compiler/rustc_mir/src/transform/simplify.rs

   1 //! A number of passes which remove various redundancies in the CFG.
   2 //!
   3 //! The `SimplifyCfg` pass gets rid of unnecessary blocks in the CFG, whereas the `SimplifyLocals`
   4 //! gets rid of all the unnecessary local variable declarations.
   5 //!
   6 //! The `SimplifyLocals` pass is kinda expensive and therefore not very suitable to be run often.
   7 //! Most of the passes should not care or be impacted in meaningful ways due to extra locals
   8 //! either, so running the pass once, right before codegen, should suffice.
   9 //!
  10 //! On the other side of the spectrum, the `SimplifyCfg` pass is considerably cheap to run, thus
  11 //! one should run it after every pass which may modify CFG in significant ways. This pass must
  12 //! also be run before any analysis passes because it removes dead blocks, and some of these can be
  13 //! ill-typed.
  14 //!
  15 //! The cause of this typing issue is typeck allowing most blocks whose end is not reachable have
  16 //! an arbitrary return type, rather than having the usual () return type (as a note, typeck's
  17 //! notion of reachability is in fact slightly weaker than MIR CFG reachability - see #31617). A
  18 //! standard example of the situation is:
  19 //!
  20 //! ```rust
  21 //!   fn example() {
  22 //!       let _a: char = { return; };
  23 //!   }
  24 //! ```
  25 //!
  26 //! Here the block (`{ return; }`) has the return type `char`, rather than `()`, but the MIR we
  27 //! naively generate still contains the `_a = ()` write in the unreachable block "after" the
  28 //! return.
  29
  30 use crate::transform::MirPass;
  31 use rustc_index::bit_set::BitSet;
  32 use rustc_index::vec::{Idx, IndexVec};
  33 use rustc_middle::mir::visit::{MutVisitor, MutatingUseContext, PlaceContext, Visitor};
  34 use rustc_middle::mir::*;
  35 use rustc_middle::ty::TyCtxt;
  36 use smallvec::SmallVec;
  37 use std::borrow::Cow;
  38 use std::convert::TryInto;
  39
  40 pub struct SimplifyCfg {
  41     label: String,
  42 }
  43
  44 impl SimplifyCfg {
  45     pub fn new(label: &str) -> Self {
  46         SimplifyCfg { label: format!("SimplifyCfg-{}", label) }
  47     }
  48 }
  49
  50 pub fn simplify_cfg(body: &mut Body<'_>) {
  51     CfgSimplifier::new(body).simplify();
  52     remove_dead_blocks(body);
  53
  54     // FIXME: Should probably be moved into some kind of pass manager
  55     body.basic_blocks_mut().raw.shrink_to_fit();
  56 }
  57
  58 impl<'tcx> MirPass<'tcx> for SimplifyCfg {
  59     fn name(&self) -> Cow<'_, str> {
  60         Cow::Borrowed(&self.label)
  61     }
  62
  63     fn run_pass(&self, _tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
  64         debug!("SimplifyCfg({:?}) - simplifying {:?}", self.label, body);
  65         simplify_cfg(body);
  66     }
  67 }
  68
  69 pub struct CfgSimplifier<'a, 'tcx> {
  70     basic_blocks: &'a mut IndexVec<BasicBlock, BasicBlockData<'tcx>>,
  71     pred_count: IndexVec<BasicBlock, u32>,
  72 }
  73
  74 impl<'a, 'tcx> CfgSimplifier<'a, 'tcx> {
  75     pub fn new(body: &'a mut Body<'tcx>) -> Self {
  76         let mut pred_count = IndexVec::from_elem(0u32, body.basic_blocks());
  77
  78         // we can't use mir.predecessors() here because that counts
  79         // dead blocks, which we don't want to.
