Recent version :-)
[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
30 #define DEBUG_LVL 0 //SET_LEVEL_1
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_size;                           /**< number of nodes in the mis. */
67         ir_node **mis;                          /**< the nodes of unit_t->nodes[] being part of the max independent set */
68         set *changed_nodes;                     /**< contains node_stat_t's. */
69 } qnode_t;
70
71 pset *pinned_global;                    /**< optimized nodes should not be altered any more */
72
73 static int set_cmp_conflict_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
74         const conflict_t *xx = x;
75         const conflict_t *yy = y;
76         return ! (xx->n1 == yy->n1 && xx->n2 == yy->n2);
77 }
78
79 /**
80  * If a local pinned conflict occurs, a new edge in the conflict graph is added.
81  * The next maximum independent set build, will regard it.
82  */
83 static INLINE void qnode_add_conflict(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
84         conflict_t c;
85         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t      %n -- %n\n", n1, n2));
86
87         if ((int)n1 < (int)n2) {
88                 c.n1 = n1;
89                 c.n2 = n2;
90         } else {
91                 c.n1 = n2;
92                 c.n2 = n1;
93         }
94         set_insert(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
95 }
96
97 /**
98  * Checks if two nodes are in a conflict.
99  */
100 static INLINE int qnode_are_conflicting(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
101         conflict_t c;
102         /* search for live range interference */
103         if (n1!=n2 && nodes_interfere(qn->ou->co->chordal_env, n1, n2))
104                 return 1;
105         /* search for recoloring conflicts */
106         if ((int)n1 < (int)n2) {
107                 c.n1 = n1;
108                 c.n2 = n2;
109         } else {
110                 c.n1 = n2;
111                 c.n2 = n1;
112         }
113         return (int) set_find(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
114 }
115
116 static int set_cmp_node_stat_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
117         return ((node_stat_t *)x)->irn != ((node_stat_t *)y)->irn;
118 }
119
120 /**
121  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise return NULL
122  */
123 static INLINE node_stat_t *qnode_find_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
124         node_stat_t find;
125         find.irn = irn;
126         return set_find(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
127 }
128
129 /**
130  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise it will return
131  * an initialized new entry for this node.
132  */
133 static INLINE node_stat_t *qnode_find_or_insert_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
134         node_stat_t find;
135         find.irn = irn;
136         find.new_color = NO_COLOR;
137         find.pinned_local = 0;
138         return set_insert(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
139 }
140
141 /**
142  * Returns the virtual color of a node if set before, else returns the real color.
143  */
144 static INLINE int qnode_get_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
145         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
146         if (found)
147                 return found->new_color;
148         else
149                 return get_irn_col(qn->ou->co, irn);
150 }
151
152 /**
153  * Sets the virtual color of a node.
154  */
155 static INLINE void qnode_set_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int color) {
156         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
157         found->new_color = color;
158 }
159
160 /**
161  * Checks if a node is local pinned. A node is local pinned, iff it belongs
162  * to the same optimization unit and has been optimized before the current
163  * processed node.
164  */
165 static INLINE int qnode_is_pinned_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
166         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
167         if (found)
168                 return found->pinned_local;
169         else
170                 return 0;
171 }
172
173 /**
174  * Local-pins a node, so optimizations of further nodes of the same opt unit
175  * can handle situations in which a color change would undo prior optimizations.
176  */
177 static INLINE void qnode_pin_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
178         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
179         found->pinned_local = 1;
180 }
181
182 /**
183  * Possible return values of qnode_color_irn()
184  */
185 #define CHANGE_SAVE NULL
186 #define CHANGE_IMPOSSIBLE (ir_node *)1
187 #define is_conflicting_node(n) (((int)n) > 1)
188
189 /**
190  * Performs virtual re-coloring of node @p n to color @p col. Virtual colors of
191  * other nodes are changed too, as required to preserve correctness. Function is
192  * aware of local and global pinning. Recursive.
193  * @param  irn The node to set the color for
194  * @param  col The color to set
195  * @param  trigger The irn that caused the wish to change the color of the irn
196  * @return CHANGE_SAVE iff setting the color is possible, with all transitive effects.
197  *         CHANGE_IMPOSSIBLE iff conflicts with reg-constraintsis occured.
198  *         Else the first conflicting ir_node encountered is returned.
199  *
200  * ASSUMPTION: Assumes that a life range of a single value can't be split into
201  *                         several smaller intervals where other values can live in between.
202  *             This should be true in SSA.
