Copy costs instead of numbers
[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 #define DEBUG_LVL 0 //SET_LEVEL_1
32 static firm_dbg_module_t *dbg = NULL;
33
34 #define SLOTS_PINNED_GLOBAL 256
35 #define SLOTS_CONFLICTS 8
36 #define SLOTS_CHANGED_NODES 32
37
38 #define MIN(a,b) ((a<b)?(a):(b))
39 #define list_entry_queue(lh) list_entry(lh, qnode_t, queue)
40 #define HASH_CONFLICT(c) (HASH_PTR(c.n1) ^ HASH_PTR(c.n2))
41
42 /**
43  * Modeling additional conflicts between nodes. NOT live range interference
44  */
45 typedef struct _conflict_t {
46         const ir_node *n1, *n2;
47 } conflict_t;
48
49 /**
50  * If an irn is changed, the changes first get stored in a node_stat_t,
51  * to allow undo of changes (=drop new data) in case of conflicts.
52  */
53 typedef struct _node_stat_t {
54         ir_node *irn;
55         int new_color;
56         int pinned_local :1;
57 } node_stat_t;
58
59 /**
60  * Represents a node in the optimization queue.
61  */
62 typedef struct _qnode_t {
63         struct list_head queue;         /**< chaining of unit_t->queue */
64         const unit_t *ou;                       /**< the opt unit this qnode belongs to */
65         int color;                                      /**< target color */
66         set *conflicts;                         /**< contains conflict_t's. All internal conflicts */
67         int mis_costs;                          /**< costs of nodes/copies in the mis. */
68         int mis_size;                           /**< size of the array below */
69         ir_node **mis;                          /**< the nodes of unit_t->nodes[] being part of the max independent set */
70         set *changed_nodes;                     /**< contains node_stat_t's. */
71 } qnode_t;
72
73 pset *pinned_global;                    /**< optimized nodes should not be altered any more */
74
75 static int set_cmp_conflict_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
76         const conflict_t *xx = x;
77         const conflict_t *yy = y;
78         return ! (xx->n1 == yy->n1 && xx->n2 == yy->n2);
79 }
80
81 /**
82  * If a local pinned conflict occurs, a new edge in the conflict graph is added.
83  * The next maximum independent set build, will regard it.
84  */
85 static INLINE void qnode_add_conflict(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
86         conflict_t c;
87         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t      %n -- %n\n", n1, n2));
88
89         if ((int)n1 < (int)n2) {
90                 c.n1 = n1;
91                 c.n2 = n2;
92         } else {
93                 c.n1 = n2;
94                 c.n2 = n1;
95         }
96         set_insert(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
97 }
98
99 /**
100  * Checks if two nodes are in a conflict.
101  */
102 static INLINE int qnode_are_conflicting(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
103         conflict_t c;
104         /* search for live range interference */
105         if (n1!=n2 && nodes_interfere(qn->ou->co->chordal_env, n1, n2))
106                 return 1;
107         /* search for recoloring conflicts */
108         if ((int)n1 < (int)n2) {
109                 c.n1 = n1;
110                 c.n2 = n2;
111         } else {
112                 c.n1 = n2;
113                 c.n2 = n1;
114         }
115         return (int) set_find(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
116 }
117
118 static int set_cmp_node_stat_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
119         return ((node_stat_t *)x)->irn != ((node_stat_t *)y)->irn;
120 }
121
122 /**
123  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise return NULL
124  */
125 static INLINE node_stat_t *qnode_find_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
126         node_stat_t find;
127         find.irn = irn;
128         return set_find(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
129 }
130
131 /**
132  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise it will return
133  * an initialized new entry for this node.
134  */
135 static INLINE node_stat_t *qnode_find_or_insert_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
136         node_stat_t find;
137         find.irn = irn;
138         find.new_color = NO_COLOR;
139         find.pinned_local = 0;
140         return set_insert(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
141 }
142
143 /**
144  * Returns the virtual color of a node if set before, else returns the real color.
