c6cbf1ecc85cb065620a10dd3a962e0f303348c6
[libfirm] / ir / ana / execfreq.c
1 /*
2  * Copyright (C) 1995-2008 University of Karlsruhe.  All right reserved.
3  *
4  * This file is part of libFirm.
5  *
6  * This file may be distributed and/or modified under the terms of the
7  * GNU General Public License version 2 as published by the Free Software
8  * Foundation and appearing in the file LICENSE.GPL included in the
9  * packaging of this file.
10  *
11  * Licensees holding valid libFirm Professional Edition licenses may use
12  * this file in accordance with the libFirm Commercial License.
13  * Agreement provided with the Software.
14  *
15  * This file is provided AS IS with NO WARRANTY OF ANY KIND, INCLUDING THE
16  * WARRANTY OF DESIGN, MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
17  * PURPOSE.
18  */
19
20 /**
21  * @file
22  * @brief       Compute an estimate of basic block executions.
23  * @author      Adam M. Szalkowski
24  * @date        28.05.2006
25  * @version     $Id$
26  */
27 #include "config.h"
28
29 #include <stdio.h>
30 #include <string.h>
31 #include <limits.h>
32 #include <math.h>
33
34 #include "gaussseidel.h"
35
36 #include "firm_common_t.h"
37 #include "set.h"
38 #include "hashptr.h"
39 #include "debug.h"
40 #include "statev.h"
41 #include "dfs_t.h"
42 #include "absgraph.h"
43
44 #include "irprog_t.h"
45 #include "irgraph_t.h"
46 #include "irnode_t.h"
47 #include "irloop.h"
48 #include "irgwalk.h"
49 #include "iredges.h"
50 #include "irprintf.h"
51 #include "irtools.h"
52 #include "irhooks.h"
53
54 #include "execfreq.h"
55
56 /* enable to also solve the equations with Gauss-Jordan */
57 #undef COMPARE_AGAINST_GAUSSJORDAN
58
59 #ifdef COMPARE_AGAINST_GAUSSJORDAN
60 #include "gaussjordan.h"
61 #endif
62
63
64 #define EPSILON              1e-5
65 #define UNDEF(x)         (fabs(x) < EPSILON)
66 #define SEIDEL_TOLERANCE 1e-7
67
68 #define MAX_INT_FREQ 1000000
69
70 #define set_foreach(s,i) for((i)=set_first((s)); (i); (i)=set_next((s)))
71
72 typedef struct _freq_t {
73         const ir_node    *irn;
74         int               idx;
75         double            freq;
76 } freq_t;
77
78 struct ir_exec_freq {
79         set *set;
80         hook_entry_t hook;
81         double max;
82         double min_non_zero;
83         double m, b;
84         unsigned infeasible : 1;
85 };
86
87 static int
88 cmp_freq(const void *a, const void *b, size_t size)
89 {
90         const freq_t *p = a;
91         const freq_t *q = b;
92         (void) size;
93
94         return !(p->irn == q->irn);
95 }
96
97 static freq_t *
98 set_find_freq(set * set, const ir_node * irn)
99 {
100         freq_t     query;
101
102         query.irn = irn;
103         return set_find(set, &query, sizeof(query), HASH_PTR(irn));
104 }
105
106 static freq_t *
107 set_insert_freq(set * set, const ir_node * irn)
108 {
109         freq_t query;
110
111         query.irn = irn;
112         query.freq = 0.0;
113         query.idx  = -1;
114         return set_insert(set, &query, sizeof(query), HASH_PTR(irn));
115 }
116
117 double
118 get_block_execfreq(const ir_exec_freq *ef, const ir_node * irn)
119 {
120         if(!ef->infeasible) {
121                 set *freqs = ef->set;
122                 freq_t *freq;
123                 assert(is_Block(irn));
124                 freq = set_find_freq(freqs, irn);
125                 assert(freq);
126
127                 assert(freq->freq >= 0);
128                 return freq->freq;
129         }
130
131         return 1.0;
132 }
133
134 unsigned long
135 get_block_execfreq_ulong(const ir_exec_freq *ef, const ir_node *bb)
136 {
137         double f       = get_block_execfreq(ef, bb);
138         int res        = (int) (f > ef->min_non_zero ? ef->m * f + ef->b : 1.0);
139         return res;
140 }
141
142 static double *
143 solve_lgs(gs_matrix_t *mat, double *x, int size)
144 {
145         double init = 1.0 / size;
146         double dev;
147         int i, iter = 0;
148
149         /* better convergence. */
150         for (i = 0; i < size; ++i)
151                 x[i] = init;
