]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - compiler/rustc_mir_transform/src/simplify.rs
Auto merge of #99320 - NiklasJonsson:84447/rustc_expand, r=compiler-errors
[rust.git] / compiler / rustc_mir_transform / src / 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::MirPass;
31 use rustc_data_structures::fx::FxHashSet;
32 use rustc_index::vec::{Idx, IndexVec};
33 use rustc_middle::mir::coverage::*;
34 use rustc_middle::mir::visit::{MutVisitor, MutatingUseContext, PlaceContext, Visitor};
35 use rustc_middle::mir::*;
36 use rustc_middle::ty::TyCtxt;
37 use smallvec::SmallVec;
38 use std::borrow::Cow;
39 use std::convert::TryInto;
40
41 pub struct SimplifyCfg {
42     label: String,
43 }
44
45 impl SimplifyCfg {
46     pub fn new(label: &str) -> Self {
47         SimplifyCfg { label: format!("SimplifyCfg-{}", label) }
48     }
49 }
50
51 pub fn simplify_cfg<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
52     CfgSimplifier::new(body).simplify();
53     remove_dead_blocks(tcx, body);
54
55     // FIXME: Should probably be moved into some kind of pass manager
56     body.basic_blocks_mut().raw.shrink_to_fit();
57 }
58
59 impl<'tcx> MirPass<'tcx> for SimplifyCfg {
60     fn name(&self) -> Cow<'_, str> {
61         Cow::Borrowed(&self.label)
62     }
63
64     fn run_pass(&self, tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
65         debug!("SimplifyCfg({:?}) - simplifying {:?}", self.label, body.source);
66         simplify_cfg(tcx, body);
67     }
68 }
69
70 pub struct CfgSimplifier<'a, 'tcx> {
71     basic_blocks: &'a mut IndexVec<BasicBlock, BasicBlockData<'tcx>>,
72     pred_count: IndexVec<BasicBlock, u32>,
73 }
74
75 impl<'a, 'tcx> CfgSimplifier<'a, 'tcx> {
76     pub fn new(body: &'a mut Body<'tcx>) -> Self {
77         let mut pred_count = IndexVec::from_elem(0u32, body.basic_blocks());
78
79         // we can't use mir.predecessors() here because that counts
80         // dead blocks, which we don't want to.
81         pred_count[START_BLOCK] = 1;
82
83         for (_, data) in traversal::preorder(body) {
84             if let Some(ref term) = data.terminator {
85                 for tgt in term.successors() {
86                     pred_count[tgt] += 1;
87                 }
88             }
89         }
90
91         let basic_blocks = body.basic_blocks_mut();
92
93         CfgSimplifier { basic_blocks, pred_count }
94     }
95
96     pub fn simplify(mut self) {
97         self.strip_nops();
98
99         // Vec of the blocks that should be merged. We store the indices here, instead of the
100         // statements itself to avoid moving the (relatively) large statements twice.
101         // We do not push the statements directly into the target block (`bb`) as that is slower
102         // due to additional reallocations
103         let mut merged_blocks = Vec::new();
104         loop {
105             let mut changed = false;
106
107             for bb in self.basic_blocks.indices() {
108                 if self.pred_count[bb] == 0 {
109                     continue;
110                 }
111
112                 debug!("simplifying {:?}", bb);
113
114                 let mut terminator =
115                     self.basic_blocks[bb].terminator.take().expect("invalid terminator state");
116
117                 for successor in terminator.successors_mut() {
118                     self.collapse_goto_chain(successor, &mut changed);
119                 }
120
121                 let mut inner_changed = true;
122                 merged_blocks.clear();
123                 while inner_changed {
124                     inner_changed = false;
125                     inner_changed |= self.simplify_branch(&mut terminator);
126                     inner_changed |= self.merge_successor(&mut merged_blocks, &mut terminator);
127                     changed |= inner_changed;
128                 }
129
130                 let statements_to_merge =
131                     merged_blocks.iter().map(|&i| self.basic_blocks[i].statements.len()).sum();
132
133                 if statements_to_merge > 0 {
134                     let mut statements = std::mem::take(&mut self.basic_blocks[bb].statements);
135                     statements.reserve(statements_to_merge);
136                     for &from in &merged_blocks {
137                         statements.append(&mut self.basic_blocks[from].statements);
138                     }
139                     self.basic_blocks[bb].statements = statements;
140                 }
141
142                 self.basic_blocks[bb].terminator = Some(terminator);
143             }
144
145             if !changed {
146                 break;
147             }
148         }
149     }
150
151     /// This function will return `None` if
152     /// * the block has statements
153     /// * the block has a terminator other than `goto`
154     /// * the block has no terminator (meaning some other part of the current optimization stole it)
155     fn take_terminator_if_simple_goto(&mut self, bb: BasicBlock) -> Option<Terminator<'tcx>> {
156         match self.basic_blocks[bb] {
157             BasicBlockData {
158                 ref statements,
159                 terminator:
160                     ref mut terminator @ Some(Terminator { kind: TerminatorKind::Goto { .. }, .. }),
161                 ..