145  */
146 static INLINE int qnode_get_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
147         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
148         if (found)
149                 return found->new_color;
150         else
151                 return get_irn_col(qn->ou->co, irn);
152 }
153
154 /**
155  * Sets the virtual color of a node.
156  */
157 static INLINE void qnode_set_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int color) {
158         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
159         found->new_color = color;
160 }
161
162 /**
163  * Checks if a node is local pinned. A node is local pinned, iff it belongs
164  * to the same optimization unit and has been optimized before the current
165  * processed node.
166  */
167 static INLINE int qnode_is_pinned_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
168         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
169         if (found)
170                 return found->pinned_local;
171         else
172                 return 0;
173 }
174
175 /**
176  * Local-pins a node, so optimizations of further nodes of the same opt unit
177  * can handle situations in which a color change would undo prior optimizations.
178  */
179 static INLINE void qnode_pin_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
180         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
181         found->pinned_local = 1;
182 }
183
184 /**
185  * Possible return values of qnode_color_irn()
186  */
187 #define CHANGE_SAVE NULL
188 #define CHANGE_IMPOSSIBLE (ir_node *)1
189 #define is_conflicting_node(n) (((int)n) > 1)
190
191 /**
192  * Performs virtual re-coloring of node @p n to color @p col. Virtual colors of
193  * other nodes are changed too, as required to preserve correctness. Function is
194  * aware of local and global pinning. Recursive.
195  * @param  irn The node to set the color for
196  * @param  col The color to set
197  * @param  trigger The irn that caused the wish to change the color of the irn
198  * @return CHANGE_SAVE iff setting the color is possible, with all transitive effects.
199  *         CHANGE_IMPOSSIBLE iff conflicts with reg-constraintsis occured.
200  *         Else the first conflicting ir_node encountered is returned.
201  *
202  * ASSUMPTION: Assumes that a life range of a single value can't be split into
203  *                         several smaller intervals where other values can live in between.
204  *             This should be true in SSA.
205  */
206 static ir_node *qnode_color_irn(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int col, const ir_node *trigger) {
207         ir_node *res;
208         struct obstack confl_ob;
209         ir_node **confl, *cn;
210         int i, irn_col;
211         const be_chordal_env_t *chordal_env = qn->ou->co->chordal_env;
212         const arch_env_t *arch_env = chordal_env->arch_env;
213         const arch_register_class_t *cls = chordal_env->cls;
214
215         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n \tcaused col(%n) \t%2d --> %2d\n", trigger, irn, qnode_get_new_color(qn, irn), col));
216         obstack_init(&confl_ob);
217         irn_col = qnode_get_new_color(qn, irn);
218
219         if (irn_col == col)
220                 goto ret_save;
221         if (pset_find_ptr(pinned_global, irn) || qnode_is_pinned_local(qn, irn)) {
222                 res = irn;
223                 goto ret_confl;
224         }
225         if (!arch_reg_is_allocatable(arch_env,
226                                                                  irn,
227                                                                  arch_pos_make_out(0),
228                                                                  arch_register_for_index(cls, col)))
229                 goto ret_imposs;
230
231         /* get all nodes which would conflict with this change */
232         {
233                 struct obstack q;
234                 int in, out;
235                 ir_node *irn_bl;
236
237                 irn_bl = get_nodes_block(irn);
238
239                 /* first check for a conflicting node which is 'living in' the irns block */
240                 {
241                         ir_node *n;
242                         pset *live_ins = put_live_in(irn_bl, pset_new_ptr_default());
243                         for (n = pset_first(live_ins); n; n = pset_next(live_ins))
244                                 if (arch_irn_has_reg_class(arch_env, n, arch_pos_make_out(0), cls)
245             && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col
246             && nodes_interfere(chordal_env, irn, n)) {
247
248                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %n\ttroubles\n", n));
249                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
250                                         pset_break(live_ins);
251                                         break;
252                         }
253             del_pset(live_ins);
254                 }
255
256                 /* setup the queue of blocks. */
257                 obstack_init(&q);
258                 obstack_ptr_grow(&q, irn_bl);
259                 in = 1;
260                 out = 0;
261
262                 /* process the queue. The code below checks for every block dominated