203  */
204 static ir_node *qnode_color_irn(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int col, const ir_node *trigger) {
205         ir_node *res;
206         struct obstack confl_ob;
207         ir_node **confl, *cn;
208         int i, irn_col;
209         const be_chordal_env_t *chordal_env = qn->ou->co->chordal_env;
210         const arch_env_t *arch_env = chordal_env->arch_env;
211         const arch_register_class_t *cls = chordal_env->cls;
212
213         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n \tcaused col(%n) \t%2d --> %2d\n", trigger, irn, qnode_get_new_color(qn, irn), col));
214         obstack_init(&confl_ob);
215         irn_col = qnode_get_new_color(qn, irn);
216
217         if (irn_col == col)
218                 goto ret_save;
219         if (pset_find_ptr(pinned_global, irn) || qnode_is_pinned_local(qn, irn)) {
220                 res = irn;
221                 goto ret_confl;
222         }
223         if (!arch_reg_is_allocatable(arch_env,
224                                                                  irn,
225                                                                  arch_pos_make_out(0),
226                                                                  arch_register_for_index(cls, col)))
227                 goto ret_imposs;
228
229         /* get all nodes which would conflict with this change */
230         {
231                 struct obstack q;
232                 int in, out;
233                 ir_node *irn_bl;
234
235                 irn_bl = get_nodes_block(irn);
236
237                 /* first check for a conflicting node which is 'living in' the irns block */
238                 {
239                         ir_node *n;
240                         pset *live_ins = put_live_in(irn_bl, pset_new_ptr_default());
241                         for (n = pset_first(live_ins); n; n = pset_next(live_ins))
242                                 if (arch_irn_has_reg_class(arch_env, n, arch_pos_make_out(0), cls)
243             && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col
244             && nodes_interfere(chordal_env, irn, n)) {
245
246                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %n\ttroubles\n", n));
247                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
248                                         pset_break(live_ins);
249                                         break;
250                         }
251             del_pset(live_ins);
252                 }
253
254                 /* setup the queue of blocks. */
255                 obstack_init(&q);
256                 obstack_ptr_grow(&q, irn_bl);
257                 in = 1;
258                 out = 0;
259
260                 /* process the queue. The code below checks for every block dominated
261                  * by the irns one, and in which the irn is live, if there are
262                  * conflicting nodes */
263                 while (out < in) {
264                         ir_node *curr_bl, *sub_bl;
265                         int i, max;
266
267                         curr_bl = ((ir_node **)obstack_base(&q))[out++];
268
269                         /* Add to the result all nodes in the block, which have
270                          * the target color and interfere with the irn */
271                         for (i = 0, max = get_irn_n_outs(curr_bl); i < max; ++i) {
272                                 ir_node *n = get_irn_out(curr_bl, i);
273                                 if (arch_irn_has_reg_class(arch_env, n, arch_pos_make_out(0), cls)
274             && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col
275             && nodes_interfere(chordal_env, irn, n)) {
276
277                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %n\ttroubles\n", n));
278                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
279                                 }
280                         }
281
282                         /* If irn lives out check i-dominated blocks where the irn lives in */
283                         /* Fill the queue */
284                         if (is_live_out(curr_bl, irn)) {
285                                 dominates_for_each(curr_bl, sub_bl)
286                                         if (is_live_in(sub_bl, irn)) {
287                                                 obstack_ptr_grow(&q, sub_bl);
288                                                 in++;
289                                         }
290                         }
291                 }
292                 obstack_free(&q, NULL);
293                 obstack_ptr_grow(&confl_ob, NULL);
294                 confl = (ir_node **) obstack_finish(&confl_ob);
295         }
296
297         /* process all nodes which would conflict with this change */
298         for (i = 0, cn = confl[0]; cn; cn = confl[++i]) {
299                 ir_node *sub_res;
300
301                 /* try to color the conflicting node cn with the color of the irn itself */
302                 sub_res = qnode_color_irn(qn, cn, irn_col, irn);
303                 if (sub_res != CHANGE_SAVE) {
304                         res = sub_res;
305                         goto ret_confl;
306                 }
307         }
308         /* if we arrive here all sub changes can be applied, so it's save to change this irn */
309
310 ret_save:
311         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n save\n", irn));
312         obstack_free(&confl_ob, NULL);
313         qnode_set_new_color(qn, irn, col);
314         return CHANGE_SAVE;
315
316 ret_imposs:
317         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n impossible\n", irn));
318         obstack_free(&confl_ob, NULL);
319         return CHANGE_IMPOSSIBLE;
320
321 ret_confl:
322         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n conflicting\n", irn));
323         obstack_free(&confl_ob, NULL);
324         return res;
325 }
326
327 /**
328  * Tries to set the colors for all members of this queue node;
