]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_mir_transform/src/early_otherwise_branch.rs
Rollup merge of #95376 - WaffleLapkin:drain_keep_rest, r=dtolnay
[rust.git] / compiler / rustc_mir_transform / src / early_otherwise_branch.rs
1 use rustc_middle::mir::patch::MirPatch;
2 use rustc_middle::mir::*;
3 use rustc_middle::ty::{self, Ty, TyCtxt};
4 use std::fmt::Debug;
5
6 use super::simplify::simplify_cfg;
7
8 /// This pass optimizes something like
9 /// ```ignore (syntax-highlighting-only)
10 /// let x: Option<()>;
11 /// let y: Option<()>;
12 /// match (x,y) {
13 ///     (Some(_), Some(_)) => {0},
14 ///     _ => {1}
15 /// }
16 /// ```
17 /// into something like
18 /// ```ignore (syntax-highlighting-only)
19 /// let x: Option<()>;
20 /// let y: Option<()>;
21 /// let discriminant_x = std::mem::discriminant(x);
22 /// let discriminant_y = std::mem::discriminant(y);
23 /// if discriminant_x == discriminant_y {
24 ///     match x {
25 ///         Some(_) => 0,
26 ///         _ => 1, // <----
27 ///     } //               | Actually the same bb
28 /// } else { //            |
29 ///     1 // <--------------
30 /// }
31 /// ```
32 ///
33 /// Specifically, it looks for instances of control flow like this:
34 /// ```text
35 ///
36 ///     =================
37 ///     |      BB1      |
38 ///     |---------------|                  ============================
39 ///     |     ...       |         /------> |            BBC           |
40 ///     |---------------|         |        |--------------------------|
41 ///     |  switchInt(Q) |         |        |   _cl = discriminant(P)  |
42 ///     |       c       | --------/        |--------------------------|
43 ///     |       d       | -------\         |       switchInt(_cl)     |
44 ///     |      ...      |        |         |            c             | ---> BBC.2
45 ///     |    otherwise  | --\    |    /--- |         otherwise        |
46 ///     =================   |    |    |    ============================
47 ///                         |    |    |
48 ///     =================   |    |    |
49 ///     |      BBU      | <-|    |    |    ============================
50 ///     |---------------|   |    \-------> |            BBD           |
51 ///     |---------------|   |         |    |--------------------------|
52 ///     |  unreachable  |   |         |    |   _dl = discriminant(P)  |
53 ///     =================   |         |    |--------------------------|
54 ///                         |         |    |       switchInt(_dl)     |
55 ///     =================   |         |    |            d             | ---> BBD.2
56 ///     |      BB9      | <--------------- |         otherwise        |
57 ///     |---------------|                  ============================
58 ///     |      ...      |
59 ///     =================
60 /// ```
61 /// Where the `otherwise` branch on `BB1` is permitted to either go to `BBU` or to `BB9`. In the
62 /// code:
63 ///  - `BB1` is `parent` and `BBC, BBD` are children
64 ///  - `P` is `child_place`
65 ///  - `child_ty` is the type of `_cl`.
66 ///  - `Q` is `parent_op`.
67 ///  - `parent_ty` is the type of `Q`.
68 ///  - `BB9` is `destination`
69 /// All this is then transformed into:
70 /// ```text
71 ///
72 ///     =======================
73 ///     |          BB1        |
74 ///     |---------------------|                  ============================
75 ///     |          ...        |         /------> |           BBEq           |
76 ///     | _s = discriminant(P)|         |        |--------------------------|
77 ///     | _t = Ne(Q, _s)      |         |        |--------------------------|
78 ///     |---------------------|         |        |       switchInt(Q)       |
79 ///     |     switchInt(_t)   |         |        |            c             | ---> BBC.2
80 ///     |        false        | --------/        |            d             | ---> BBD.2
81 ///     |       otherwise     | ---------------- |         otherwise        |
82 ///     =======================       |          ============================
83 ///                                   |
84 ///     =================             |
85 ///     |      BB9      | <-----------/
86 ///     |---------------|
87 ///     |      ...      |
88 ///     =================
89 /// ```
90 ///
91 /// This is only correct for some `P`, since `P` is now computed outside the original `switchInt`.
