Removed phase which elimiated phi interferences.
[libfirm] / ir / be / becopyheur.c
1 /**
2  * Author:      Daniel Grund
3  * Date:                12.04.2005
4  * Copyright:   (c) Universitaet Karlsruhe
5  * Licence:     This file protected by GPL -  GNU GENERAL PUBLIC LICENSE.
6
7  * Heuristic for minimizing copies using a queue which holds 'qnodes' not yet
8  * examined. A qnode has a 'target color', nodes out of the opt unit and
9  * a 'conflict graph'. 'Conflict graph' = "Interference graph' + 'conflict edges'
10  * A 'max indep set' is determined form these. We try to color this mis using a
11  * color-exchanging mechanism. Occuring conflicts are modeled with 'conflict edges'
12  * and the qnode is reinserted in the queue. The first qnode colored without
13  * conflicts is the best one.
14  */
15 #ifdef HAVE_CONFIG_H
16 #include "config.h"
17 #endif
18
19 #ifdef HAVE_ALLOCA_H
20 #include <alloca.h>
21 #endif
22 #ifdef HAVE_MALLOC_H
23 #include <malloc.h>
24 #endif
25
26 #include "xmalloc.h"
27 #include "becopyopt.h"
28 #include "becopystat.h"
29 #include "bitset.h"
30
31 static firm_dbg_module_t *dbg = NULL;
32
33 #define SLOTS_PINNED_GLOBAL 256
34 #define SLOTS_CONFLICTS 8
35 #define SLOTS_CHANGED_NODES 32
36
37 #define MIN(a,b) ((a<b)?(a):(b))
38 #define list_entry_queue(lh) list_entry(lh, qnode_t, queue)
39 #define HASH_CONFLICT(c) (HASH_PTR(c.n1) ^ HASH_PTR(c.n2))
40
41 /**
42  * Modeling additional conflicts between nodes. NOT live range interference
43  */
44 typedef struct _conflict_t {
45         const ir_node *n1, *n2;
46 } conflict_t;
47
48 /**
49  * If an irn is changed, the changes first get stored in a node_stat_t,
50  * to allow undo of changes (=drop new data) in case of conflicts.
51  */
52 typedef struct _node_stat_t {
53         ir_node *irn;
54         int new_color;
55         int pinned_local :1;
56 } node_stat_t;
57
58 /**
59  * Represents a node in the optimization queue.
60  */
61 typedef struct _qnode_t {
62         struct list_head queue;         /**< chaining of unit_t->queue */
63         const unit_t *ou;                       /**< the opt unit this qnode belongs to */
64         int color;                                      /**< target color */
65         set *conflicts;                         /**< contains conflict_t's. All internal conflicts */
66         int mis_costs;                          /**< costs of nodes/copies in the mis. */
67         int mis_size;                           /**< size of the array below */
68         ir_node **mis;                          /**< the nodes of unit_t->nodes[] being part of the max independent set */
69         set *changed_nodes;                     /**< contains node_stat_t's. */
70 } qnode_t;
71
72 pset *pinned_global;                    /**< optimized nodes should not be altered any more */
73
74 static int set_cmp_conflict_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
75         const conflict_t *xx = x;
76         const conflict_t *yy = y;
77         return ! (xx->n1 == yy->n1 && xx->n2 == yy->n2);
78 }
79
80 /**
81  * If a local pinned conflict occurs, a new edge in the conflict graph is added.
82  * The next maximum independent set build, will regard it.
83  */
84 static INLINE void qnode_add_conflict(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
85         conflict_t c;
86         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t      %+F -- %+F\n", n1, n2));
87
88         if ((int)n1 < (int)n2) {
89                 c.n1 = n1;
90                 c.n2 = n2;
91         } else {
92                 c.n1 = n2;
93                 c.n2 = n1;
94         }
95         set_insert(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
96 }
97
98 /**
99  * Checks if two nodes are in a conflict.
