Adapted to API
[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 static 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         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      col(%+F) := %d\n", irn, 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         if (found->new_color == NO_COLOR)
183                 found->new_color = get_irn_col(qn->ou->co, irn);
184 }
185
186 /**
187  * Possible return values of qnode_color_irn()
188  */
189 #define CHANGE_SAVE NULL
190 #define CHANGE_IMPOSSIBLE (ir_node *)1
191 #define is_conflicting_node(n) (((int)n) > 1)
192
193 /**
194  * Performs virtual re-coloring of node @p n to color @p col. Virtual colors of
195  * other nodes are changed too, as required to preserve correctness. Function is
196  * aware of local and global pinning. Recursive.
197  * @param  irn The node to set the color for
198  * @param  col The color to set
199  * @param  trigger The irn that caused the wish to change the color of the irn
200  * @return CHANGE_SAVE iff setting the color is possible, with all transitive effects.
201  *         CHANGE_IMPOSSIBLE iff conflicts with reg-constraintsis occured.
202  *         Else the first conflicting ir_node encountered is returned.
203  *
204  * ASSUMPTION: Assumes that a life range of a single value can't be split into
205  *                         several smaller intervals where other values can live in between.
206  *             This should be true in SSA.
207  */
208 static ir_node *qnode_color_irn(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int col, const ir_node *trigger) {
209         const be_chordal_env_t *chordal_env = qn->ou->co->chordal_env;
210         const arch_register_class_t *cls = chordal_env->cls;
211         const arch_env_t *arch_env = chordal_env->main_env->arch_env;
212         int irn_col = qnode_get_new_color(qn, irn);
213
214         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    %+F \tcaused col(%+F) \t%2d --> %2d\n", trigger, irn, irn_col, col));
215
216         if (irn_col == col) {
217                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F same color\n", irn));
218                 return CHANGE_SAVE;
219         }
220         if (pset_find_ptr(pinned_global, irn) || qnode_is_pinned_local(qn, irn)) {
221                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F conflicting\n", irn));
222                 return irn;
223         }
224         if (!arch_reg_is_allocatable(arch_env, irn, -1, arch_register_for_index(cls, col))) {
225                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F impossible\n", irn));
226                 return CHANGE_IMPOSSIBLE;
227         }
228
229         /*
230          * Process all nodes which would conflict with this change
231          */
232         {
233                 be_ifg_t *ifg = chordal_env->ifg;
234                 void *iter = be_ifg_neighbours_iter_alloca(ifg);
235                 ir_node *sub_res, *curr;
236
237                 /*
238                  * Try to color all conflicting nodes 'curr'
239                  * with the color of the irn itself.
240                  */
241                 be_ifg_foreach_neighbour(ifg, iter, irn, curr) {
242                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      Confl %+F(%d)\n", curr, qnode_get_new_color(qn, curr)));
243                         if (qnode_get_new_color(qn, curr) == col && curr != trigger) {
244                                 sub_res = qnode_color_irn(qn, curr, irn_col, irn);
245                                 if (sub_res != CHANGE_SAVE) {
246                                         be_ifg_neighbours_break(ifg, iter);
247                                         return sub_res;
248                                 }
249                         }
250                 }
251         }
252
253         /*
254          * If we arrive here, all sub changes have been applied.
255          * So it's save to change this irn
256          */
257         qnode_set_new_color(qn, irn, col);
258         return CHANGE_SAVE;
259 }
260
261 /**
262  * Tries to set the colors for all members of this queue node;
263  * to the target color qn->color
264  * @returns 1 iff all members colors could be set
265  *          0 else
266  */
267 static int qnode_try_color(const qnode_t *qn) {
268         int i;
269         for (i=0; i<qn->mis_size; ++i) {
270                 ir_node *test_node, *confl_node;
271
272                 test_node = qn->mis[i];
273                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Testing %+F\n", test_node));
274                 confl_node = qnode_color_irn(qn, test_node, qn->color, test_node);
275
276                 if (confl_node == CHANGE_SAVE) {
277                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Save --> pin local\n"));
278                         qnode_pin_local(qn, test_node);
279                 } else if (confl_node == CHANGE_IMPOSSIBLE) {
280                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Impossible --> remove from qnode\n"));
281                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
282                 } else {
283                         if (qnode_is_pinned_local(qn, confl_node)) {
284                                 /* changing test_node would change back a node of current ou */
285                                 if (confl_node == qn->ou->nodes[0]) {
286                                         /* Adding a conflict edge between testnode and conflnode
287                                          * would introduce a root -- arg interference.