162             } if statements.is_empty() => terminator.take(),
163             // if `terminator` is None, this means we are in a loop. In that
164             // case, let all the loop collapse to its entry.
165             _ => None,
166         }
167     }
168
169     /// Collapse a goto chain starting from `start`
170     fn collapse_goto_chain(&mut self, start: &mut BasicBlock, changed: &mut bool) {
171         // Using `SmallVec` here, because in some logs on libcore oli-obk saw many single-element
172         // goto chains. We should probably benchmark different sizes.
173         let mut terminators: SmallVec<[_; 1]> = Default::default();
174         let mut current = *start;
175         while let Some(terminator) = self.take_terminator_if_simple_goto(current) {
176             let Terminator { kind: TerminatorKind::Goto { target }, .. } = terminator else {
177                 unreachable!();
178             };
179             terminators.push((current, terminator));
180             current = target;
181         }
182         let last = current;
183         *start = last;
184         while let Some((current, mut terminator)) = terminators.pop() {
185             let Terminator { kind: TerminatorKind::Goto { ref mut target }, .. } = terminator else {
186                 unreachable!();
187             };
188             *changed |= *target != last;
189             *target = last;
190             debug!("collapsing goto chain from {:?} to {:?}", current, target);
191
192             if self.pred_count[current] == 1 {
193                 // This is the last reference to current, so the pred-count to
194                 // to target is moved into the current block.
195                 self.pred_count[current] = 0;
196             } else {
197                 self.pred_count[*target] += 1;
198                 self.pred_count[current] -= 1;
199             }
200             self.basic_blocks[current].terminator = Some(terminator);
201         }
202     }
203
204     // merge a block with 1 `goto` predecessor to its parent
205     fn merge_successor(
206         &mut self,
207         merged_blocks: &mut Vec<BasicBlock>,
208         terminator: &mut Terminator<'tcx>,
209     ) -> bool {
210         let target = match terminator.kind {
211             TerminatorKind::Goto { target } if self.pred_count[target] == 1 => target,
212             _ => return false,
213         };
214
215         debug!("merging block {:?} into {:?}", target, terminator);
216         *terminator = match self.basic_blocks[target].terminator.take() {
217             Some(terminator) => terminator,
218             None => {
219                 // unreachable loop - this should not be possible, as we
220                 // don't strand blocks, but handle it correctly.
221                 return false;
222             }
223         };
224
225         merged_blocks.push(target);
226         self.pred_count[target] = 0;
227
228         true
229     }
230
231     // turn a branch with all successors identical to a goto
232     fn simplify_branch(&mut self, terminator: &mut Terminator<'tcx>) -> bool {
233         match terminator.kind {
234             TerminatorKind::SwitchInt { .. } => {}
235             _ => return false,
236         };
237
238         let first_succ = {
239             if let Some(first_succ) = terminator.successors().next() {
240                 if terminator.successors().all(|s| s == first_succ) {
241                     let count = terminator.successors().count();
242                     self.pred_count[first_succ] -= (count - 1) as u32;
243                     first_succ
244                 } else {
245                     return false;
246                 }
247             } else {
248                 return false;
249             }
250         };
251
252         debug!("simplifying branch {:?}", terminator);
253         terminator.kind = TerminatorKind::Goto { target: first_succ };
254         true
255     }
256
257     fn strip_nops(&mut self) {
258         for blk in self.basic_blocks.iter_mut() {
259             blk.statements.retain(|stmt| !matches!(stmt.kind, StatementKind::Nop))
260         }
261     }
262 }
263
264 pub fn remove_dead_blocks<'tcx>(tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
265     let reachable = traversal::reachable_as_bitset(body);
266     let num_blocks = body.basic_blocks().len();
267     if num_blocks == reachable.count() {
268         return;
269     }
270
271     let basic_blocks = body.basic_blocks.as_mut();
272     let source_scopes = &body.source_scopes;
273     let mut replacements: Vec<_> = (0..num_blocks).map(BasicBlock::new).collect();
274     let mut used_blocks = 0;
275     for alive_index in reachable.iter() {
276         let alive_index = alive_index.index();
277         replacements[alive_index] = BasicBlock::new(used_blocks);
278         if alive_index != used_blocks {
279             // Swap the next alive block data with the current available slot. Since
280             // alive_index is non-decreasing this is a valid operation.