  80         pred_count[START_BLOCK] = 1;
  81
  82         for (_, data) in traversal::preorder(body) {
  83             if let Some(ref term) = data.terminator {
  84                 for &tgt in term.successors() {
  85                     pred_count[tgt] += 1;
  86                 }
  87             }
  88         }
  89
  90         let basic_blocks = body.basic_blocks_mut();
  91
  92         CfgSimplifier { basic_blocks, pred_count }
  93     }
  94
  95     pub fn simplify(mut self) {
  96         self.strip_nops();
  97
  98         let mut start = START_BLOCK;
  99
 100         // Vec of the blocks that should be merged. We store the indices here, instead of the
 101         // statements itself to avoid moving the (relatively) large statements twice.
 102         // We do not push the statements directly into the target block (`bb`) as that is slower
 103         // due to additional reallocations
 104         let mut merged_blocks = Vec::new();
 105         loop {
 106             let mut changed = false;
 107
 108             self.collapse_goto_chain(&mut start, &mut changed);
 109
 110             for bb in self.basic_blocks.indices() {
 111                 if self.pred_count[bb] == 0 {
 112                     continue;
 113                 }
 114
 115                 debug!("simplifying {:?}", bb);
 116
 117                 let mut terminator =
 118                     self.basic_blocks[bb].terminator.take().expect("invalid terminator state");
 119
 120                 for successor in terminator.successors_mut() {
 121                     self.collapse_goto_chain(successor, &mut changed);
 122                 }
 123
 124                 let mut inner_changed = true;
 125                 merged_blocks.clear();
 126                 while inner_changed {
 127                     inner_changed = false;
 128                     inner_changed |= self.simplify_branch(&mut terminator);
 129                     inner_changed |= self.merge_successor(&mut merged_blocks, &mut terminator);
 130                     changed |= inner_changed;
 131                 }
 132
 133                 let statements_to_merge =
 134                     merged_blocks.iter().map(|&i| self.basic_blocks[i].statements.len()).sum();
 135
 136                 if statements_to_merge > 0 {
 137                     let mut statements = std::mem::take(&mut self.basic_blocks[bb].statements);
 138                     statements.reserve(statements_to_merge);
 139                     for &from in &merged_blocks {
 140                         statements.append(&mut self.basic_blocks[from].statements);
 141                     }
 142                     self.basic_blocks[bb].statements = statements;
 143                 }
 144
 145                 self.basic_blocks[bb].terminator = Some(terminator);
 146             }
 147
 148             if !changed {
 149                 break;
 150             }
 151         }
 152
 153         if start != START_BLOCK {
 154             debug_assert!(self.pred_count[START_BLOCK] == 0);
 155             self.basic_blocks.swap(START_BLOCK, start);
 156             self.pred_count.swap(START_BLOCK, start);
 157
 158             // pred_count == 1 if the start block has no predecessor _blocks_.
 159             if self.pred_count[START_BLOCK] > 1 {
 160                 for (bb, data) in self.basic_blocks.iter_enumerated_mut() {
 161                     if self.pred_count[bb] == 0 {
 162                         continue;
 163                     }
 164
 165                     for target in data.terminator_mut().successors_mut() {
 166                         if *target == start {
 167                             *target = START_BLOCK;
 168                         }
 169                     }
 170                 }
 171             }
 172         }
 173     }
 174
 175     /// This function will return `None` if
 176     /// * the block has statements
 177     /// * the block has a terminator other than `goto`
 178     /// * the block has no terminator (meaning some other part of the current optimization stole it)
 179     fn take_terminator_if_simple_goto(&mut self, bb: BasicBlock) -> Option<Terminator<'tcx>> {
 180         match self.basic_blocks[bb] {
 181             BasicBlockData {
 182                 ref statements,
 183                 terminator:
 184                     ref mut terminator @ Some(Terminator { kind: TerminatorKind::Goto { .. }, .. }),
 185                 ..
 186             } if statements.is_empty() => terminator.take(),
 187             // if `terminator` is None, this means we are in a loop. In that
 188             // case, let all the loop collapse to its entry.
 189             _ => None,
 190         }
 191     }
 192
 193     /// Collapse a goto chain starting from `start`
 194     fn collapse_goto_chain(&mut self, start: &mut BasicBlock, changed: &mut bool) {
 195         // Using `SmallVec` here, because in some logs on libcore oli-obk saw many single-element
 196         // goto chains. We should probably benchmark different sizes.