100  */
101 static INLINE int qnode_are_conflicting(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
102         conflict_t c;
103         /* search for live range interference */
104         if (n1!=n2 && nodes_interfere(qn->ou->co->chordal_env, n1, n2))
105                 return 1;
106         /* search for recoloring conflicts */
107         if ((int)n1 < (int)n2) {
108                 c.n1 = n1;
109                 c.n2 = n2;
110         } else {
111                 c.n1 = n2;
112                 c.n2 = n1;
113         }
114         return (int) set_find(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
115 }
116
117 static int set_cmp_node_stat_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
118         return ((node_stat_t *)x)->irn != ((node_stat_t *)y)->irn;
119 }
120
121 /**
122  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise return NULL
123  */
124 static INLINE node_stat_t *qnode_find_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
125         node_stat_t find;
126         find.irn = irn;
127         return set_find(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
128 }
129
130 /**
131  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise it will return
132  * an initialized new entry for this node.
133  */
134 static INLINE node_stat_t *qnode_find_or_insert_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
135         node_stat_t find;
136         find.irn = irn;
137         find.new_color = NO_COLOR;
138         find.pinned_local = 0;
139         return set_insert(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
140 }
141
142 /**
143  * Returns the virtual color of a node if set before, else returns the real color.
144  */
145 static INLINE int qnode_get_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
146         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
147         if (found)
148                 return found->new_color;
149         else
150                 return get_irn_col(qn->ou->co, irn);
151 }
152
153 /**
154  * Sets the virtual color of a node.
155  */
156 static INLINE void qnode_set_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int color) {
157         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
158         found->new_color = color;
159 }
160
161 /**
162  * Checks if a node is local pinned. A node is local pinned, iff it belongs
163  * to the same optimization unit and has been optimized before the current
164  * processed node.
165  */
166 static INLINE int qnode_is_pinned_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
167         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
168         if (found)
169                 return found->pinned_local;
170         else
171                 return 0;
172 }
173
174 /**
175  * Local-pins a node, so optimizations of further nodes of the same opt unit
176  * can handle situations in which a color change would undo prior optimizations.
177  */
178 static INLINE void qnode_pin_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
179         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
180         found->pinned_local = 1;
181 }
182
183 /**
184  * Possible return values of qnode_color_irn()
185  */
186 #define CHANGE_SAVE NULL
187 #define CHANGE_IMPOSSIBLE (ir_node *)1
188 #define is_conflicting_node(n) (((int)n) > 1)
189
190 /**
191  * Performs virtual re-coloring of node @p n to color @p col. Virtual colors of
192  * other nodes are changed too, as required to preserve correctness. Function is
193  * aware of local and global pinning. Recursive.
194  * @param  irn The node to set the color for
195  * @param  col The color to set
196  * @param  trigger The irn that caused the wish to change the color of the irn
197  * @return CHANGE_SAVE iff setting the color is possible, with all transitive effects.
198  *         CHANGE_IMPOSSIBLE iff conflicts with reg-constraintsis occured.
199  *         Else the first conflicting ir_node encountered is returned.
200  *
201  * ASSUMPTION: Assumes that a life range of a single value can't be split into
202  *                         several smaller intervals where other values can live in between.
203  *             This should be true in SSA.
204  */
205 static ir_node *qnode_color_irn(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int col, const ir_node *trigger) {
206         ir_node *res;
207         struct obstack confl_ob;
208         ir_node **confl, *cn;
209         int i, irn_col;
210         const be_chordal_env_t *chordal_env = qn->ou->co->chordal_env;
211         const arch_env_t *arch_env = chordal_env->arch_env;
212         const arch_register_class_t *cls = chordal_env->cls;
213
214         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F \tcaused col(%+F) \t%2d --> %2d\n", trigger, irn, qnode_get_new_color(qn, irn), col));
215         obstack_init(&confl_ob);
216         irn_col = qnode_get_new_color(qn, irn);
217
218         if (irn_col == col) {
219                 DBG((dbg, LEVEL_4, "\t      Already same color.\n"));
220                 goto ret_save;
221         }
222         if (pset_find_ptr(pinned_global, irn) || qnode_is_pinned_local(qn, irn)) {
223                 res = irn;
224                 goto ret_confl;
225         }
226         if (!arch_reg_is_allocatable(arch_env,
227                                                                  irn,
228                                                                  arch_pos_make_out(0),
229                                                                  arch_register_for_index(cls, col)))
230                 goto ret_imposs;
231
232         /* get all nodes which would conflict with this change */
233         {
234                 struct obstack q;
235                 int in, out;
236                 ir_node *irn_bl;
237
238                 irn_bl = get_nodes_block(irn);
239
240                 /* first check for a conflicting node which is 'living in' the irns block */
241                 {
242                         ir_node *n;
243                         pset *live_ins = put_live_in(irn_bl, pset_new_ptr_default());