263                  * by the irns one, and in which the irn is live, if there are
264                  * conflicting nodes */
265                 while (out < in) {
266                         ir_node *curr_bl, *sub_bl;
267                         int i, max;
268
269                         curr_bl = ((ir_node **)obstack_base(&q))[out++];
270
271                         /* Add to the result all nodes in the block, which have
272                          * the target color and interfere with the irn */
273                         for (i = 0, max = get_irn_n_outs(curr_bl); i < max; ++i) {
274                                 ir_node *n = get_irn_out(curr_bl, i);
275                                 if (arch_irn_has_reg_class(arch_env, n, arch_pos_make_out(0), cls)
276             && n != trigger && qnode_get_new_color(qn, n) == col
277             && nodes_interfere(chordal_env, irn, n)) {
278
279                                         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t        %n\ttroubles\n", n));
280                                         obstack_ptr_grow(&confl_ob, n);
281                                 }
282                         }
283
284                         /* If irn lives out check i-dominated blocks where the irn lives in */
285                         /* Fill the queue */
286                         if (is_live_out(curr_bl, irn)) {
287                                 dominates_for_each(curr_bl, sub_bl)
288                                         if (is_live_in(sub_bl, irn)) {
289                                                 obstack_ptr_grow(&q, sub_bl);
290                                                 in++;
291                                         }
292                         }
293                 }
294                 obstack_free(&q, NULL);
295                 obstack_ptr_grow(&confl_ob, NULL);
296                 confl = (ir_node **) obstack_finish(&confl_ob);
297         }
298
299         /* process all nodes which would conflict with this change */
300         for (i = 0, cn = confl[0]; cn; cn = confl[++i]) {
301                 ir_node *sub_res;
302
303                 /* try to color the conflicting node cn with the color of the irn itself */
304                 sub_res = qnode_color_irn(qn, cn, irn_col, irn);
305                 if (sub_res != CHANGE_SAVE) {
306                         res = sub_res;
307                         goto ret_confl;
308                 }
309         }
310         /* if we arrive here all sub changes can be applied, so it's save to change this irn */
311
312 ret_save:
313         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n save\n", irn));
314         obstack_free(&confl_ob, NULL);
315         qnode_set_new_color(qn, irn, col);
316         return CHANGE_SAVE;
317
318 ret_imposs:
319         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n impossible\n", irn));
320         obstack_free(&confl_ob, NULL);
321         return CHANGE_IMPOSSIBLE;
322
323 ret_confl:
324         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %n conflicting\n", irn));
325         obstack_free(&confl_ob, NULL);
326         return res;
327 }
328
329 /**
330  * Tries to set the colors for all members of this queue node;
331  * to the target color qn->color
332  * @returns 1 iff all members colors could be set
333  *          0 else
334  */
335 static int qnode_try_color(const qnode_t *qn) {
336         int i;
337         for (i=0; i<qn->mis_size; ++i) {
338                 ir_node *test_node, *confl_node;
339
340                 test_node = qn->mis[i];
341                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Testing %n\n", test_node));
342                 confl_node = qnode_color_irn(qn, test_node, qn->color, test_node);
343
344                 if (confl_node == CHANGE_SAVE) {
345                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Save --> pin local\n"));
346                         qnode_pin_local(qn, test_node);
347                 } else if (confl_node == CHANGE_IMPOSSIBLE) {
348                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Impossible --> remove from qnode\n"));
349                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
350                 } else {
351                         if (qnode_is_pinned_local(qn, confl_node)) {
352                                 /* changing test_node would change back a node of current ou */
353                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local --> add conflict\n"));
354                                 qnode_add_conflict(qn, confl_node, test_node);
355                         }
356                         if (pset_find_ptr(pinned_global, confl_node)) {
357                                 /* changing test_node would change back a node of a prior ou */
358                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting global --> remove from qnode\n"));
359                                 qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
360                         }
361                 }
362
363                 if (confl_node != CHANGE_SAVE)
364                         return 0;
365         }
366         return 1;
367 }
368
369 /**
370  * Determines a maximum weighted independent set with respect to
371  * the interference and conflict edges of all nodes in a qnode.