152
153         stat_ev_dbl("execfreq_matrix_size", size);
154         stat_ev_tim_push();
155         do {
156                 ++iter;
157                 dev = gs_matrix_gauss_seidel(mat, x, size);
158         } while(fabs(dev) > SEIDEL_TOLERANCE);
159         stat_ev_tim_pop("execfreq_seidel_time");
160         stat_ev_dbl("execfreq_seidel_iter", iter);
161
162 #ifdef COMPARE_AGAINST_GAUSSJORDAN
163         {
164                 double *nw = XMALLOCN(double, size * size);
165                 double *nx = XMALLOCNZ(double, size);
166
167                 gs_matrix_export(mat, nw, size);
168
169                 stat_ev_tim_push();
170                 firm_gaussjordansolve(nw, nx, size);
171                 stat_ev_tim_pop("execfreq_jordan_time");
172
173                 xfree(nw);
174                 xfree(nx);
175         }
176 #endif
177
178         return x;
179 }
180
181 static double
182 get_cf_probability(ir_node *bb, int pos, double loop_weight)
183 {
184         double           sum = 0.0;
185         double           cur = 0.0;
186         const ir_node   *pred = get_Block_cfgpred_block(bb, pos);
187         const ir_loop   *pred_loop;
188         int              pred_depth;
189         const ir_edge_t *edge;
190
191         if (is_Bad(pred))
192                 return 0;
193
194         pred_loop  = get_irn_loop(pred);
195         pred_depth = get_loop_depth(pred_loop);
196
197         cur = get_loop_depth(get_irn_loop(bb)) < get_loop_depth(get_irn_loop(pred)) ? 1.0 : loop_weight;
198
199         foreach_block_succ(pred, edge) {
200                 const ir_node *block = get_edge_src_irn(edge);
201                 const ir_loop *loop = get_irn_loop(block);
202                 int depth = get_loop_depth(loop);
203                 sum += depth < pred_depth ? 1.0 : loop_weight;
204         }
205
206         return cur/sum;
207 }
208
209 static void exec_freq_node_info(void *ctx, FILE *f, const ir_node *irn)
210 {
211         if(is_Block(irn)) {
212                 ir_exec_freq *ef = ctx;
213                 fprintf(f, "execution frequency: %g/%lu\n", get_block_execfreq(ef, irn), get_block_execfreq_ulong(ef, irn));
214         }
215 }
216
217 ir_exec_freq *create_execfreq(ir_graph *irg)
218 {
219         ir_exec_freq *execfreq = XMALLOCZ(ir_exec_freq);
220         execfreq->set = new_set(cmp_freq, 32);
221
222         memset(&execfreq->hook, 0, sizeof(execfreq->hook));
223         execfreq->hook.context = execfreq;
224         execfreq->hook.hook._hook_node_info = exec_freq_node_info;
225         register_hook(hook_node_info, &execfreq->hook);
226         (void) irg;
227
228         return execfreq;
229 }
230
231 void set_execfreq(ir_exec_freq *execfreq, const ir_node *block, double freq)
232 {
233         freq_t *f = set_insert_freq(execfreq->set, block);
234         f->freq = freq;
235 }
236
237 static void collect_blocks(ir_node *bl, void *data)
238 {
239         set *freqs = data;
240         set_insert_freq(freqs, bl);
241 }
242
243 ir_exec_freq *
244 compute_execfreq(ir_graph * irg, double loop_weight)
245 {
246         gs_matrix_t  *mat;
247         int           size;
248         int           idx;
249         freq_t       *freq, *s, *e;
250         ir_exec_freq *ef;
251         set          *freqs;
252         dfs_t        *dfs;
253         double       *x;
254         double        norm;
255
256         /*
257          * compute a DFS.
258          * using a toposort on the CFG (without back edges) will propagate
259          * the values better for the gauss/seidel iteration.
260          * => they can "flow" from start to end.
261          */
262         dfs = dfs_new(&absgraph_irg_cfg_succ, irg);
263         ef = XMALLOCZ(ir_exec_freq);
264         ef->min_non_zero = HUGE_VAL; /* initialize with a reasonable large number. */
265         freqs = ef->set = new_set(cmp_freq, dfs_get_n_nodes(dfs));
266
267         /*
268          * Populate the exec freq set.
269          * The DFS cannot be used alone, since the CFG might not be connected
270          * due to unreachable code.