244                         for (n = pset_first(live_ins); n; n = pset_next(live_ins)) {
245                                 DBG((dbg, LEVEL_4, "Checking %+F which is live-in at the block\n", n));
246                                 if (arch_irn_has_reg_class(arch_env, n, arch_pos_make_out(0), cls)
247                                         && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col
248                                         && nodes_interfere(chordal_env, irn, n)) {
249
250                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %+F\ttroubles\n", n));
251                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
252                                         pset_break(live_ins);
253                                         break;
254                                 }
255                         }
256             del_pset(live_ins);
257                 }
258
259                 /* setup the queue of blocks. */
260                 obstack_init(&q);
261                 obstack_ptr_grow(&q, irn_bl);
262                 in = 1;
263                 out = 0;
264
265                 /* process the queue. The code below checks for every block dominated
266                  * by the irns one, and in which the irn is live, if there are
267                  * conflicting nodes */
268                 while (out < in) {
269                         ir_node *curr_bl, *sub_bl;
270                         int i, max;
271
272                         curr_bl = ((ir_node **)obstack_base(&q))[out++];
273
274                         /* Add to the result all nodes in the block, which have
275                          * the target color and interfere with the irn */
276                         for (i = 0, max = get_irn_n_outs(curr_bl); i < max; ++i) {
277                                 ir_node *n = get_irn_out(curr_bl, i);
278                                 DBG((dbg, LEVEL_4, "Checking %+F defined in same block\n", n));
279                                 if (arch_irn_has_reg_class(arch_env, n, arch_pos_make_out(0), cls)
280                                         && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col
281                                         && nodes_interfere(chordal_env, irn, n)) {
282                                                 DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %+F\ttroubles\n", n));
283                                                 obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
284                                 }
285                         }
286
287                         /* If irn lives out check i-dominated blocks where the irn lives in */
288                         /* Fill the queue */
289                         if (is_live_out(curr_bl, irn)) {
290                                 dominates_for_each(curr_bl, sub_bl)
291                                         if (is_live_in(sub_bl, irn)) {
292                                                 obstack_ptr_grow(&q, sub_bl);
293                                                 in++;
294                                         }
295                         }
296                 }
297                 obstack_free(&q, NULL);
298                 obstack_ptr_grow(&confl_ob, NULL);
299                 confl = (ir_node **) obstack_finish(&confl_ob);
300         }
301
302         /* process all nodes which would conflict with this change */
303         for (i = 0, cn = confl[0]; cn; cn = confl[++i]) {
304                 ir_node *sub_res;
305
306                 /* try to color the conflicting node cn with the color of the irn itself */
307                 sub_res = qnode_color_irn(qn, cn, irn_col, irn);
308                 if (sub_res != CHANGE_SAVE) {
309                         res = sub_res;
310                         goto ret_confl;
311                 }
312         }
313         /* if we arrive here all sub changes can be applied, so it's save to change this irn */
314
315 ret_save:
316         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F save\n", irn));
317         obstack_free(&confl_ob, NULL);
318         qnode_set_new_color(qn, irn, col);
319         return CHANGE_SAVE;
320
321 ret_imposs:
322         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F impossible\n", irn));
323         obstack_free(&confl_ob, NULL);
324         return CHANGE_IMPOSSIBLE;
325
326 ret_confl:
327         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F conflicting\n", irn));
328         obstack_free(&confl_ob, NULL);
329         return res;
330 }
331
332 /**
333  * Tries to set the colors for all members of this queue node;
334  * to the target color qn->color
335  * @returns 1 iff all members colors could be set
336  *          0 else
337  */
338 static int qnode_try_color(const qnode_t *qn) {
339         int i;
340         for (i=0; i<qn->mis_size; ++i) {
341                 ir_node *test_node, *confl_node;
342
343                 test_node = qn->mis[i];
344                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Testing %+F\n", test_node));
345                 confl_node = qnode_color_irn(qn, test_node, qn->color, test_node);
346
347                 if (confl_node == CHANGE_SAVE) {
348                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Save --> pin local\n"));
349                         qnode_pin_local(qn, test_node);
350                 } else if (confl_node == CHANGE_IMPOSSIBLE) {
351                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Impossible --> remove from qnode\n"));
352                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
353                 } else {
354                         if (qnode_is_pinned_local(qn, confl_node)) {
355                                 /* changing test_node would change back a node of current ou */
356                                 if (confl_node == qn->ou->nodes[0]) {
357                                         /* Adding a conflict edge between testnode and conflnode
358                                          * would introduce a root -- arg interference.