92 /// The filter on which `P` are allowed (together with discussion of its correctness) is found in
93 /// `may_hoist`.
94 pub struct EarlyOtherwiseBranch;
95
96 impl<'tcx> MirPass<'tcx> for EarlyOtherwiseBranch {
97     fn is_enabled(&self, sess: &rustc_session::Session) -> bool {
98         sess.mir_opt_level() >= 3 && sess.opts.unstable_opts.unsound_mir_opts
99     }
100
101     fn run_pass(&self, tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
102         trace!("running EarlyOtherwiseBranch on {:?}", body.source);
103
104         let mut should_cleanup = false;
105
106         // Also consider newly generated bbs in the same pass
107         for i in 0..body.basic_blocks.len() {
108             let bbs = &*body.basic_blocks;
109             let parent = BasicBlock::from_usize(i);
110             let Some(opt_data) = evaluate_candidate(tcx, body, parent) else {
111                 continue
112             };
113
114             if !tcx.consider_optimizing(|| format!("EarlyOtherwiseBranch {:?}", &opt_data)) {
115                 break;
116             }
117
118             trace!("SUCCESS: found optimization possibility to apply: {:?}", &opt_data);
119
120             should_cleanup = true;
121
122             let TerminatorKind::SwitchInt {
123                 discr: parent_op,
124                 switch_ty: parent_ty,
125                 targets: parent_targets
126             } = &bbs[parent].terminator().kind else {
127                 unreachable!()
128             };
129             // Always correct since we can only switch on `Copy` types
130             let parent_op = match parent_op {
131                 Operand::Move(x) => Operand::Copy(*x),
132                 Operand::Copy(x) => Operand::Copy(*x),
133                 Operand::Constant(x) => Operand::Constant(x.clone()),
134             };
135             let statements_before = bbs[parent].statements.len();
136             let parent_end = Location { block: parent, statement_index: statements_before };
137
138             let mut patch = MirPatch::new(body);
139
140             // create temp to store second discriminant in, `_s` in example above
141             let second_discriminant_temp =
142                 patch.new_temp(opt_data.child_ty, opt_data.child_source.span);
143
144             patch.add_statement(parent_end, StatementKind::StorageLive(second_discriminant_temp));
145
146             // create assignment of discriminant
147             patch.add_assign(
148                 parent_end,
149                 Place::from(second_discriminant_temp),
150                 Rvalue::Discriminant(opt_data.child_place),
151             );
152
153             // create temp to store inequality comparison between the two discriminants, `_t` in
154             // example above
155             let nequal = BinOp::Ne;
156             let comp_res_type = nequal.ty(tcx, *parent_ty, opt_data.child_ty);
157             let comp_temp = patch.new_temp(comp_res_type, opt_data.child_source.span);
158             patch.add_statement(parent_end, StatementKind::StorageLive(comp_temp));
159
160             // create inequality comparison between the two discriminants
161             let comp_rvalue = Rvalue::BinaryOp(
162                 nequal,
163                 Box::new((parent_op.clone(), Operand::Move(Place::from(second_discriminant_temp)))),
164             );
165             patch.add_statement(
166                 parent_end,
167                 StatementKind::Assign(Box::new((Place::from(comp_temp), comp_rvalue))),
168             );
169
170             let eq_new_targets = parent_targets.iter().map(|(value, child)| {
171                 let TerminatorKind::SwitchInt{ targets, .. } = &bbs[child].terminator().kind else {
172                     unreachable!()
173                 };
174                 (value, targets.target_for_value(value))
175             });
176             let eq_targets = SwitchTargets::new(eq_new_targets, opt_data.destination);
177
178             // Create `bbEq` in example above
179             let eq_switch = BasicBlockData::new(Some(Terminator {
180                 source_info: bbs[parent].terminator().source_info,
181                 kind: TerminatorKind::SwitchInt {
182                     // switch on the first discriminant, so we can mark the second one as dead
183                     discr: parent_op,
184                     switch_ty: opt_data.child_ty,
185                     targets: eq_targets,
186                 },
187             }));
188
189             let eq_bb = patch.new_block(eq_switch);
190
191             // Jump to it on the basis of the inequality comparison
192             let true_case = opt_data.destination;
193             let false_case = eq_bb;
194             patch.patch_terminator(
195                 parent,
196                 TerminatorKind::if_(
197                     tcx,