 197         let mut terminators: SmallVec<[_; 1]> = Default::default();
 198         let mut current = *start;
 199         while let Some(terminator) = self.take_terminator_if_simple_goto(current) {
 200             let target = match terminator {
 201                 Terminator { kind: TerminatorKind::Goto { target }, .. } => target,
 202                 _ => unreachable!(),
 203             };
 204             terminators.push((current, terminator));
 205             current = target;
 206         }
 207         let last = current;
 208         *start = last;
 209         while let Some((current, mut terminator)) = terminators.pop() {
 210             let target = match terminator {
 211                 Terminator { kind: TerminatorKind::Goto { ref mut target }, .. } => target,
 212                 _ => unreachable!(),
 213             };
 214             *changed |= *target != last;
 215             *target = last;
 216             debug!("collapsing goto chain from {:?} to {:?}", current, target);
 217
 218             if self.pred_count[current] == 1 {
 219                 // This is the last reference to current, so the pred-count to
 220                 // to target is moved into the current block.
 221                 self.pred_count[current] = 0;
 222             } else {
 223                 self.pred_count[*target] += 1;
 224                 self.pred_count[current] -= 1;
 225             }
 226             self.basic_blocks[current].terminator = Some(terminator);
 227         }
 228     }
 229
 230     // merge a block with 1 `goto` predecessor to its parent
 231     fn merge_successor(
 232         &mut self,
 233         merged_blocks: &mut Vec<BasicBlock>,
 234         terminator: &mut Terminator<'tcx>,
 235     ) -> bool {
 236         let target = match terminator.kind {
 237             TerminatorKind::Goto { target } if self.pred_count[target] == 1 => target,
 238             _ => return false,
 239         };
 240
 241         debug!("merging block {:?} into {:?}", target, terminator);
 242         *terminator = match self.basic_blocks[target].terminator.take() {
 243             Some(terminator) => terminator,
 244             None => {
 245                 // unreachable loop - this should not be possible, as we
 246                 // don't strand blocks, but handle it correctly.
 247                 return false;
 248             }
 249         };
 250
 251         merged_blocks.push(target);
 252         self.pred_count[target] = 0;
 253
 254         true
 255     }
 256
 257     // turn a branch with all successors identical to a goto
 258     fn simplify_branch(&mut self, terminator: &mut Terminator<'tcx>) -> bool {
 259         match terminator.kind {
 260             TerminatorKind::SwitchInt { .. } => {}
 261             _ => return false,
 262         };
 263
 264         let first_succ = {
 265             if let Some(&first_succ) = terminator.successors().next() {
 266                 if terminator.successors().all(|s| *s == first_succ) {
 267                     let count = terminator.successors().count();
 268                     self.pred_count[first_succ] -= (count - 1) as u32;
 269                     first_succ
 270                 } else {
 271                     return false;
 272                 }
 273             } else {
 274                 return false;
 275             }
 276         };
 277
 278         debug!("simplifying branch {:?}", terminator);
 279         terminator.kind = TerminatorKind::Goto { target: first_succ };
 280         true
 281     }
 282
 283     fn strip_nops(&mut self) {
 284         for blk in self.basic_blocks.iter_mut() {
 285             blk.statements.retain(|stmt| !matches!(stmt.kind, StatementKind::Nop))
 286         }
 287     }
 288 }
 289
 290 pub fn remove_dead_blocks(body: &mut Body<'_>) {
 291     let mut seen = BitSet::new_empty(body.basic_blocks().len());
 292     for (bb, _) in traversal::preorder(body) {
 293         seen.insert(bb.index());
 294     }
 295
 296     let basic_blocks = body.basic_blocks_mut();
 297
 298     let num_blocks = basic_blocks.len();
 299     let mut replacements: Vec<_> = (0..num_blocks).map(BasicBlock::new).collect();
 300     let mut used_blocks = 0;
 301     for alive_index in seen.iter() {
 302         replacements[alive_index] = BasicBlock::new(used_blocks);
 303         if alive_index != used_blocks {
 304             // Swap the next alive block data with the current available slot. Since
 305             // alive_index is non-decreasing this is a valid operation.