359                                          * So remove the arg of the qn */
360                                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local with phi --> remove from qnode\n"));
361                                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
362                                 } else {
363                                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local --> add conflict\n"));
364                                         qnode_add_conflict(qn, confl_node, test_node);
365                                 }
366                         }
367                         if (pset_find_ptr(pinned_global, confl_node)) {
368                                 /* changing test_node would change back a node of a prior ou */
369                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting global --> remove from qnode\n"));
370                                 qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
371                         }
372                 }
373
374                 if (confl_node != CHANGE_SAVE)
375                         return 0;
376         }
377         return 1;
378 }
379
380 /**
381  * Determines a maximum weighted independent set with respect to
382  * the interference and conflict edges of all nodes in a qnode.
383  */
384 static INLINE void qnode_max_ind_set(qnode_t *qn, const unit_t *ou) {
385         ir_node **irns;
386         int max, next, pos, curr_weight, best_weight = 0;
387         bitset_t *best, *curr;
388
389         irns = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*irns));
390         best = bitset_alloca(ou->node_count-1);
391         curr = bitset_alloca(ou->node_count-1);
392
393         /* brute force the best set */
394         bitset_set_all(curr);
395         while ((max = bitset_popcnt(curr)) != 0) {
396                 /* check if curr is a stable set */
397                 int i, o, is_stable_set = 1;
398
399                 /* copy the irns */
400                 i = 0;
401                 bitset_foreach(curr, pos)
402                         irns[i++] = ou->nodes[1+pos];
403                 assert(i==max);
404
405                 for(i=0; i<max; ++i)
406                         for(o=i; o<max; ++o) /* !!!!! difference to ou_max_ind_set_costs(): NOT o=i+1 */
407                                 if (qnode_are_conflicting(qn, irns[i], irns[o])) {
408                                         is_stable_set = 0;
409                                         break;
410                                 }
411
412                 if (is_stable_set) {
413                         /* calc current weigth */
414                         curr_weight = 0;
415                         bitset_foreach(curr, pos)
416                                 curr_weight += ou->costs[1+pos];
417
418                         /* any better ? */
419                         if (curr_weight > best_weight) {
420                                 best_weight = curr_weight;
421                                 bitset_copy(best, curr);
422                         }
423                 }
424
425                 bitset_minus1(curr);
426         }
427
428         /* transfer the best set into the qn */
429         qn->mis_size = bitset_popcnt(best)+1;
430         qn->mis_costs = best_weight;
431         next = 0;
432         qn->mis[next++] = ou->nodes[0]; /* the root is alwazs in a max stable set */
433         bitset_foreach(best, pos)
434                 qn->mis[next++] = ou->nodes[1+pos];
435 }
436
437 /**
438  * Creates a new qnode
439  */
440 static INLINE qnode_t *new_qnode(const unit_t *ou, int color) {
441         qnode_t *qn = xmalloc(sizeof(*qn));
442         qn->ou = ou;
443         qn->color = color;
444         qn->mis = malloc(ou->node_count * sizeof(*qn->mis));
445         qn->conflicts = new_set(set_cmp_conflict_t, SLOTS_CONFLICTS);
446         qn->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
447         return qn;
448 }
449
450 /**
451  * Frees space used by a queue node
452  */
453 static INLINE void free_qnode(qnode_t *qn) {
454         del_set(qn->conflicts);
455         del_set(qn->changed_nodes);
456         xfree(qn->mis);
457         xfree(qn);
458 }
459
460 /**
461  * Inserts a qnode in the sorted queue of the optimization unit. Queue is
462  * ordered by field 'size' (the size of the mis) in decreasing order.