198                     Operand::Move(Place::from(comp_temp)),
199                     true_case,
200                     false_case,
201                 ),
202             );
203
204             // generate StorageDead for the second_discriminant_temp not in use anymore
205             patch.add_statement(parent_end, StatementKind::StorageDead(second_discriminant_temp));
206
207             // Generate a StorageDead for comp_temp in each of the targets, since we moved it into
208             // the switch
209             for bb in [false_case, true_case].iter() {
210                 patch.add_statement(
211                     Location { block: *bb, statement_index: 0 },
212                     StatementKind::StorageDead(comp_temp),
213                 );
214             }
215
216             patch.apply(body);
217         }
218
219         // Since this optimization adds new basic blocks and invalidates others,
220         // clean up the cfg to make it nicer for other passes
221         if should_cleanup {
222             simplify_cfg(tcx, body);
223         }
224     }
225 }
226
227 /// Returns true if computing the discriminant of `place` may be hoisted out of the branch
228 fn may_hoist<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &Body<'tcx>, place: Place<'tcx>) -> bool {
229     // FIXME(JakobDegen): This is unsound. Someone could write code like this:
230     // ```rust
231     // let Q = val;
232     // if discriminant(P) == otherwise {
233     //     let ptr = &mut Q as *mut _ as *mut u8;
234     //     unsafe { *ptr = 10; } // Any invalid value for the type
235     // }
236     //
237     // match P {
238     //    A => match Q {
239     //        A => {
240     //            // code
241     //        }
242     //        _ => {
243     //            // don't use Q
244     //        }
245     //    }
246     //    _ => {
247     //        // don't use Q
248     //    }
249     // };
250     // ```
251     //
252     // Hoisting the `discriminant(Q)` out of the `A` arm causes us to compute the discriminant of an
253     // invalid value, which is UB.
254     //
255     // In order to fix this, we would either need to show that the discriminant computation of
256     // `place` is computed in all branches, including the `otherwise` branch, or we would need
257     // another analysis pass to determine that the place is fully initialized. It might even be best
258     // to have the hoisting be performed in a different pass and just do the CFG changing in this
259     // pass.
260     for (place, proj) in place.iter_projections() {
261         match proj {
262             // Dereferencing in the computation of `place` might cause issues from one of two
263             // categories. First, the referent might be invalid. We protect against this by
264             // dereferencing references only (not pointers). Second, the use of a reference may
265             // invalidate other references that are used later (for aliasing reasons). Consider
266             // where such an invalidated reference may appear:
267             //  - In `Q`: Not possible since `Q` is used as the operand of a `SwitchInt` and so
268             //    cannot contain referenced data.
269             //  - In `BBU`: Not possible since that block contains only the `unreachable` terminator
270             //  - In `BBC.2, BBD.2`: Not possible, since `discriminant(P)` was computed prior to
271             //    reaching that block in the input to our transformation, and so any data
272             //    invalidated by that computation could not have been used there.
273             //  - In `BB9`: Not possible since control flow might have reached `BB9` via the
274             //    `otherwise` branch in `BBC, BBD` in the input to our transformation, which would
275             //    have invalidated the data when computing `discriminant(P)`
276             // So dereferencing here is correct.
277             ProjectionElem::Deref => match place.ty(body.local_decls(), tcx).ty.kind() {
278                 ty::Ref(..) => {}
279                 _ => return false,
280             },
281             // Field projections are always valid
282             ProjectionElem::Field(..) => {}
283             // We cannot allow
284             // downcasts either, since the correctness of the downcast may depend on the parent
285             // branch being taken. An easy example of this is
286             // ```
287             // Q = discriminant(_3)
288             // P = (_3 as Variant)
289             // ```
290             // However, checking if the child and parent place are the same and only erroring then
291             // is not sufficient either, since the `discriminant(_3) == 1` (or whatever) check may
292             // be replaced by another optimization pass with any other condition that can be proven
293             // equivalent.
