Changed many things in copy opt. 1st part of refactoring.
[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 "debug.h"
27 #include "xmalloc.h"
28 #include "becopyopt_t.h"
29 #include "becopystat.h"
30 #include "bitset.h"
31 #include "bearch.h"
32
33 static firm_dbg_module_t *dbg = NULL;
34
35 #define SEARCH_FREE_COLORS
36
37 #define SLOTS_PINNED_GLOBAL 256
38 #define SLOTS_CONFLICTS 8
39 #define SLOTS_CHANGED_NODES 32
40
41 #define MIN(a,b) ((a<b)?(a):(b))
42 #define list_entry_queue(lh) list_entry(lh, qnode_t, queue)
43 #define HASH_CONFLICT(c) (HASH_PTR(c.n1) ^ HASH_PTR(c.n2))
44
45 /**
46  * Modeling additional conflicts between nodes. NOT live range interference
47  */
48 typedef struct _conflict_t {
49         const ir_node *n1, *n2;
50 } conflict_t;
51
52 /**
53  * If an irn is changed, the changes first get stored in a node_stat_t,
54  * to allow undo of changes (=drop new data) in case of conflicts.
55  */
56 typedef struct _node_stat_t {
57         ir_node *irn;
58         int new_color;
59         int pinned_local :1;
60 } node_stat_t;
61
62 /**
63  * Represents a node in the optimization queue.
64  */
65 typedef struct _qnode_t {
66         struct list_head queue;         /**< chaining of unit_t->queue */
67         const unit_t *ou;                       /**< the opt unit this qnode belongs to */
68         int color;                                      /**< target color */
69         set *conflicts;                         /**< contains conflict_t's. All internal conflicts */
70         int mis_costs;                          /**< costs of nodes/copies in the mis. */
71         int mis_size;                           /**< size of the array below */
72         ir_node **mis;                          /**< the nodes of unit_t->nodes[] being part of the max independent set */
73         set *changed_nodes;                     /**< contains node_stat_t's. */
74 } qnode_t;
75
76 static pset *pinned_global;                     /**< optimized nodes should not be altered any more */
77
78 static int set_cmp_conflict_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
79         const conflict_t *xx = x;
80         const conflict_t *yy = y;
81         return ! (xx->n1 == yy->n1 && xx->n2 == yy->n2);
82 }
83
84 /**
85  * If a local pinned conflict occurs, a new edge in the conflict graph is added.
86  * The next maximum independent set build, will regard it.
87  */
88 static INLINE void qnode_add_conflict(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
89         conflict_t c;
90         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t      %+F -- %+F\n", n1, n2));
91
92         if ((int)n1 < (int)n2) {
93                 c.n1 = n1;
94                 c.n2 = n2;
95         } else {
96                 c.n1 = n2;
97                 c.n2 = n1;
98         }
99         set_insert(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
100 }
101
102 /**
103  * Checks if two nodes are in a conflict.
104  */
105 static INLINE int qnode_are_conflicting(const qnode_t *qn, const ir_node *n1, const ir_node *n2) {
106         conflict_t c;
107         /* search for live range interference */
108         if (n1!=n2 && nodes_interfere(qn->ou->co->cenv, n1, n2))
109                 return 1;
110         /* search for recoloring conflicts */
111         if ((int)n1 < (int)n2) {
112                 c.n1 = n1;
113                 c.n2 = n2;
114         } else {
115                 c.n1 = n2;
116                 c.n2 = n1;
117         }
118         return (int) set_find(qn->conflicts, &c, sizeof(c), HASH_CONFLICT(c));
119 }
120
121 static int set_cmp_node_stat_t(const void *x, const void *y, size_t size) {
122         return ((node_stat_t *)x)->irn != ((node_stat_t *)y)->irn;
123 }
124
125 /**
126  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise return NULL
127  */
128 static INLINE node_stat_t *qnode_find_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
129         node_stat_t find;
130         find.irn = irn;
131         return set_find(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
132 }
133
134 /**
135  * Finds a node status entry of a node if existent. Otherwise it will return
136  * an initialized new entry for this node.
137  */
138 static INLINE node_stat_t *qnode_find_or_insert_node(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
139         node_stat_t find;
140         find.irn = irn;
141         find.new_color = NO_COLOR;
142         find.pinned_local = 0;
143         return set_insert(qn->changed_nodes, &find, sizeof(find), HASH_PTR(irn));
144 }
145
146 /**
147  * Returns the virtual color of a node if set before, else returns the real color.