463  */
464 static INLINE void ou_insert_qnode(unit_t *ou, qnode_t *qn) {
465         struct list_head *lh;
466
467         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[0], ou->nodes[0])) {
468                 /* root node is not in qnode */
469                 free_qnode(qn);
470                 return;
471         }
472
473         qnode_max_ind_set(qn, ou);
474         /* do the insertion */
475         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t  Insert qnode color %d with cost %d\n", qn->color, qn->mis_costs));
476         lh = &ou->queue;
477         while (lh->next != &ou->queue) {
478                 qnode_t *curr = list_entry_queue(lh->next);
479                 if (curr->mis_costs <= qn->mis_costs)
480                         break;
481                 lh = lh->next;
482         }
483         list_add(&qn->queue, lh);
484 }
485
486 /**
487  * Tries to re-allocate colors of nodes in this opt unit, to achieve lower
488  * costs of copy instructions placed during SSA-destruction and lowering.
489  * Works only for opt units with exactly 1 root node, which is the
490  * case for approximately 80% of all phi classes and 100% of register constrained
491  * nodes. (All other phi classes are reduced to this case.)
492  */
493 static void ou_optimize(unit_t *ou) {
494         int i;
495         qnode_t *curr, *tmp;
496         bitset_t *pos_regs = bitset_alloca(ou->co->chordal_env->cls->n_regs);
497
498         DBG((dbg, LEVEL_1, "\tOptimizing unit:\n"));
499         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
500                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t %+F\n", ou->nodes[i]));
501
502         /* init queue */
503         INIT_LIST_HEAD(&ou->queue);
504         arch_get_allocatable_regs(ou->co->chordal_env->arch_env, ou->nodes[0], arch_pos_make_out(0), ou->co->chordal_env->cls, pos_regs);
505         bitset_foreach(pos_regs, i)
506                 ou_insert_qnode(ou, new_qnode(ou, i));
507
508         /* search best */
509         while (!list_empty(&ou->queue)) {
510                 /* get head of queue */
511                 curr = list_entry_queue(ou->queue.next);
512                 list_del(&curr->queue);
513                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t  Examine qnode color %d with cost %d\n", curr->color, curr->mis_costs));
514
515                 /* try */
516                 if (qnode_try_color(curr))
517                         break;
518                 /* no success, so re-insert */
519                 del_set(curr->changed_nodes);
520                 curr->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
521                 ou_insert_qnode(ou, curr);
522         }
523
524         /* apply the best found qnode */
525         if (curr->mis_size >= 2) {
526                 node_stat_t *ns;
527                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t  Best color: %d  Costs: %d << %d << %d\n", curr->color, ou->min_nodes_costs, ou->all_nodes_costs - curr->mis_costs, ou->all_nodes_costs));
528                 /* globally pin root and all args which have the same color */
529                 pset_insert_ptr(pinned_global, ou->nodes[0]);
530                 for (i=1; i<ou->node_count; ++i) {
531                         ir_node *irn = ou->nodes[i];
532                         int nc = qnode_get_new_color(curr, irn);
533                         if (nc != NO_COLOR && nc == qnode_get_new_color(curr, ou->nodes[0]))
534                                 pset_insert_ptr(pinned_global, irn);
535                 }
536
537                 /* set color of all changed nodes */
538                 for (ns = set_first(curr->changed_nodes); ns; ns = set_next(curr->changed_nodes)) {
539                         /* NO_COLOR is possible, if we had an undo */
540                         if (ns->new_color != NO_COLOR) {
541                                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t    color(%+F) := %d\n", ns->irn, ns->new_color));
542                                 set_irn_col(ou->co, ns->irn, ns->new_color);
543                         }
544                 }
545                 /*
546                  * Enable for checking register allocation after each ou
547                  * be_ra_chordal_check(ou->co->chordal_env);
548                  */
549         }
550
551         /* free best qnode (curr) and queue */
552         free_qnode(curr);
553         list_for_each_entry_safe(qnode_t, curr, tmp, &ou->queue, queue)
554                 free_qnode(curr);
555 }
556
557 void co_heur_opt(copy_opt_t *co) {
558         unit_t *curr;
559         dbg = firm_dbg_register("ir.be.copyoptheur");
560         if (!strcmp(co->name, DEBUG_IRG))
561                 firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_IRG_LVL_HEUR);
562         else
563                 firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL_HEUR);
564
565         pinned_global = pset_new_ptr(SLOTS_PINNED_GLOBAL);
566         list_for_each_entry(unit_t, curr, &co->units, units)
567                 if (curr->node_count > 1)
568                         ou_optimize(curr);
569
570         del_pset(pinned_global);
571 }