294             ProjectionElem::Downcast(..) => {
295                 return false;
296             }
297             // We cannot allow indexing since the index may be out of bounds.
298             _ => {
299                 return false;
300             }
301         }
302     }
303     true
304 }
305
306 #[derive(Debug)]
307 struct OptimizationData<'tcx> {
308     destination: BasicBlock,
309     child_place: Place<'tcx>,
310     child_ty: Ty<'tcx>,
311     child_source: SourceInfo,
312 }
313
314 fn evaluate_candidate<'tcx>(
315     tcx: TyCtxt<'tcx>,
316     body: &Body<'tcx>,
317     parent: BasicBlock,
318 ) -> Option<OptimizationData<'tcx>> {
319     let bbs = &body.basic_blocks;
320     let TerminatorKind::SwitchInt {
321         targets,
322         switch_ty: parent_ty,
323         ..
324     } = &bbs[parent].terminator().kind else {
325         return None
326     };
327     let parent_dest = {
328         let poss = targets.otherwise();
329         // If the fallthrough on the parent is trivially unreachable, we can let the
330         // children choose the destination
331         if bbs[poss].statements.len() == 0
332             && bbs[poss].terminator().kind == TerminatorKind::Unreachable
333         {
334             None
335         } else {
336             Some(poss)
337         }
338     };
339     let (_, child) = targets.iter().next()?;
340     let child_terminator = &bbs[child].terminator();
341     let TerminatorKind::SwitchInt {
342         switch_ty: child_ty,
343         targets: child_targets,
344         ..
345     } = &child_terminator.kind else {
346         return None
347     };
348     if child_ty != parent_ty {
349         return None;
350     }
351     let Some(StatementKind::Assign(boxed))
352         = &bbs[child].statements.first().map(|x| &x.kind) else {
353         return None;
354     };
355     let (_, Rvalue::Discriminant(child_place)) = &**boxed else {
356         return None;
357     };
358     let destination = parent_dest.unwrap_or(child_targets.otherwise());
359
360     // Verify that the optimization is legal in general
361     // We can hoist evaluating the child discriminant out of the branch
362     if !may_hoist(tcx, body, *child_place) {
363         return None;
364     }
365
366     // Verify that the optimization is legal for each branch
367     for (value, child) in targets.iter() {
368         if !verify_candidate_branch(&bbs[child], value, *child_place, destination) {
369             return None;
370         }
371     }
372     Some(OptimizationData {
373         destination,
374         child_place: *child_place,
375         child_ty: *child_ty,
376         child_source: child_terminator.source_info,
377     })
378 }
379
380 fn verify_candidate_branch<'tcx>(
381     branch: &BasicBlockData<'tcx>,
382     value: u128,
383     place: Place<'tcx>,
384     destination: BasicBlock,
385 ) -> bool {
386     // In order for the optimization to be correct, the branch must...
387     // ...have exactly one statement
388     if branch.statements.len() != 1 {
389         return false;
390     }
391     // ...assign the discriminant of `place` in that statement
392     let StatementKind::Assign(boxed) = &branch.statements[0].kind else {
393         return false
394     };
395     let (discr_place, Rvalue::Discriminant(from_place)) = &**boxed else {
396         return false
397     };
398     if *from_place != place {
399         return false;
400     }
401     // ...make that assignment to a local
402     if discr_place.projection.len() != 0 {
403         return false;
404     }
405     // ...terminate on a `SwitchInt` that invalidates that local
406     let TerminatorKind::SwitchInt{ discr: switch_op, targets, .. } = &branch.terminator().kind else {
407         return false
408     };
409     if *switch_op != Operand::Move(*discr_place) {
410         return false;
411     }
412     // ...fall through to `destination` if the switch misses
413     if destination != targets.otherwise() {
414         return false;
415     }
416     // ...have a branch for value `value`
417     let mut iter = targets.iter();
418     let Some((target_value, _)) = iter.next() else {
419         return false;
420     };
421     if target_value != value {
422         return false;
423     }
424     // ...and have no more branches
425     if let Some(_) = iter.next() {
426         return false;
427     }
428     return true;
429 }