281             basic_blocks.raw.swap(alive_index, used_blocks);
282         }
283         used_blocks += 1;
284     }
285
286     if tcx.sess.instrument_coverage() {
287         save_unreachable_coverage(basic_blocks, source_scopes, used_blocks);
288     }
289
290     basic_blocks.raw.truncate(used_blocks);
291
292     for block in basic_blocks {
293         for target in block.terminator_mut().successors_mut() {
294             *target = replacements[target.index()];
295         }
296     }
297 }
298
299 /// Some MIR transforms can determine at compile time that a sequences of
300 /// statements will never be executed, so they can be dropped from the MIR.
301 /// For example, an `if` or `else` block that is guaranteed to never be executed
302 /// because its condition can be evaluated at compile time, such as by const
303 /// evaluation: `if false { ... }`.
304 ///
305 /// Those statements are bypassed by redirecting paths in the CFG around the
306 /// `dead blocks`; but with `-C instrument-coverage`, the dead blocks usually
307 /// include `Coverage` statements representing the Rust source code regions to
308 /// be counted at runtime. Without these `Coverage` statements, the regions are
309 /// lost, and the Rust source code will show no coverage information.
310 ///
311 /// What we want to show in a coverage report is the dead code with coverage
312 /// counts of `0`. To do this, we need to save the code regions, by injecting
313 /// `Unreachable` coverage statements. These are non-executable statements whose
314 /// code regions are still recorded in the coverage map, representing regions
315 /// with `0` executions.
316 ///
317 /// If there are no live `Counter` `Coverage` statements remaining, we remove
318 /// dead `Coverage` statements along with the dead blocks. Since at least one
319 /// counter per function is required by LLVM (and necessary, to add the
320 /// `function_hash` to the counter's call to the LLVM intrinsic
321 /// `instrprof.increment()`).
322 ///
323 /// The `generator::StateTransform` MIR pass and MIR inlining can create
324 /// atypical conditions, where all live `Counter`s are dropped from the MIR.
325 ///
326 /// With MIR inlining we can have coverage counters belonging to different
327 /// instances in a single body, so the strategy described above is applied to
328 /// coverage counters from each instance individually.
329 fn save_unreachable_coverage(
330     basic_blocks: &mut IndexVec<BasicBlock, BasicBlockData<'_>>,
331     source_scopes: &IndexVec<SourceScope, SourceScopeData<'_>>,
332     first_dead_block: usize,
333 ) {
334     // Identify instances that still have some live coverage counters left.
335     let mut live = FxHashSet::default();
336     for basic_block in &basic_blocks.raw[0..first_dead_block] {
337         for statement in &basic_block.statements {
338             let StatementKind::Coverage(coverage) = &statement.kind else { continue };
339             let CoverageKind::Counter { .. } = coverage.kind else { continue };
340             let instance = statement.source_info.scope.inlined_instance(source_scopes);
341             live.insert(instance);
342         }
343     }
344
345     if live.is_empty() {
346         return;
347     }
348
349     // Retain coverage for instances that still have some live counters left.