288                                          * So remove the arg of the qn */
289                                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local with phi --> remove from qnode\n"));
290                                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
291                                 } else {
292                                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local --> add conflict\n"));
293                                         qnode_add_conflict(qn, confl_node, test_node);
294                                 }
295                         }
296                         if (pset_find_ptr(pinned_global, confl_node)) {
297                                 /* changing test_node would change back a node of a prior ou */
298                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting global --> remove from qnode\n"));
299                                 qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
300                         }
301                 }
302
303                 if (confl_node != CHANGE_SAVE)
304                         return 0;
305         }
306         return 1;
307 }
308
309 /**
310  * Determines a maximum weighted independent set with respect to
311  * the interference and conflict edges of all nodes in a qnode.
312  */
313 static INLINE void qnode_max_ind_set(qnode_t *qn, const unit_t *ou) {
314         ir_node **safe, **unsafe;
315         int i, o, safe_count, safe_costs, unsafe_count, *unsafe_costs;
316         bitset_t *curr, *best;
317         int max, next, pos, curr_weight, best_weight = 0;
318
319         /* assign the nodes into two groups.
320          * safe: node has no interference, hence it is in every max stable set.
321          * unsafe: node has an interference
322          */
323         safe = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*safe));
324         safe_costs = 0;
325         safe_count = 0;
326         unsafe = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*unsafe));
327         unsafe_costs = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*unsafe_costs));
328         unsafe_count = 0;
329         for(i=1; i<ou->node_count; ++i) {
330                 int is_safe = 1;
331                 for(o=1; o<ou->node_count; ++o) {
332                         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[i], ou->nodes[o])) {
333                                 if (i!=o) {
334                                         unsafe_costs[unsafe_count] = ou->costs[i];
335                                         unsafe[unsafe_count] = ou->nodes[i];
336                                         ++unsafe_count;
337                                 }
338                                 is_safe = 0;
339                                 break;
340                         }
341                 }
342                 if (is_safe) {
343                         safe_costs += ou->costs[i];
344                         safe[safe_count++] = ou->nodes[i];
345                 }
346         }
347
348
349
350         /* now compute the best set out of the unsafe nodes*/
351         best = bitset_alloca(unsafe_count);
352
353         if (unsafe_count > MIS_HEUR_TRIGGER) {
354                 /* Heuristic: Greedy trial and error form index 0 to unsafe_count-1 */
355                 for (i=0; i<unsafe_count; ++i) {
356                         bitset_set(best, i);
357                         /* check if it is a stable set */
358                         for (o=bitset_next_set(best, 0); o!=-1 && o<=i; o=bitset_next_set(best, o+1))
359                                 if (qnode_are_conflicting(qn, unsafe[i], unsafe[o])) {
360                                         bitset_clear(best, i); /* clear the bit and try next one */
361                                         break;
362                                 }
363                 }
364                 /* compute the weight */
365                 bitset_foreach(best, pos)
366                         best_weight += unsafe_costs[pos];
367         } else {
368                 /* Exact Algorithm: Brute force */
369                 curr = bitset_alloca(unsafe_count);
370                 bitset_set_all(curr);
371                 while ((max = bitset_popcnt(curr)) != 0) {
372                         /* check if curr is a stable set */
373                         for (i=bitset_next_set(curr, 0); i!=-1; i=bitset_next_set(curr, i+1))
374                                 for (o=bitset_next_set(curr, i); o!=-1; o=bitset_next_set(curr, o+1)) /* !!!!! difference to ou_max_ind_set_costs(): NOT (curr, i+1) */
375                                                 if (qnode_are_conflicting(qn, unsafe[i], unsafe[o]))
376                                                         goto no_stable_set;
377
378                         /* if we arrive here, we have a stable set */
379                         /* compute the weigth of the stable set*/
380                         curr_weight = 0;
381                         bitset_foreach(curr, pos)
382                                 curr_weight += unsafe_costs[pos];
383
384                         /* any better ? */
385                         if (curr_weight > best_weight) {
386                                 best_weight = curr_weight;
387                                 bitset_copy(best, curr);
388                         }
389
390 no_stable_set:
391                         bitset_minus1(curr);
392                 }
393         }
394
395         /* transfer the best set into the qn */
396         qn->mis_size = 1+safe_count+bitset_popcnt(best);
397         qn->mis_costs = safe_costs+best_weight;
398         qn->mis[0] = ou->nodes[0]; /* the root is always in a max stable set */
399         next = 1;
400         for (i=0; i<safe_count; ++i)
401                 qn->mis[next++] = safe[i];
402         bitset_foreach(best, pos)
403                 qn->mis[next++] = unsafe[pos];
404 }
405
406 /**
407  * Creates a new qnode
408  */
409 static INLINE qnode_t *new_qnode(const unit_t *ou, int color) {
410         qnode_t *qn = xmalloc(sizeof(*qn));
411         qn->ou = ou;
412         qn->color = color;
413         qn->mis = malloc(ou->node_count * sizeof(*qn->mis));
414         qn->conflicts = new_set(set_cmp_conflict_t, SLOTS_CONFLICTS);
415         qn->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
416         return qn;
417 }
418
419 /**
420  * Frees space used by a queue node
421  */
422 static INLINE void free_qnode(qnode_t *qn) {
423         del_set(qn->conflicts);
424         del_set(qn->changed_nodes);
425         xfree(qn->mis);
426         xfree(qn);
427 }
428
429 /**
430  * Inserts a qnode in the sorted queue of the optimization unit. Queue is
431  * ordered by field 'size' (the size of the mis) in decreasing order.