329  * to the target color qn->color
330  * @returns 1 iff all members colors could be set
331  *          0 else
332  */
333 static int qnode_try_color(const qnode_t *qn) {
334         int i;
335         for (i=0; i<qn->mis_size; ++i) {
336                 ir_node *test_node, *confl_node;
337
338                 test_node = qn->mis[i];
339                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Testing %n\n", test_node));
340                 confl_node = qnode_color_irn(qn, test_node, qn->color, test_node);
341
342                 if (confl_node == CHANGE_SAVE) {
343                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Save --> pin local\n"));
344                         qnode_pin_local(qn, test_node);
345                 } else if (confl_node == CHANGE_IMPOSSIBLE) {
346                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Impossible --> remove from qnode\n"));
347                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
348                 } else {
349                         if (qnode_is_pinned_local(qn, confl_node)) {
350                                 /* changing test_node would change back a node of current ou */
351                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local --> add conflict\n"));
352                                 qnode_add_conflict(qn, confl_node, test_node);
353                         }
354                         if (pset_find_ptr(pinned_global, confl_node)) {
355                                 /* changing test_node would change back a node of a prior ou */
356                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting global --> remove from qnode\n"));
357                                 qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
358                         }
359                 }
360
361                 if (confl_node != CHANGE_SAVE)
362                         return 0;
363         }
364         return 1;
365 }
366
367 /**
368  * Determines a maximum independent set with respect to the interference and
369  * conflict edges of all nodes in a qnode.
370  */
371 static INLINE void qnode_max_ind_set(qnode_t *qn, const unit_t *ou) {
372         int all_size, curr_size, i, o;
373         int *which;
374         ir_node **curr, **all = alloca(ou->node_count * sizeof(*all));
375
376         /* all contains all nodes not removed in this qn */
377         all_size = 0;
378         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
379                 if (!qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[i], ou->nodes[i]))
380                         all[all_size++] = ou->nodes[i];
381
382         /* which[i] says which element to take out of all[] and put into curr[i] */
383         which = alloca(all_size*sizeof(*which));
384         for (curr_size=0; curr_size<all_size; ++curr_size)
385                 which[curr_size] = curr_size;
386
387         /* stores the currently examined set */
388         curr = alloca(all_size*sizeof(*curr));
389
390         while (1) { /* this loop will terminate because at least a single node will be a max indep. set */
391                 /* build current set */
392                 for (i=0; i<curr_size; ++i)
393                         curr[i] = all[which[all_size-curr_size+i]];
394
395                 /* check current set */
396                 for (i=0; i<curr_size; ++i)
397                         for (o=i+1; o<curr_size; ++o)
398                                 if (qnode_are_conflicting(qn, curr[i], curr[o]))
399                                         goto conflict_found;
400
401                 /* We had no conflict. This is the max indep. set */
402                 qn->mis_size = curr_size;
403                 for (i=0; i<curr_size; ++i)
404                         qn->mis[i] = curr[i];
405                 return;
406
407 conflict_found:
408                 /* We had a conflict. Generate next set */
409                 if (which[all_size-curr_size+1] == all_size-curr_size+1) {
410                         curr_size--;
411                         for (i=0; i<curr_size; ++i)
412                                 which[all_size-curr_size+i] = i;
413                 } else {
414                         int redo = 1;
415                         while (redo) {
416                                 int pos = all_size;
417                                 do {
418                                         pos--;
419                                 } while (!(which[pos] = (which[pos]+1) % all_size));
420
421                                 for (i=pos+1; i<all_size; ++i)
422                                         which[i] = MIN(which[i-1]+1, all_size-1);
423
424                                 redo = 0;
425                                 for (i=all_size-curr_size; i<all_size-1; ++i)
426                                         if (which[i]>=which[i+1]) {
427                                                 redo = 1;
428                                                 break;
429                                         }
430                         }
431                 }
432         }
433 }
434
435 /**
436  * Creates a new qnode
437  */
438 static INLINE qnode_t *new_qnode(const unit_t *ou, int color) {
439         qnode_t *qn = xmalloc(sizeof(*qn));
440         qn->ou = ou;
441         qn->color = color;
442         qn->mis = malloc(ou->node_count * sizeof(*qn->mis));
443         qn->conflicts = new_set(set_cmp_conflict_t, SLOTS_CONFLICTS);
444         qn->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
445         return qn;
446 }
447
448 /**
449  * Frees space used by a queue node
450  */
451 static INLINE void free_qnode(qnode_t *qn) {
452         del_set(qn->conflicts);
453         del_set(qn->changed_nodes);
454         xfree(qn->mis);
455         xfree(qn);
456 }
457
458 /**
459  * Inserts a qnode in the sorted queue of the optimization unit. Queue is
460  * ordered by field 'size' (the size of the mis) in decreasing order.
