computed in DestBB either directly (if DestBB dominated the
224   // block), or through a PHI node.  In either case, we need to insert PHI nodes
225   // into any successors of DestBB (which are now our successors) for each value
226   // that is computed in DestBB, but is used outside of it.  All of these uses
227   // we have to rewrite with the new PHI node.
228   //
229   if (succ_begin(SourceBlock) != succ_end(SourceBlock)) // Avoid wasting time...
230     for (BI = DestBlock->begin(); BI != DestBlock->end(); ++BI)
231       if (BI->getType() != Type::VoidTy)
232         InsertPHINodesIfNecessary(BI, ValueMapping[BI], SourceBlock);
233
234   // Final step: now that we have finished everything up, walk the cloned
235   // instructions one last time, constant propagating and DCE'ing them, because
236   // they may not be needed anymore.
237   //
238   BI = Branch; ++BI;  // Get an iterator to the first new instruction
239   if (HadPHINodes)
240     while (BI != SourceBlock->end())
241       if (!dceInstruction(BI) && !doConstantPropagation(BI))
242         ++BI;
243
244   DestBlock->removePredecessor(SourceBlock); // Remove entries in PHI nodes...
245   SourceBlock->getInstList().erase(Branch);  // Destroy the uncond branch...
246   
247   ++NumEliminated;  // We just killed a branch!
248 }
249
250 /// InsertPHINodesIfNecessary - So at this point, we cloned the OrigInst
251 /// instruction into the NewBlock with the value of NewInst.  If OrigInst was
252 /// used outside of its defining basic block, we need to insert a PHI nodes into
253 /// the successors.
254 ///
255 void TailDup::InsertPHINodesIfNecessary(Instruction *OrigInst, Value *NewInst,
256                                         BasicBlock *NewBlock) {
257   // Loop over all of the uses of OrigInst, rewriting them to be newly inserted
258   // PHI nodes, unless they are in the same basic block as OrigInst.
259   BasicBlock *OrigBlock = OrigInst->getParent();
260   std::vector<Instruction*> Users;
261   Users.reserve(OrigInst->use_size());
262   for (Value::use_iterator I = OrigInst->use_begin(), E = OrigInst->use_end();
263        I != E; ++I) {
264     Instruction *In = cast<Instruction>(*I);
265     if (In->getParent() != OrigBlock ||  // Don't modify uses in the orig block!
266         isa<PHINode>(In))
267       Users.push_back(In);
268   }
269
270   // The common case is that the instruction is only used within the block that
271   // defines it.  If we have this case, quick exit.
272   //
273   if (Users.empty()) return; 
274
275   // Otherwise, we have a more complex case, handle it now.  This requires the
276   // construction of a mapping between a basic block and the value to use when
277   // in the scope of that basic block.  This map will map to the original and
278   // new values when in the original or new block, but will map to inserted PHI
279   // nodes when in other blocks.
280   //
281   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> ValueMap;
282   std::map<BasicBlock*, ValueHolder> OutValueMap;   // The outgoing value map
283   OutValueMap[OrigBlock] = OrigInst;
284   OutValueMap[NewBlock ] = NewInst;    // Seed the initial values...
285
286   DEBUG(std::cerr << "  ** Inserting PHI nodes for " << OrigInst);
287   while (!Users.empty()) {
288     Instruction *User = Users.back(); Users.pop_back();
289
290     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User)) {
291       // PHI nodes must be handled specially here, because their operands are
292       // actually defined in predecessor basic blocks, NOT in the block that the
293       // PHI node lives in.  Note that we have already added entries to PHI nods
294       // which are in blocks that are immediate successors of OrigBlock, so
295       // don't modify them again.
296       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
297         if (PN->getIncomingValue(i) == OrigInst &&
298             PN->getIncomingBlock(i) != OrigBlock) {
299           Value *V = GetValueOutBlock(PN->getIncomingBlock(i), OrigInst,
300                                       ValueMap, OutValueMap);
301           PN->setIncomingValue(i, V);
302         }
303       
304     } else {
305       // Any other user of the instruction can just replace any uses with the
306       // new value defined in the block it resides in.
307       Value *V = GetValueInBlock(User->getParent(), OrigInst, ValueMap,
308                                  OutValueMap);
309       User->replaceUsesOfWith(OrigInst, V);
310     }
311   }
312 }
313
314 /// GetValueInBlock - This is a recursive method which inserts PHI nodes into
315 /// the function until there is a value available in basic block BB.
316 ///
317 Value *TailDup::GetValueInBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
318                                 std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
319                                 std::map<BasicBlock*,ValueHolder> &OutValueMap){
320   ValueHolder &BBVal = ValueMap[BB];
321   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
322
323   // If this block has no predecessors, then it must be unreachable, thus, it
324   // doesn't matter which value we use.
325   if (pred_begin(BB) == pred_end(BB))
326     return BBVal = Constant::getNullValue(OrigVal->getType());
327
328   // If there is no value already available in this basic block, we need to
329   // either reuse a value from an incoming, dominating, basic block, or we need
330   // to create a new PHI node to merge in different incoming values.  Because we
331   // don't know if we're part of a loop at this point or not, we create a PHI
332   // node, even if we will ultimately eliminate it.
333   PHINode *PN = new PHINode(OrigVal->getType(), OrigVal->getName()+".pn",
334                             BB->begin());
335   BBVal = PN;   // Insert this into the BBVal slot in case of cycles...
336
337   ValueHolder &BBOutVal = OutValueMap[BB];
338   if (BBOutVal == 0) BBOutVal = PN;
339
340   // Now that we have created the PHI node, loop over all of the predecessors of
341   // this block, computing an incoming value for the predecessor.
342   std::vector<BasicBlock*> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
343   for (unsigned i = 0, e = Preds.size(); i != e; ++i)
344     PN->addIncoming(GetValueOutBlock(Preds[i], OrigVal, ValueMap, OutValueMap),
345                     Preds[i]);
346
347   // The PHI node is complete.  In many cases, however the PHI node was
348   // ultimately unnecessary: we could have just reused a dominating incoming
349   // value.  If this is the case, nuke the PHI node and replace the map entry
350   // with the dominating value.
351   //
352   assert(PN->getNumIncomingValues() > 0 && "No predecessors?");
353
354   // Check to see if all of the elements in the PHI node are either the PHI node
355   // itself or ONE particular value.
356   unsigned i = 0;
357   Value *ReplVal = PN->getIncomingValue(i);
358   for (; ReplVal == PN && i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
359     ReplVal = PN->getIncomingValue(i);  // Skip values equal to the PN
360
361   for (; i != PN->getNumIncomingValues(); ++i)
362     if (PN->getIncomingValue(i) != PN && PN->getIncomingValue(i) != ReplVal) {
363       ReplVal = 0;
364       break;
365     }
366
367   // Found a value to replace the PHI node with?
368   if (ReplVal && ReplVal != PN) {
369     PN->replaceAllUsesWith(ReplVal);
370     BB->getInstList().erase(PN);   // Erase the PHI node...
371   } else {
372     ++NumPHINodes;
373   }
374
375   return BBVal;
376 }
377
378 Value *TailDup::GetValueOutBlock(BasicBlock *BB, Value *OrigVal,
379                                  std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &ValueMap,
380                               std::map<BasicBlock*, ValueHolder> &OutValueMap) {
381   ValueHolder &BBVal = OutValueMap[BB];
382   if (BBVal) return BBVal;       // Value already computed for this block?
383
384   return GetValueInBlock(BB, OrigVal, ValueMap, OutValueMap);
385 }