432  */
433 static INLINE void ou_insert_qnode(unit_t *ou, qnode_t *qn) {
434         struct list_head *lh;
435
436         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[0], ou->nodes[0])) {
437                 /* root node is not in qnode */
438                 free_qnode(qn);
439                 return;
440         }
441
442         qnode_max_ind_set(qn, ou);
443         /* do the insertion */
444         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t  Insert qnode color %d with cost %d\n", qn->color, qn->mis_costs));
445         lh = &ou->queue;
446         while (lh->next != &ou->queue) {
447                 qnode_t *curr = list_entry_queue(lh->next);
448                 if (curr->mis_costs <= qn->mis_costs)
449                         break;
450                 lh = lh->next;
451         }
452         list_add(&qn->queue, lh);
453 }
454
455 /**
456  * Tries to re-allocate colors of nodes in this opt unit, to achieve lower
457  * costs of copy instructions placed during SSA-destruction and lowering.
458  * Works only for opt units with exactly 1 root node, which is the
459  * case for approximately 80% of all phi classes and 100% of register constrained
460  * nodes. (All other phi classes are reduced to this case.)
461  */
462 static void ou_optimize(unit_t *ou) {
463         int i;
464         qnode_t *curr = NULL, *tmp;
465         bitset_t *pos_regs = bitset_alloca(ou->co->chordal_env->cls->n_regs);
466
467         DBG((dbg, LEVEL_1, "\tOptimizing unit:\n"));
468         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
469                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t %+F\n", ou->nodes[i]));
470
471         /* init queue */
472         INIT_LIST_HEAD(&ou->queue);
473         arch_get_allocatable_regs(get_arch_env(ou->co), ou->nodes[0], -1, pos_regs);
474         bitset_foreach(pos_regs, i)
475                 ou_insert_qnode(ou, new_qnode(ou, i));
476
477         /* search best */
478         while (!list_empty(&ou->queue)) {
479                 /* get head of queue */
480                 curr = list_entry_queue(ou->queue.next);
481                 list_del(&curr->queue);
482                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t  Examine qnode color %d with cost %d\n", curr->color, curr->mis_costs));
483
484                 /* try */
485                 if (qnode_try_color(curr))
486                         break;
487
488                 /* no success, so re-insert */
489                 del_set(curr->changed_nodes);
490                 curr->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
491                 ou_insert_qnode(ou, curr);
492         }
493
494         /* apply the best found qnode */
495         if (curr->mis_size >= 2) {
496                 node_stat_t *ns;
497                 int root_col = qnode_get_new_color(curr, ou->nodes[0]);
498                 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));
499                 /* globally pin root and all args which have the same color */
500                 pset_insert_ptr(pinned_global, ou->nodes[0]);
501                 for (i=1; i<ou->node_count; ++i) {
502                         ir_node *irn = ou->nodes[i];
503                         int nc = qnode_get_new_color(curr, irn);
504                         if (nc != NO_COLOR && nc == root_col)
505                                 pset_insert_ptr(pinned_global, irn);
506                 }
507
508                 /* set color of all changed nodes */
509                 for (ns = set_first(curr->changed_nodes); ns; ns = set_next(curr->changed_nodes)) {
510                         /* NO_COLOR is possible, if we had an undo */
511                         if (ns->new_color != NO_COLOR) {
512                                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t    color(%+F) := %d\n", ns->irn, ns->new_color));
513                                 set_irn_col(ou->co, ns->irn, ns->new_color);
514                         }
515                 }
516         }
517
518         /* free best qnode (curr) and queue */
519         free_qnode(curr);
520         list_for_each_entry_safe(qnode_t, curr, tmp, &ou->queue, queue)
521                 free_qnode(curr);
522 }
523
524 void co_heur_opt(copy_opt_t *co) {
525         unit_t *curr;
526         dbg = firm_dbg_register("ir.be.copyoptheur");
527
528         pinned_global = pset_new_ptr(SLOTS_PINNED_GLOBAL);
529         list_for_each_entry(unit_t, curr, &co->units, units)
530                 if (curr->node_count > 1)
531                         ou_optimize(curr);
532
533         del_pset(pinned_global);
534 }