350     let mut retained_coverage = Vec::new();
351     for dead_block in &basic_blocks.raw[first_dead_block..] {
352         for statement in &dead_block.statements {
353             let StatementKind::Coverage(coverage) = &statement.kind else { continue };
354             let Some(code_region) = &coverage.code_region else { continue };
355             let instance = statement.source_info.scope.inlined_instance(source_scopes);
356             if live.contains(&instance) {
357                 retained_coverage.push((statement.source_info, code_region.clone()));
358             }
359         }
360     }
361
362     let start_block = &mut basic_blocks[START_BLOCK];
363     start_block.statements.extend(retained_coverage.into_iter().map(
364         |(source_info, code_region)| Statement {
365             source_info,
366             kind: StatementKind::Coverage(Box::new(Coverage {
367                 kind: CoverageKind::Unreachable,
368                 code_region: Some(code_region),
369             })),
370         },
371     ));
372 }
373
374 pub struct SimplifyLocals;
375
376 impl<'tcx> MirPass<'tcx> for SimplifyLocals {
377     fn is_enabled(&self, sess: &rustc_session::Session) -> bool {
378         sess.mir_opt_level() > 0
379     }
380
381     fn run_pass(&self, tcx: TyCtxt<'tcx>, body: &mut Body<'tcx>) {
382         trace!("running SimplifyLocals on {:?}", body.source);
383         simplify_locals(body, tcx);
384     }
385 }
386
387 pub fn simplify_locals<'tcx>(body: &mut Body<'tcx>, tcx: TyCtxt<'tcx>) {
388     // First, we're going to get a count of *actual* uses for every `Local`.
389     let mut used_locals = UsedLocals::new(body);
390
391     // Next, we're going to remove any `Local` with zero actual uses. When we remove those
392     // `Locals`, we're also going to subtract any uses of other `Locals` from the `used_locals`
393     // count. For example, if we removed `_2 = discriminant(_1)`, then we'll subtract one from
394     // `use_counts[_1]`. That in turn might make `_1` unused, so we loop until we hit a
395     // fixedpoint where there are no more unused locals.
396     remove_unused_definitions(&mut used_locals, body);
397
398     // Finally, we'll actually do the work of shrinking `body.local_decls` and remapping the `Local`s.
399     let map = make_local_map(&mut body.local_decls, &used_locals);
400
401     // Only bother running the `LocalUpdater` if we actually found locals to remove.
402     if map.iter().any(Option::is_none) {
403         // Update references to all vars and tmps now
404         let mut updater = LocalUpdater { map, tcx };
405         updater.visit_body(body);
406
407         body.local_decls.shrink_to_fit();
408     }
409 }
410
411 /// Construct the mapping while swapping out unused stuff out from the `vec`.
412 fn make_local_map<V>(
413     local_decls: &mut IndexVec<Local, V>,
414     used_locals: &UsedLocals,
415 ) -> IndexVec<Local, Option<Local>> {
416     let mut map: IndexVec<Local, Option<Local>> = IndexVec::from_elem(None, &*local_decls);
417     let mut used = Local::new(0);
418
419     for alive_index in local_decls.indices() {
420         // `is_used` treats the `RETURN_PLACE` and arguments as used.
421         if !used_locals.is_used(alive_index) {
422             continue;
423         }
424
425         map[alive_index] = Some(used);
426         if alive_index != used {
427             local_decls.swap(alive_index, used);
428         }
429         used.increment_by(1);
430     }
431     local_decls.truncate(used.index());
432     map
433 }
434
435 /// Keeps track of used & unused locals.
436 struct UsedLocals {
437     increment: bool,
438     arg_count: u32,
439     use_count: IndexVec<Local, u32>,
440 }
441
442 impl UsedLocals {
443     /// Determines which locals are used & unused in the given body.
444     fn new(body: &Body<'_>) -> Self {
445         let mut this = Self {
446             increment: true,
447             arg_count: body.arg_count.try_into().unwrap(),
448             use_count: IndexVec::from_elem(0, &body.local_decls),
449         };
450         this.visit_body(body);
451         this
452     }
453
454     /// Checks if local is used.
455     ///
456     /// Return place and arguments are always considered used.
457     fn is_used(&self, local: Local) -> bool {
458         trace!("is_used({:?}): use_count: {:?}", local, self.use_count[local]);
459         local.as_u32() <= self.arg_count || self.use_count[local] != 0
460     }
461
462     /// Updates the use counts to reflect the removal of given statement.
