a35d07bcb5886fd9bf9696f8a50316f1128a7e93
[libfirm] / ir / be / becopyheur.c
1 /**
2  * Heuristic for minimizing copies using a queue which holds 'qnodes' not yet
3  * examined. A qnode has a 'target color', nodes out of the opt unit and
4  * a 'conflict graph'. A 'max indep set' is determined form these. We try to
5  * color this mis using a color-exchanging mechanism. Occuring conflicts are
6  * modeled with 'conflict edges' and the qnode is reinserted in the queue. The
7  * first qnode colored without conflicts is the best one.
8  * @author Daniel Grund
9  * @date 12.04.2005
10  */
11
12 #include "becopyopt.h"
13 #include "becopystat.h"
14
15 #define DEBUG_LVL 0 //SET_LEVEL_1
16 static firm_dbg_module_t *dbg = NULL;
17
18 #define SLOTS_PINNED_GLOBAL 256
19 #define SLOTS_CONFLICTS 8
20 #define SLOTS_CHANGED_NODES 32
21
22 #define MIN(a,b) ((a<b)?a:b)
23 #define list_entry_queue(lh) list_entry(lh, qnode_t, queue)
24 #define HASH_CONFLICT(c) (HASH_PTR(c.n1) ^ HASH_PTR(c.n2))
25
26 /**
27  * Modeling additional conflicts between nodes. NOT live range interference
28  */
29 typedef struct _conflict_t {
30         const ir_node *n1, *n2;
31 } conflict_t;
32
33 /**
34  * If an irn is changed, the changes first get stored in a node_stat_t,
35  * to allow undo of changes (=drop new data) in case of conflicts.
36  */
37 typedef struct _node_stat_t {
38         const ir_node *irn;
39         int new_color;
40         int pinned_local :1;
41 } node_stat_t;
42
43 /**
44  * Represents a node in the optimization queue.
45  */
46 typedef struct _qnode_t {
47         struct list_head queue;         /**< chaining of unit_t->queue */
48         const unit_t *ou;                       /**< the opt unit this qnode belongs to */
49         int color;                                      /**< target color */
50         set *conflicts;                         /**< contains conflict_t's. All internal conflicts */
51         int mis_size;                           /**< number of nodes in the mis. */
52         const ir_node **mis;            /**< the nodes of unit_t->nodes[] beeing part of the max idependent set */
53         set *changed_nodes;                     /**< contains node_stat_t's. */
54 } qnode_t;
55
56 pset *pinned_global;                    /**< optimized nodes should not be altered any more */
57
58 static int set_cmp_conflict_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
59         const conflict_t *xx = x;
60         const conflict_t *yy = y;
61         return ! (xx->n1 == yy->n1 && xx->n2 == yy->n2);
62 }
63
64 /**
65  * If a local pinned conflict occurs, a new edge in the conflict graph is added.
66  * The next maximum independent set build, will regard it.
67  */
68 static INLINE void qnode_add_conflict(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
69         conflict_t c;
70         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t      %n -- %n\n", n1, n2));
71
72         if ((int)n1 < (int)n2) {
73                 c.n1 = n1;
74                 c.n2 = n2;
75         } else {
76                 c.n1 = n2;
77                 c.n2 = n1;
78         }
79         set_insert(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
80 }
81
82 /**
83  * Checks if two nodes are in a conflict.
84  */
85 static INLINE int qnode_are_conflicting(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
86         conflict_t c;
87         /* search for live range interference */
88         if (n1!=n2 && values_interfere(n1, n2))
89                 return 1;
90         /* search for recoloring conflicts */
91         if ((int)n1 < (int)n2) {
92                 c.n1 = n1;
93                 c.n2 = n2;
94         } else {
95                 c.n1 = n2;
96                 c.n2 = n1;
97         }
98         return (int) set_find(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
99 }
100
101 static int set_cmp_node_stat_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
102         return ((node_stat_t *)x)->irn != ((node_stat_t *)y)->irn;
103 }
104
105 /**
106  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise return NULL
107  */
108 static INLINE node_stat_t *qnode_find_node(const qnode_t *qn, const ir_node *irn) {
109         node_stat_t find;
110         find.irn = irn;
111         return set_find(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
112 }
113
114 /**
115  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise it will return
116  * an initialized new entry for this node.