461  */
462 static INLINE void ou_insert_qnode(unit_t *ou, qnode_t *qn) {
463         struct list_head *lh;
464
465         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[0], ou->nodes[0])) {
466                 /* root node is not in qnode */
467                 free_qnode(qn);
468                 return;
469         }
470
471         qnode_max_ind_set(qn, ou);
472         /* do the insertion */
473         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t  Insert qnode color %d with size %d\n", qn->color, qn->mis_size));
474         lh = &ou->queue;
475         while (lh->next != &ou->queue) {
476                 qnode_t *curr = list_entry_queue(lh->next);
477                 if (curr->mis_size <= qn->mis_size)
478                         break;
479                 lh = lh->next;
480         }
481         list_add(&qn->queue, lh);
482 }
483
484 /**
485  * Tries to re-allocate colors of nodes in this opt unit, to achieve a lower
486  * number of copy instructions placed during SSA-destruction and lowering.
487  * Works only for opt units with exactly 1 root node, which is the
488  * case for approximately 80% of all phi classes and all register constrained
489  * nodes. (All other phi classes are reduced to this case.)
490  */
491 static void ou_optimize(unit_t *ou) {
492         int i;
493         qnode_t *curr, *tmp;
494         bitset_t *pos_regs = bitset_alloca(ou->co->chordal_env->cls->n_regs);
495
496         DBG((dbg, LEVEL_1, "\tOptimizing unit:\n"));
497         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
498                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t %n\n", ou->nodes[i]));
499
500         /* init queue */
501         INIT_LIST_HEAD(&ou->queue);
502         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);
503         bitset_foreach(pos_regs, i)
504                 ou_insert_qnode(ou, new_qnode(ou, i));
505
506         /* search best */
507         while (!list_empty(&ou->queue)) {
508                 /* get head of queue */
509                 curr = list_entry_queue(ou->queue.next);
510                 list_del(&curr->queue);
511                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t  Examine qnode color %d with size %d\n", curr->color, curr->mis_size));
512
513                 /* try */
514                 if (qnode_try_color(curr))
515                         break;
516                 /* no success, so re-insert */
517                 del_set(curr->changed_nodes);
518                 curr->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
519                 ou_insert_qnode(ou, curr);
520         }
521
522         /* apply the best found qnode */
523         if (curr->mis_size >= 2) {
524                 node_stat_t *ns;
525
526                 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));
527                 /* globally pin root and eventually others */
528                 pset_insert_ptr(pinned_global, ou->nodes[0]);
529                 for (i=1; i<ou->node_count; ++i) {
530                         ir_node *irn = ou->nodes[i];
531                         int nc = qnode_get_new_color(curr, irn);
532                         if (nc != NO_COLOR && nc == qnode_get_new_color(curr, ou->nodes[0]))
533                                 pset_insert_ptr(pinned_global, irn);
534                 }
535
536                 /* set color of all changed nodes */
537                 for (ns = set_first(curr->changed_nodes); ns; ns = set_next(curr->changed_nodes)) {
538                         /* NO_COLOR is possible, if we had an undo */
539                         if (ns->new_color != NO_COLOR) {
540                                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t    color(%n) := %d\n", ns->irn, ns->new_color));
541                                 set_irn_col(ou->co, ns->irn, ns->new_color);
542                         }
543                 }
544         }
545
546         /* free best qnode (curr) and queue */
547         free_qnode(curr);
548         list_for_each_entry_safe(qnode_t, curr, tmp, &ou->queue, queue)
549                 free_qnode(curr);
550 }
551
552 void co_heur_opt(copy_opt_t *co) {
553         unit_t *curr;
554         dbg = firm_dbg_register("ir.be.copyoptheur");
555         firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL);
556         if (!strcmp(co->name, DEBUG_IRG))
557                 firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL_HEUR);
558         else
559                 firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL);
560
561         pinned_global = pset_new_ptr(SLOTS_PINNED_GLOBAL);
562         list_for_each_entry(unit_t, curr, &co->units, units)
563                 if (curr->node_count > 1)
564                         ou_optimize(curr);
565
566         del_pset(pinned_global);
567 }