148  */
149 static INLINE int qnode_get_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
150         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
151         if (found)
152                 return found->new_color;
153         else
154                 return get_irn_col(qn->ou->co, irn);
155 }
156
157 /**
158  * Sets the virtual color of a node.
159  */
160 static INLINE void qnode_set_new_color(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int color) {
161         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
162         found->new_color = color;
163         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      col(%+F) := %d\n", irn, color));
164 }
165
166 /**
167  * Checks if a node is local pinned. A node is local pinned, iff it belongs
168  * to the same optimization unit and has been optimized before the current
169  * processed node.
170  */
171 static INLINE int qnode_is_pinned_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
172         node_stat_t *found = qnode_find_node(qn, irn);
173         if (found)
174                 return found->pinned_local;
175         else
176                 return 0;
177 }
178
179 /**
180  * Local-pins a node, so optimizations of further nodes of the same opt unit
181  * can handle situations in which a color change would undo prior optimizations.
182  */
183 static INLINE void qnode_pin_local(const qnode_t *qn, ir_node *irn) {
184         node_stat_t *found = qnode_find_or_insert_node(qn, irn);
185         found->pinned_local = 1;
186         if (found->new_color == NO_COLOR)
187                 found->new_color = get_irn_col(qn->ou->co, irn);
188 }
189
190
191 /**
192  * Possible return values of qnode_color_irn()
193  */
194 #define CHANGE_SAVE NULL
195 #define CHANGE_IMPOSSIBLE (ir_node *)1
196 #define is_conflicting_node(n) (((int)n) > 1)
197
198 /**
199  * Performs virtual re-coloring of node @p n to color @p col. Virtual colors of
200  * other nodes are changed too, as required to preserve correctness. Function is
201  * aware of local and global pinning. Recursive.
202  *
203  * If irn == trigger the color @p col must be used. (the first recoloring)
204  * If irn != trigger an arbitrary free color may be used. If no color is free, @p col is used.
205  *
206  * @param  irn     The node to set the color for
207  * @param  col     The color to set
208  * @param  trigger The irn that caused the wish to change the color of the irn
209  *                 External callers must call with trigger = irn
210  *
211  * @return CHANGE_SAVE iff setting the color is possible, with all transitive effects.
212  *         CHANGE_IMPOSSIBLE iff conflicts with reg-constraintsis occured.
213  *         Else the first conflicting ir_node encountered is returned.
214  *
215  */
216 static ir_node *qnode_color_irn(const qnode_t *qn, ir_node *irn, int col, const ir_node *trigger) {
217         copy_opt_t *co = qn->ou->co;
218         const be_chordal_env_t *chordal_env = co->cenv;
219         const arch_register_class_t *cls = co->cls;
220         const arch_env_t *arch_env = co->aenv;
221         int irn_col = qnode_get_new_color(qn, irn);
222         ir_node *sub_res, *curr;
223         be_ifg_t *ifg = chordal_env->ifg;
224         void *iter = be_ifg_neighbours_iter_alloca(ifg);
225
226
227         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    %+F \tcaused col(%+F) \t%2d --> %2d\n", trigger, irn, irn_col, col));
228
229         /* If the target color is already set do nothing */
230         if (irn_col == col) {
231                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F same color\n", irn));
232                 return CHANGE_SAVE;
233         }
234
235         /* If the irn is pinned, changing color is impossible */
236         if (pset_find_ptr(pinned_global, irn) || qnode_is_pinned_local(qn, irn)) {
237                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F conflicting\n", irn));
238                 return irn;
239         }
240
241 #ifdef SEARCH_FREE_COLORS
242         /* If we resolve conflicts (recursive calls) we can use any unused color.
243          * In case of the first call @p col must be used.