117  */
118 static INLINE node_stat_t *qnode_find_or_insert_node(const qnode_t *qn, const ir_node *irn) {
119         node_stat_t find;
120         find.irn = irn;
121         find.new_color = NO_COLOR;
122         find.pinned_local = 0;
123         return set_insert(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
124 }
125
126 /**
127  * Returns the virtual color of a node if set before, else returns the real color.
128  */
129 static INLINE int qnode_get_new_color(const qnode_t *qn, const ir_node *irn) {
130         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
131         if (found)
132                 return found->new_color;
133         else
134                 return get_irn_color(irn);
135 }
136
137 /**
138  * Sets the virtual color of a node.
139  */
140 static INLINE void qnode_set_new_color(const qnode_t *qn, const ir_node *irn, int color) {
141         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
142         found->new_color = color;
143 }
144
145 /**
146  * Checks if a node is local pinned. A node is local pinned, iff it belongs
147  * to the same optimization unit and has been optimized before the current
148  * processed node.
149  */
150 static INLINE int qnode_is_pinned_local(const qnode_t *qn, const ir_node *irn) {
151         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
152         if (found)
153                 return found->pinned_local;
154         else
155                 return 0;
156 }
157
158 /**
159  * Local-pins a node, so optimizations of further nodes of the same opt unit
160  * can handle situations in which a color change would undo prior optimizations.
161  */
162 static INLINE void qnode_pin_local(const qnode_t *qn, const ir_node *irn) {
163         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
164         found->pinned_local = 1;
165 }
166
167 /**
168  * Possible return values of qnode_color_irn()
169  */
170 #define CHANGE_SAVE NULL
171 #define CHANGE_IMPOSSIBLE (ir_node *)1
172 #define is_conflicting_node(n) (((int)n) > 1)
173
174 /**
175  * Performs virtual re-coloring of node @p n to color @p col. Virtual colors of
176  * other nodes are changed too, as required to preserve correctness. Function is
177  * aware of local and global pinning. Recursive.
178  * @param  irn The node to set the color for
179  * @param  col The color to set
180  * @param  trigger The irn that caused the wish to change the color of the irn
181  * @return CHANGE_SAVE iff setting the color is possible, with all transiteve effects.
182  *         CHANGE_IMPOSSIBLE iff conflicts with reg-constraintsis occured.
183  *         Else the first conflicting ir_node encountered is returned.
184  *
185  * ASSUMPTION: Assumes that a life range of a single value can't be spilt into
186  *                         several smaller intervals where other values can live in between.
187  *             This should be true in SSA.
188  */
189 static const ir_node *qnode_color_irn(const qnode_t *qn, const ir_node *irn, int col, const ir_node *trigger) {
190         const ir_node *res;
191         struct obstack confl_ob;
192         ir_node **confl, *cn;
193         int i, irn_col;
194
195         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n \tcaused col(%n) \t%2d --> %2d\n", trigger, irn, qnode_get_new_color(qn, irn), col));
196         obstack_init(&confl_ob);
197         irn_col = qnode_get_new_color(qn, irn);
198
199         if (irn_col == col)
200                 goto ret_save;
201         if (pset_find_ptr(pinned_global, irn) || qnode_is_pinned_local(qn, irn)) {
202                 res = irn;
203                 goto ret_confl;
204         }
205         if (!qn->ou->co->isa->is_reg_allocatable(irn, arch_register_for_index(qn->ou->co->cls, col)))
206                 goto ret_imposs;
207
208         /* get all nodes which would conflict with this change */
209         {
210                 struct obstack q;
211                 int in, out;
212                 ir_node *irn_bl;
213
214                 irn_bl = get_nodes_block(irn);
215
216                 /* first check for a conflicting node which is 'living in' the irns block */
217                 {
218                         ir_node *n;
219                         pset *live_ins = get_live_in(irn_bl);
220                         for (n = pset_first(live_ins); n; n = pset_next(live_ins))
221                                 if (is_allocatable_irn(n) && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col && values_interfere(irn, n)) {
222                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %n\ttroubles\n", n));
223                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
224                                         pset_break(live_ins);
225                                         break;
226                                 }
227                 }
228
229                 /* setup the queue of blocks. */
230                 obstack_init(&q);
231                 obstack_ptr_grow(&q, irn_bl);
232                 in = 1;
233                 out = 0;
234
235                 /* process the queue. The code below checks for every block dominated
236                  * by the irns one, and in which the irn is live, if there are