271          */
272         irg_block_walk_graph(irg, collect_blocks, NULL, freqs);
273
274         construct_cf_backedges(irg);
275         edges_assure(irg);
276
277         size = dfs_get_n_nodes(dfs);
278         mat  = gs_new_matrix(size, size);
279         x    = XMALLOCN(double, size);
280
281         for (idx = dfs_get_n_nodes(dfs) - 1; idx >= 0; --idx) {
282                 ir_node *bb = (ir_node *) dfs_get_post_num_node(dfs, size - idx - 1);
283                 freq_t *freq;
284                 int i;
285
286                 freq = set_insert_freq(freqs, bb);
287                 freq->idx = idx;
288
289                 for(i = get_Block_n_cfgpreds(bb) - 1; i >= 0; --i) {
290                         ir_node *pred = get_Block_cfgpred_block(bb, i);
291                         int pred_idx  = size - dfs_get_post_num(dfs, pred) - 1;
292
293                         gs_matrix_set(mat, idx, pred_idx, get_cf_probability(bb, i, loop_weight));
294                 }
295                 gs_matrix_set(mat, idx, idx, -1.0);
296         }
297
298         dfs_free(dfs);
299
300         /*
301          * Add a loop from end to start.
302          * The problem is then an eigenvalue problem:
303          * Solve A*x = 1*x => (A-I)x = 0
304          */
305         s = set_find_freq(freqs, get_irg_start_block(irg));
306         e = set_find_freq(freqs, get_irg_end_block(irg));
307         if (e->idx >= 0)
308                 gs_matrix_set(mat, s->idx, e->idx, 1.0);
309
310         /* solve the system and delete the matrix */
311         solve_lgs(mat, x, size);
312         gs_delete_matrix(mat);
313
314         /*
315          * compute the normalization factor.
316          * 1.0 / exec freq of start block.
317          */
318         norm = x[s->idx] != 0.0 ? 1.0 / x[s->idx] : 1.0;
319
320         ef->max = 0.0;
321         set_foreach(freqs, freq) {
322                 int idx = freq->idx;
323
324                 /* take abs because it sometimes can be -0 in case of endless loops */
325                 freq->freq = fabs(x[idx]) * norm;
326
327                 /* get the maximum exec freq */
328                 ef->max = MAX(ef->max, freq->freq);
329
330                 /* Get the minimum non-zero execution frequency. */
331                 if(freq->freq > 0.0)
332                         ef->min_non_zero = MIN(ef->min_non_zero, freq->freq);
333         }
334
335         /* compute m and b of the transformation used to convert the doubles into scaled ints */
336         {
337                 double smallest_diff = 1.0;
338
339                 double l2 = ef->min_non_zero;
340                 double h2 = ef->max;
341                 double l1 = 1.0;
342                 double h1 = MAX_INT_FREQ;
343
344                 double *fs = malloc(set_count(freqs) * sizeof(fs[0]));
345                 int i, j, n = 0;
346
347                 set_foreach(freqs, freq)
348                         fs[n++] = freq->freq;
349
350                 /*
351                  * find the smallest difference of the execution frequencies
352                  * we try to ressolve it with 1 integer.
353                  */
354                 for(i = 0; i < n; ++i) {
355                         if(fs[i] <= 0.0)
356                                 continue;
357
358                         for(j = i + 1; j < n; ++j) {
359                                 double diff = fabs(fs[i] - fs[j]);
360
361                                 if(!UNDEF(diff))
362                                         smallest_diff = MIN(diff, smallest_diff);
363                         }
364                 }
365
366                 /* according to that the slope of the translation function is 1.0 / smallest diff */
367                 ef->m = 1.0 / smallest_diff;
368
369                 /* the abscissa is then given by */
370                 ef->b = l1 - ef->m * l2;
371
372                 /*
373                  * if the slope is so high that the largest integer would be larger than MAX_INT_FREQ
374                  * set the largest int freq to that upper limit and recompute the translation function
375                  */
376                 if(ef->m * h2 + ef->b > MAX_INT_FREQ) {
377                         ef->m = (h1 - l1) / (h2 - l2);
378                         ef->b = l1 - ef->m * l2;
379                 }
380
381                 free(fs);
382         }
383
384         memset(&ef->hook, 0, sizeof(ef->hook));
385         ef->hook.context = ef;
386         ef->hook.hook._hook_node_info = exec_freq_node_info;
387         register_hook(hook_node_info, &ef->hook);
388
389         xfree(x);
390
391         return ef;
392 }
393
394 void
395 free_execfreq(ir_exec_freq *ef)
396 {
397         del_set(ef->set);
398         unregister_hook(hook_node_info, &ef->hook);
399         free(ef);
400 }