372  */
373 static INLINE void qnode_max_ind_set(qnode_t *qn, const unit_t *ou) {
374         ir_node **irns;
375         int max, next, pos, curr_weight, best_weight = 0;
376         bitset_t *best, *curr;
377
378         irns = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*irns));
379         best = bitset_alloca(ou->node_count-1);
380         curr = bitset_alloca(ou->node_count-1);
381
382         /* brute force the best set */
383         bitset_set_all(curr);
384         while ((max = bitset_popcnt(curr)) != 0) {
385                 /* check if curr is a stable set */
386                 int i, o, is_stable_set = 1;
387                 bitset_foreach(curr, pos)
388                         irns[pos] = ou->nodes[1+pos];
389                 for(i=0; i<max; ++i)
390                         for(o=i; o<max; ++o) /* !!!!! difference to ou_max_ind_set_costs(): NOT o=i+1 */
391                                 if (qnode_are_conflicting(qn, irns[i], irns[o])) {
392                                         is_stable_set = 0;
393                                         break;
394                                 }
395
396                 if (is_stable_set) {
397                         /* calc current weigth */
398                         curr_weight = 0;
399                         bitset_foreach(curr, pos)
400                                 curr_weight += ou->costs[1+pos];
401
402                         /* any better ? */
403                         if (curr_weight > best_weight) {
404                                 best_weight = curr_weight;
405                                 bitset_copy(best, curr);
406                         }
407                 }
408
409                 bitset_minus1(curr);
410         }
411
412         /* transfer the best set into the qn */
413         qn->mis_size = bitset_popcnt(best);
414         qn->mis_costs = best_weight;
415         next = 0;
416         bitset_foreach(best, pos)
417                 qn->mis[next++] = ou->nodes[1+pos];
418 }
419
420 /**
421  * Creates a new qnode
422  */
423 static INLINE qnode_t *new_qnode(const unit_t *ou, int color) {
424         qnode_t *qn = xmalloc(sizeof(*qn));
425         qn->ou = ou;
426         qn->color = color;
427         qn->mis = malloc(ou->node_count * sizeof(*qn->mis));
428         qn->conflicts = new_set(set_cmp_conflict_t, SLOTS_CONFLICTS);
429         qn->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
430         return qn;
431 }
432
433 /**
434  * Frees space used by a queue node
435  */
436 static INLINE void free_qnode(qnode_t *qn) {
437         del_set(qn->conflicts);
438         del_set(qn->changed_nodes);
439         xfree(qn->mis);
440         xfree(qn);
441 }
442
443 /**
444  * Inserts a qnode in the sorted queue of the optimization unit. Queue is
445  * ordered by field 'size' (the size of the mis) in decreasing order.