244          */
245         if (irn != trigger) {
246                 bitset_t *free_cols = bitset_alloca(cls->n_regs);
247                 arch_register_req_t req;
248                 ir_node *curr;
249                 int free_col;
250
251                 /* Get all possible colors */
252                 arch_put_non_ignore_regs(arch_env, cls, free_cols);
253
254                 /* Exclude colors not assignable to the irn */
255                 arch_get_register_req(arch_env, &req, irn, -1);
256                 if (arch_register_req_is(&req, limited)) {
257                         bitset_t *limited = bitset_alloca(cls->n_regs);
258                         req.limited(req.limited_env, limited);
259                         bitset_and(free_cols, limited);
260                 }
261
262                 /* Exclude the color of the irn, because it must _change_ its color */
263                 bitset_clear(free_cols, irn_col);
264
265                 /* Exclude all colors used by adjacent nodes */
266                 be_ifg_foreach_neighbour(ifg, iter, irn, curr)
267                         bitset_clear(free_cols, qnode_get_new_color(qn, curr));
268
269                 free_col = bitset_next_set(free_cols, 0);
270
271                 if (free_col != -1) {
272                         qnode_set_new_color(qn, irn, free_col);
273                         return CHANGE_SAVE;
274                 }
275         }
276 #endif /* SEARCH_FREE_COLORS */
277
278         /* If target color is not allocatable changing color is impossible */
279         if (!arch_reg_is_allocatable(arch_env, irn, -1, arch_register_for_index(cls, col))) {
280                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      %+F impossible\n", irn));
281                 return CHANGE_IMPOSSIBLE;
282         }
283
284         /*
285          * If we arrive here changing color may be possible, but there may be conflicts.
286          * Try to color all conflicting nodes 'curr' with the color of the irn itself.
287          */
288         be_ifg_foreach_neighbour(ifg, iter, irn, curr) {
289                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t      Confl %+F(%d)\n", curr, qnode_get_new_color(qn, curr)));
290                 if (qnode_get_new_color(qn, curr) == col && curr != trigger) {
291                         sub_res = qnode_color_irn(qn, curr, irn_col, irn);
292                         if (sub_res != CHANGE_SAVE) {
293                                 be_ifg_neighbours_break(ifg, iter);
294                                 return sub_res;
295                         }
296                 }
297         }
298
299         /*
300          * If we arrive here, all conflicts were resolved.
301          * So it is save to change this irn
302          */
303         qnode_set_new_color(qn, irn, col);
304         return CHANGE_SAVE;
305 }
306
307
308 /**
309  * Tries to set the colors for all members of this queue node;
310  * to the target color qn->color
311  * @returns 1 iff all members colors could be set
312  *          0 else
313  */
314 static int qnode_try_color(const qnode_t *qn) {
315         int i;
316         for (i=0; i<qn->mis_size; ++i) {
317                 ir_node *test_node, *confl_node;
318
319                 test_node = qn->mis[i];
320                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Testing %+F\n", test_node));
321                 confl_node = qnode_color_irn(qn, test_node, qn->color, test_node);
322
323                 if (confl_node == CHANGE_SAVE) {
324                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Save --> pin local\n"));
325                         qnode_pin_local(qn, test_node);
326                 } else if (confl_node == CHANGE_IMPOSSIBLE) {
327                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Impossible --> remove from qnode\n"));
328                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
329                 } else {
330                         if (qnode_is_pinned_local(qn, confl_node)) {
331                                 /* changing test_node would change back a node of current ou */
332                                 if (confl_node == qn->ou->nodes[0]) {
333                                         /* Adding a conflict edge between testnode and conflnode
334                                          * would introduce a root -- arg interference.
335                                          * So remove the arg of the qn */
336                                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local with phi --> remove from qnode\n"));
337                                         qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
338                                 } else {
339                                         DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting local --> add conflict\n"));
340                                         qnode_add_conflict(qn, confl_node, test_node);
341                                 }
342                         }
343                         if (pset_find_ptr(pinned_global, confl_node)) {
344                                 /* changing test_node would change back a node of a prior ou */
345                                 DBG((dbg, LEVEL_3, "\t    Conflicting global --> remove from qnode\n"));
346                                 qnode_add_conflict(qn, test_node, test_node);
347                         }
348                 }
349
350                 if (confl_node != CHANGE_SAVE)
351                         return 0;
352         }
353         return 1;
354 }
355
356 /**
357  * Determines a maximum weighted independent set with respect to
358  * the interference and conflict edges of all nodes in a qnode.
359  */
360 static INLINE void qnode_max_ind_set(qnode_t *qn, const unit_t *ou) {
361         ir_node **safe, **unsafe;
362         int i, o, safe_count, safe_costs, unsafe_count, *unsafe_costs;
363         bitset_t *curr, *best;
364         int max, next, pos, curr_weight, best_weight = 0;
365
366         /* assign the nodes into two groups.