 306             basic_blocks.raw.swap(alive_index, used_blocks);
 307         }
 308         used_blocks += 1;
 309     }
 310     basic_blocks.raw.truncate(used_blocks);
 311
 312     for block in basic_blocks {
 313         for target in block.terminator_mut().successors_mut() {
 314             *target = replacements[target.index()];
 315         }
 316     }
 317 }
 318
 319 pub struct SimplifyLocals;
 320
 321 impl<'tcx> MirPass<'tcx> for SimplifyLocals {
 322     fn run_pass(&self, tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
 323         trace!("running SimplifyLocals on {:?}", body.source);
 324
 325         // First, we're going to get a count of *actual* uses for every `Local`.
 326         let mut used_locals = UsedLocals::new(body);
 327
 328         // Next, we're going to remove any `Local` with zero actual uses. When we remove those
 329         // `Locals`, we're also going to subtract any uses of other `Locals` from the `used_locals`
 330         // count. For example, if we removed `_2 = discriminant(_1)`, then we'll subtract one from
 331         // `use_counts[_1]`. That in turn might make `_1` unused, so we loop until we hit a
 332         // fixedpoint where there are no more unused locals.
 333         remove_unused_definitions(&mut used_locals, body);
 334
 335         // Finally, we'll actually do the work of shrinking `body.local_decls` and remapping the `Local`s.
 336         let map = make_local_map(&mut body.local_decls, &used_locals);
 337
 338         // Only bother running the `LocalUpdater` if we actually found locals to remove.
 339         if map.iter().any(Option::is_none) {
 340             // Update references to all vars and tmps now
 341             let mut updater = LocalUpdater { map, tcx };
 342             updater.visit_body(body);
 343
 344             body.local_decls.shrink_to_fit();
 345         }
 346     }
 347 }
 348
 349 /// Construct the mapping while swapping out unused stuff out from the `vec`.
 350 fn make_local_map<V>(
 351     local_decls: &mut IndexVec<Local, V>,
 352     used_locals: &UsedLocals,
 353 ) -> IndexVec<Local, Option<Local>> {
 354     let mut map: IndexVec<Local, Option<Local>> = IndexVec::from_elem(None, &*local_decls);
 355     let mut used = Local::new(0);
 356
 357     for alive_index in local_decls.indices() {
 358         // `is_used` treats the `RETURN_PLACE` and arguments as used.
 359         if !used_locals.is_used(alive_index) {
 360             continue;
 361         }
 362
 363         map[alive_index] = Some(used);
 364         if alive_index != used {
 365             local_decls.swap(alive_index, used);
 366         }
 367         used.increment_by(1);
 368     }
 369     local_decls.truncate(used.index());
 370     map
 371 }
 372
 373 /// Keeps track of used & unused locals.
 374 struct UsedLocals {
 375     increment: bool,
 376     arg_count: u32,
 377     use_count: IndexVec<Local, u32>,
 378 }
 379
 380 impl UsedLocals {
 381     /// Determines which locals are used & unused in the given body.
 382     fn new(body: &Body<'_>) -> Self {
 383         let mut this = Self {
 384             increment: true,
 385             arg_count: body.arg_count.try_into().unwrap(),
 386             use_count: IndexVec::from_elem(0, &body.local_decls),
 387         };
 388         this.visit_body(body);
 389         this
 390     }
 391
 392     /// Checks if local is used.
 393     ///
 394     /// Return place and arguments are always considered used.
 395     fn is_used(&self, local: Local) -> bool {
 396         trace!("is_used({:?}): use_count: {:?}", local, self.use_count[local]);
 397         local.as_u32() <= self.arg_count || self.use_count[local] != 0
 398     }
 399
 400     /// Updates the use counts to reflect the removal of given statement.
 401     fn statement_removed(&mut self, statement: &Statement<'tcx>) {
 402         self.increment = false;
 403
 404         // The location of the statement is irrelevant.