237                  * conflicting nodes */
238                 while (out < in) {
239                         ir_node *curr_bl, *sub_bl;
240                         int i, max;
241
242                         curr_bl = ((ir_node **)obstack_base(&q))[out++];
243
244                         /* Add to the result all nodes in the block, which have
245                          * the target color and interfere with the irn */
246                         for (i = 0, max = get_irn_n_outs(curr_bl); i < max; ++i) {
247                                 ir_node *n = get_irn_out(curr_bl, i);
248                                 if (is_allocatable_irn(n) && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col && values_interfere(irn, n)) {
249                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %n\ttroubles\n", n));
250                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
251                                 }
252                         }
253
254                         /* If irn lives out check i-dominated blocks where the irn lives in */
255                         /* Fill the queue */
256                         if (is_live_out(curr_bl, irn)) {
257                                 dominates_for_each(curr_bl, sub_bl)
258                                         if (is_live_in(sub_bl, irn)) {
259                                                 obstack_ptr_grow(&q, sub_bl);
260                                                 in++;
261                                         }
262                         }
263                 }
264                 obstack_free(&q, NULL);
265                 obstack_ptr_grow(&confl_ob, NULL);
266                 confl = (ir_node **) obstack_finish(&confl_ob);
267         }
268
269         /* process all nodes which would conflict with this change */
270         for (i = 0, cn = confl[0]; cn; cn = confl[++i]) {
271                 const ir_node *sub_res;
272
273                 /* try to color the conflicting node cn with the color of the irn itself */
274                 sub_res = qnode_color_irn(qn, cn, irn_col, irn);
275                 if (sub_res != CHANGE_SAVE) {
276                         res = sub_res;
277                         goto ret_confl;
278                 }
279         }
280         /* if we arrive here all sub changes can be applied, so it's save to change this irn */
281
282 ret_save:
283         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n save\n", irn));
284         obstack_free(&confl_ob, NULL);
285         qnode_set_new_color(qn, irn, col);
286         return CHANGE_SAVE;
287
288 ret_imposs:
289         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n impossible\n", irn));
290         obstack_free(&confl_ob, NULL);
291         return CHANGE_IMPOSSIBLE;
292
293 ret_confl:
294         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n conflicting\n", irn));
295         obstack_free(&confl_ob, NULL);
296         return res;
297 }
298
299 /**
300  * Tries to set the colors for all members of this queue node;
301  * to the target color qn->color
302  * @returns 1 iff all members colors could be set
303  *          0 else
304  */
305 static int qnode_try_color(const qnode_t *qn) {
306         int i;
307         for (i=0; i<qn->mis_size; ++i) {
308                 const ir_node *test_node, *confl_node;
309
310                 test_node = qn->mis[i];
311                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Testing %n\n", test_node));
312                 confl_node = qnode_color_irn(qn, test_node, qn->color, test_node);
313
314                 if (confl_node == CHANGE_SAVE) {
315                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Save --> pin local\n"));
316                         qnode_pin_local(qn, test_node);
317                 } else if (confl_node == CHANGE_IMPOSSIBLE) {
318                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Impossible --> remove from qnode\n"));
319                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
320                 } else {
321                         if (qnode_is_pinned_local(qn, confl_node)) {
322                                 /* changing test_node would change back a node of current ou */
323                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local --> add conflict\n"));
324                                 qnode_add_conflict(qn, confl_node, test_node);
325                         }
326                         if (pset_find_ptr(pinned_global, confl_node)) {
327                                 /* changing test_node would change back a node of a prior ou */
328                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting global --> remove from qnode\n"));
329                                 qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
330                         }
331                 }
332
333                 if (confl_node != CHANGE_SAVE)
334                         return 0;
335         }
336         return 1;
337 }
338
339 /**
340  * Determines a maximum independent set with respect to the interference and
341  * conflict edges of all nodes in a qnode.