446  */
447 static INLINE void ou_insert_qnode(unit_t *ou, qnode_t *qn) {
448         struct list_head *lh;
449
450         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[0], ou->nodes[0])) {
451                 /* root node is not in qnode */
452                 free_qnode(qn);
453                 return;
454         }
455
456         qnode_max_ind_set(qn, ou);
457         /* do the insertion */
458         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t  Insert qnode color %d with cost %d\n", qn->color, qn->mis_costs));
459         lh = &ou->queue;
460         while (lh->next != &ou->queue) {
461                 qnode_t *curr = list_entry_queue(lh->next);
462                 if (curr->mis_costs <= qn->mis_costs)
463                         break;
464                 lh = lh->next;
465         }
466         list_add(&qn->queue, lh);
467 }
468
469 /**
470  * Tries to re-allocate colors of nodes in this opt unit, to achieve lower
471  * costs of copy instructions placed during SSA-destruction and lowering.
472  * Works only for opt units with exactly 1 root node, which is the
473  * case for approximately 80% of all phi classes and 100% of register constrained
474  * nodes. (All other phi classes are reduced to this case.)
475  */
476 static void ou_optimize(unit_t *ou) {
477         int i;
478         qnode_t *curr, *tmp;
479         bitset_t *pos_regs = bitset_alloca(ou->co->chordal_env->cls->n_regs);
480
481         DBG((dbg, LEVEL_1, "\tOptimizing unit:\n"));
482         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
483                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t %n\n", ou->nodes[i]));
484
485         /* init queue */
486         INIT_LIST_HEAD(&ou->queue);
487         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);
488         bitset_foreach(pos_regs, i)
489                 ou_insert_qnode(ou, new_qnode(ou, i));
490
491         /* search best */
492         while (!list_empty(&ou->queue)) {
493                 /* get head of queue */
494                 curr = list_entry_queue(ou->queue.next);
495                 list_del(&curr->queue);
496                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t  Examine qnode color %d with cost %d\n", curr->color, curr->mis_costs));
497
498                 /* try */
499                 if (qnode_try_color(curr))
500                         break;
501                 /* no success, so re-insert */
502                 del_set(curr->changed_nodes);
503                 curr->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
504                 ou_insert_qnode(ou, curr);
505         }
506
507         /* apply the best found qnode */
508         if (curr->mis_size >= 2) {
509                 node_stat_t *ns;
510
511                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t  Best color: %d  Costs: %d/%d\n", curr->color, ou->complete_costs - curr->mis_costs, ou->complete_costs));
512                 /* globally pin root and eventually others */
513                 pset_insert_ptr(pinned_global, ou->nodes[0]);
514                 for (i=1; i<ou->node_count; ++i) {
515                         ir_node *irn = ou->nodes[i];
516                         int nc = qnode_get_new_color(curr, irn);
517                         if (nc != NO_COLOR && nc == qnode_get_new_color(curr, ou->nodes[0]))
518                                 pset_insert_ptr(pinned_global, irn);
519                 }
520
521                 /* set color of all changed nodes */
522                 for (ns = set_first(curr->changed_nodes); ns; ns = set_next(curr->changed_nodes)) {
523                         /* NO_COLOR is possible, if we had an undo */
524                         if (ns->new_color != NO_COLOR) {
525                                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t    color(%n) := %d\n", ns->irn, ns->new_color));
526                                 set_irn_col(ou->co, ns->irn, ns->new_color);
527                         }
528                 }
529         }
530
531         /* free best qnode (curr) and queue */
532         free_qnode(curr);
533         list_for_each_entry_safe(qnode_t, curr, tmp, &ou->queue, queue)
534                 free_qnode(curr);
535 }
536
537 void co_heur_opt(copy_opt_t *co) {
538         unit_t *curr;
539         dbg = firm_dbg_register("ir.be.copyoptheur");
540         firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL);
541         if (!strcmp(co->name, DEBUG_IRG))
542                 firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL_HEUR);
543         else
544                 firm_dbg_set_mask(dbg, DEBUG_LVL);
545
546         pinned_global = pset_new_ptr(SLOTS_PINNED_GLOBAL);
547         list_for_each_entry(unit_t, curr, &co->units, units)
548                 if (curr->node_count > 1)
549                         ou_optimize(curr);
550
551         del_pset(pinned_global);
552 }