 405         let location = Location { block: START_BLOCK, statement_index: 0 };
 406         self.visit_statement(statement, location);
 407     }
 408
 409     /// Visits a left-hand side of an assignment.
 410     fn visit_lhs(&mut self, place: &Place<'tcx>, location: Location) {
 411         if place.is_indirect() {
 412             // A use, not a definition.
 413             self.visit_place(place, PlaceContext::MutatingUse(MutatingUseContext::Store), location);
 414         } else {
 415             // A definition. Although, it still might use other locals for indexing.
 416             self.super_projection(
 417                 place.local,
 418                 &place.projection,
 419                 PlaceContext::MutatingUse(MutatingUseContext::Projection),
 420                 location,
 421             );
 422         }
 423     }
 424 }
 425
 426 impl Visitor<'_> for UsedLocals {
 427     fn visit_statement(&mut self, statement: &Statement<'tcx>, location: Location) {
 428         match statement.kind {
 429             StatementKind::LlvmInlineAsm(..)
 430             | StatementKind::Retag(..)
 431             | StatementKind::Coverage(..)
 432             | StatementKind::FakeRead(..)
 433             | StatementKind::AscribeUserType(..) => {
 434                 self.super_statement(statement, location);
 435             }
 436
 437             StatementKind::Nop => {}
 438
 439             StatementKind::StorageLive(_local) | StatementKind::StorageDead(_local) => {}
 440
 441             StatementKind::Assign(box (ref place, ref rvalue)) => {
 442                 self.visit_lhs(place, location);
 443                 self.visit_rvalue(rvalue, location);
 444             }
 445
 446             StatementKind::SetDiscriminant { ref place, variant_index: _ } => {
 447                 self.visit_lhs(place, location);
 448             }
 449         }
 450     }
 451
 452     fn visit_local(&mut self, local: &Local, _ctx: PlaceContext, _location: Location) {
 453         if self.increment {
 454             self.use_count[*local] += 1;
 455         } else {
 456             assert_ne!(self.use_count[*local], 0);
 457             self.use_count[*local] -= 1;
 458         }
 459     }
 460 }
 461
 462 /// Removes unused definitions. Updates the used locals to reflect the changes made.
 463 fn remove_unused_definitions<'a, 'tcx>(used_locals: &'a mut UsedLocals, body: &mut Body<'tcx>) {
 464     // The use counts are updated as we remove the statements. A local might become unused
 465     // during the retain operation, leading to a temporary inconsistency (storage statements or
 466     // definitions referencing the local might remain). For correctness it is crucial that this
 467     // computation reaches a fixed point.
 468
 469     let mut modified = true;
 470     while modified {
 471         modified = false;
 472
 473         for data in body.basic_blocks_mut() {
 474             // Remove unnecessary StorageLive and StorageDead annotations.
 475             data.statements.retain(|statement| {
 476                 let keep = match &statement.kind {
 477                     StatementKind::StorageLive(local) | StatementKind::StorageDead(local) => {
 478                         used_locals.is_used(*local)
 479                     }
 480                     StatementKind::Assign(box (place, _)) => used_locals.is_used(place.local),
 481
 482                     StatementKind::SetDiscriminant { ref place, .. } => {
 483                         used_locals.is_used(place.local)
 484                     }
 485                     _ => true,
 486                 };
 487
 488                 if !keep {
 489                     trace!("removing statement {:?}", statement);
 490                     modified = true;
 491                     used_locals.statement_removed(statement);
 492                 }
 493
 494                 keep
 495             });
 496         }
 497     }
 498 }
 499
 500 struct LocalUpdater<'tcx> {
 501     map: IndexVec<Local, Option<Local>>,
 502     tcx: TyCtxt<'tcx>,
 503 }
 504
 505 impl<'tcx> MutVisitor<'tcx> for LocalUpdater<'tcx> {
 506     fn tcx(&self) -> TyCtxt<'tcx> {
 507         self.tcx
 508     }
 509
 510     fn visit_local(&mut self, l: &mut Local, _: PlaceContext, _: Location) {
 511         *l = self.map[*l].unwrap();
 512     }
 513 }