342  */
343 static INLINE void qnode_max_ind_set(qnode_t *qn, const unit_t *ou) {
344         int all_size, curr_size, i, o;
345         int *which;
346         const ir_node **curr, **all = alloca(ou->node_count * sizeof(*all));
347
348         /* all contains all nodes not removed in this qn */
349         all_size = 0;
350         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
351                 if (!qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[i], ou->nodes[i]))
352                         all[all_size++] = ou->nodes[i];
353
354         /* which[i] says which element to take out of all[] and put into curr[i] */
355         which = alloca(all_size*sizeof(*which));
356         for (curr_size=0; curr_size<all_size; ++curr_size)
357                 which[curr_size] = curr_size;
358
359         /* stores the currently examined set */
360         curr = alloca(all_size*sizeof(*curr));
361
362         while (1) { /* this loop will terminate because at least a single node'll be a max indep. set */
363                 /* build current set */
364                 for (i=0; i<curr_size; ++i)
365                         curr[i] = all[which[all_size-curr_size+i]];
366
367                 /* check current set */
368                 for (i=0; i<curr_size; ++i)
369                         for (o=i+1; o<curr_size; ++o)
370                                 if (qnode_are_conflicting(qn, curr[i], curr[o]))
371                                         goto conflict_found;
372
373                 /* We had no conflict. This is the max indep. set */
374                 qn->mis_size = curr_size;
375                 for (i=0; i<curr_size; ++i)
376                         qn->mis[i] = curr[i];
377                 return;
378
379 conflict_found:
380                 /* We had a conflict. Generate next set */
381                 if (which[all_size-curr_size+1] == all_size-curr_size+1) {
382                         curr_size--;
383                         for (i=0; i<curr_size; ++i)
384                                 which[all_size-curr_size+i] = i;
385                 } else {
386                         int redo = 1;
387                         while (redo) {
388                                 int pos = all_size;
389                                 do {
390                                         pos--;
391                                 } while (!(which[pos] = (which[pos]+1) % all_size));
392
393                                 for (i=pos+1; i<all_size; ++i)
394                                         which[i] = MIN(which[i-1]+1, all_size-1);
395
396                                 redo = 0;
397                                 for (i=all_size-curr_size; i<all_size-1; ++i)
398                                         if (which[i]>=which[i+1]) {
399                                                 redo = 1;
400                                                 break;
401                                         }
402                         }
403                 }
404         }
405 }
406
407 /**
408  * Creates a new qnode
409  */
410 static INLINE qnode_t *new_qnode(const unit_t *ou, int color) {
411         qnode_t *qn = malloc(sizeof(*qn));
412         qn->ou = ou;
413         qn->color = color;
414         qn->mis = malloc(ou->node_count * sizeof(*qn->mis));
415         qn->conflicts = new_set(set_cmp_conflict_t, SLOTS_CONFLICTS);
416         qn->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
417         return qn;
418 }
419
420 /**
421  * Frees space used by a queue node
422  */
423 static INLINE void free_qnode(qnode_t *qn) {
424         del_set(qn->conflicts);
425         del_set(qn->changed_nodes);
426         free(qn->mis);
427         free(qn);
428 }
429
430 /**
431  * Inserts a qnode in the sorted queue of the outimization unit. Queue is
432  * ordered by field 'size' (the size of the mis) in decreasing order.