463     fn statement_removed(&mut self, statement: &Statement<'_>) {
464         self.increment = false;
465
466         // The location of the statement is irrelevant.
467         let location = Location { block: START_BLOCK, statement_index: 0 };
468         self.visit_statement(statement, location);
469     }
470
471     /// Visits a left-hand side of an assignment.
472     fn visit_lhs(&mut self, place: &Place<'_>, location: Location) {
473         if place.is_indirect() {
474             // A use, not a definition.
475             self.visit_place(place, PlaceContext::MutatingUse(MutatingUseContext::Store), location);
476         } else {
477             // A definition. The base local itself is not visited, so this occurrence is not counted
478             // toward its use count. There might be other locals still, used in an indexing
479             // projection.
480             self.super_projection(
481                 place.as_ref(),
482                 PlaceContext::MutatingUse(MutatingUseContext::Projection),
483                 location,
484             );
485         }
486     }
487 }
488
489 impl<'tcx> Visitor<'tcx> for UsedLocals {
490     fn visit_statement(&mut self, statement: &Statement<'tcx>, location: Location) {
491         match statement.kind {
492             StatementKind::CopyNonOverlapping(..)
493             | StatementKind::Retag(..)
494             | StatementKind::Coverage(..)
495             | StatementKind::FakeRead(..)
496             | StatementKind::AscribeUserType(..) => {
497                 self.super_statement(statement, location);
498             }
499
500             StatementKind::Nop => {}
501
502             StatementKind::StorageLive(_local) | StatementKind::StorageDead(_local) => {}
503
504             StatementKind::Assign(box (ref place, ref rvalue)) => {
505                 if rvalue.is_safe_to_remove() {
506                     self.visit_lhs(place, location);
507                     self.visit_rvalue(rvalue, location);
508                 } else {
509                     self.super_statement(statement, location);
510                 }
511             }
512
513             StatementKind::SetDiscriminant { ref place, variant_index: _ }
514             | StatementKind::Deinit(ref place) => {
515                 self.visit_lhs(place, location);
516             }
517         }
518     }
519
520     fn visit_local(&mut self, local: Local, _ctx: PlaceContext, _location: Location) {
521         if self.increment {
522             self.use_count[local] += 1;
523         } else {
524             assert_ne!(self.use_count[local], 0);
525             self.use_count[local] -= 1;
526         }
527     }
528 }
529
530 /// Removes unused definitions. Updates the used locals to reflect the changes made.
531 fn remove_unused_definitions(used_locals: &mut UsedLocals, body: &mut Body<'_>) {
532     // The use counts are updated as we remove the statements. A local might become unused
533     // during the retain operation, leading to a temporary inconsistency (storage statements or
534     // definitions referencing the local might remain). For correctness it is crucial that this
535     // computation reaches a fixed point.
536
537     let mut modified = true;
538     while modified {
539         modified = false;
540
541         for data in body.basic_blocks_mut() {
542             // Remove unnecessary StorageLive and StorageDead annotations.
543             data.statements.retain(|statement| {
544                 let keep = match &statement.kind {
545                     StatementKind::StorageLive(local) | StatementKind::StorageDead(local) => {
546                         used_locals.is_used(*local)
547                     }
548                     StatementKind::Assign(box (place, _)) => used_locals.is_used(place.local),
549
550                     StatementKind::SetDiscriminant { ref place, .. }
551                     | StatementKind::Deinit(ref place) => used_locals.is_used(place.local),
552                     _ => true,
553                 };
554
555                 if !keep {
556                     trace!("removing statement {:?}", statement);
557                     modified = true;
558                     used_locals.statement_removed(statement);
559                 }
560
561                 keep
562             });
563         }
564     }
565 }
566
567 struct LocalUpdater<'tcx> {
568     map: IndexVec<Local, Option<Local>>,
569     tcx: TyCtxt<'tcx>,
570 }
571
572 impl<'tcx> MutVisitor<'tcx> for LocalUpdater<'tcx> {
573     fn tcx(&self) -> TyCtxt<'tcx> {
574         self.tcx
575     }
576
577     fn visit_local(&mut self, l: &mut Local, _: PlaceContext, _: Location) {
578         *l = self.map[*l].unwrap();
579     }
580 }