433  */
434 static INLINE void ou_insert_qnode(unit_t *ou, qnode_t *qn) {
435         struct list_head *lh;
436
437         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[0], ou->nodes[0])) {
438                 /* root node is not in qnode */
439                 free_qnode(qn);
440                 return;
441         }
442
443         qnode_max_ind_set(qn, ou);
444
445         /* set ou->mis_size for lower bound compution */
446         if (ou->mis_size < qn->mis_size)
447                 ou->mis_size = qn->mis_size;
448
449         /* do the insertion */
450         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t  Insert qnode color %d with size %d\n", qn->color, qn->mis_size));
451         lh = &ou->queue;
452         while (lh->next != &ou->queue) {
453                 qnode_t *curr = list_entry_queue(lh->next);
454                 if (curr->mis_size <= qn->mis_size)
455                         break;
456                 lh = lh->next;
457         }
458         list_add(&qn->queue, lh);
459 }
460
461 /**
462  * Tries to re-allocate colors of nodes in this opt unit, to achieve a lower
463  * number of copy instructions placed during SSA-destruction and lowering.
464  * Works only for opt units with exactly 1 root node, which is the
465  * case for approximately 80% of all phi classes and all register constrained
466  * nodes. (All other phi classes are reduced to this case.)
467  */
468 static void ou_optimize(unit_t *ou) {
469         int i;
470         qnode_t *curr, *tmp;
471         bitset_t *pos_regs = bitset_alloca(ou->co->cls->n_regs);
472
473         DBG((dbg, LEVEL_1, "\tOptimizing unit:\n"));
474         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
475                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t %n\n", ou->nodes[i]));
476
477         /* init queue */
478         INIT_LIST_HEAD(&ou->queue);
479         ou->co->isa->get_allocatable_regs(ou->nodes[0], ou->co->cls, pos_regs);
480         bitset_foreach(pos_regs, i)
481                 ou_insert_qnode(ou, new_qnode(ou, i));
482
483         /* search best */
484         while (!list_empty(&ou->queue)) {
485                 /* get head of queue */
486                 curr = list_entry_queue(ou->queue.next);
487                 list_del(&curr->queue);
488                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t  Examine qnode color %d with size %d\n", curr->color, curr->mis_size));
489
490                 /* try */
491                 if (qnode_try_color(curr))
492                         break;
493                 /* no success, so re-insert */
494                 del_set(curr->changed_nodes);
495                 curr->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
496                 ou_insert_qnode(ou, curr);
497         }
498
499         /* apply the best found qnode */
500         if (curr->mis_size >= 2) {
501                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t  Best color: %d  Copies: %d/%d\n", curr->color, ou->interf+ou->node_count-curr->mis_size, ou->interf+ou->node_count-1));
502                 /* globally pin root and eventually others */
503                 pset_insert_ptr(pinned_global, ou->nodes[0]);
504                 for (i=1; i<ou->node_count; ++i) {
505                         const ir_node *irn = ou->nodes[i];
506                         int nc = qnode_get_new_color(curr, irn);
507                         if (nc != NO_COLOR && nc == qnode_get_new_color(curr, ou->nodes[0]))
508                                 pset_insert_ptr(pinned_global, irn);
509                 }
510
511                 /* set color of all changed nodes */
512                 node_stat_t *ns;
513                 for (ns = set_first(curr->changed_nodes); ns; ns = set_next(curr->changed_nodes)) {
514                         /* NO_COLOR is possible, if we had an undo */
515                         if (ns->new_color != NO_COLOR) {
516                                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t    color(%n) := %d\n", ns->irn, ns->new_color));
517                                 set_irn_color(ns->irn, ns->new_color);
518                         }
519                 }
520         }
521
522         /* free best qnode (curr) and queue */
523         free_qnode(curr);
524         list_for_each_entry_safe(qnode_t, curr, tmp, &ou->queue, queue)
525                 free_qnode(curr);
526 }
527
528 void co_heur_opt(copy_opt_t *co) {
529         unit_t *curr;
530         dbg = firm_dbg_register("ir.be.copyoptheur");
531         firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL);
532         if (!strcmp(co->name, DEBUG_IRG))
533                 firm_dbg_set_mask(dbg, -1);
534
535         pinned_global = pset_new_ptr(SLOTS_PINNED_GLOBAL);
536         list_for_each_entry(unit_t, curr, &co->units, units)
537                 if (curr->node_count > 1)
538                         ou_optimize(curr);
539
540         del_pset(pinned_global);
541 }