367          * safe: node has no interference, hence it is in every max stable set.
368          * unsafe: node has an interference
369          */
370         safe = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*safe));
371         safe_costs = 0;
372         safe_count = 0;
373         unsafe = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*unsafe));
374         unsafe_costs = alloca((ou->node_count-1) * sizeof(*unsafe_costs));
375         unsafe_count = 0;
376         for(i=1; i<ou->node_count; ++i) {
377                 int is_safe = 1;
378                 for(o=1; o<ou->node_count; ++o) {
379                         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[i], ou->nodes[o])) {
380                                 if (i!=o) {
381                                         unsafe_costs[unsafe_count] = ou->costs[i];
382                                         unsafe[unsafe_count] = ou->nodes[i];
383                                         ++unsafe_count;
384                                 }
385                                 is_safe = 0;
386                                 break;
387                         }
388                 }
389                 if (is_safe) {
390                         safe_costs += ou->costs[i];
391                         safe[safe_count++] = ou->nodes[i];
392                 }
393         }
394
395
396
397         /* now compute the best set out of the unsafe nodes*/
398         best = bitset_alloca(unsafe_count);
399
400         if (unsafe_count > MIS_HEUR_TRIGGER) {
401                 /* Heuristic: Greedy trial and error form index 0 to unsafe_count-1 */
402                 for (i=0; i<unsafe_count; ++i) {
403                         bitset_set(best, i);
404                         /* check if it is a stable set */
405                         for (o=bitset_next_set(best, 0); o!=-1 && o<=i; o=bitset_next_set(best, o+1))
406                                 if (qnode_are_conflicting(qn, unsafe[i], unsafe[o])) {
407                                         bitset_clear(best, i); /* clear the bit and try next one */
408                                         break;
409                                 }
410                 }
411                 /* compute the weight */
412                 bitset_foreach(best, pos)
413                         best_weight += unsafe_costs[pos];
414         } else {
415                 /* Exact Algorithm: Brute force */
416                 curr = bitset_alloca(unsafe_count);
417                 bitset_set_all(curr);
418                 while ((max = bitset_popcnt(curr)) != 0) {
419                         /* check if curr is a stable set */
420                         for (i=bitset_next_set(curr, 0); i!=-1; i=bitset_next_set(curr, i+1))
421                                 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) */
422                                                 if (qnode_are_conflicting(qn, unsafe[i], unsafe[o]))
423                                                         goto no_stable_set;
424
425                         /* if we arrive here, we have a stable set */
426                         /* compute the weigth of the stable set*/
427                         curr_weight = 0;
428                         bitset_foreach(curr, pos)
429                                 curr_weight += unsafe_costs[pos];
430
431                         /* any better ? */
432                         if (curr_weight > best_weight) {
433                                 best_weight = curr_weight;
434                                 bitset_copy(best, curr);
435                         }
436
437 no_stable_set:
438                         bitset_minus1(curr);
439                 }
440         }
441
442         /* transfer the best set into the qn */
443         qn->mis_size = 1+safe_count+bitset_popcnt(best);
444         qn->mis_costs = safe_costs+best_weight;
445         qn->mis[0] = ou->nodes[0]; /* the root is always in a max stable set */
446         next = 1;
447         for (i=0; i<safe_count; ++i)
448                 qn->mis[next++] = safe[i];
449         bitset_foreach(best, pos)
450                 qn->mis[next++] = unsafe[pos];
451 }
452
453 /**
454  * Creates a new qnode
455  */
456 static INLINE qnode_t *new_qnode(const unit_t *ou, int color) {
457         qnode_t *qn = xmalloc(sizeof(*qn));
458         qn->ou = ou;
459         qn->color = color;
460         qn->mis = malloc(ou->node_count * sizeof(*qn->mis));
461         qn->conflicts = new_set(set_cmp_conflict_t, SLOTS_CONFLICTS);
462         qn->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
463         return qn;
464 }
465
466 /**
467  * Frees space used by a queue node
468  */
469 static INLINE void free_qnode(qnode_t *qn) {
470         del_set(qn->conflicts);
471         del_set(qn->changed_nodes);
472         xfree(qn->mis);
473         xfree(qn);
474 }
475
476 /**
477  * Inserts a qnode in the sorted queue of the optimization unit. Queue is
478  * ordered by field 'size' (the size of the mis) in decreasing order.
479  */
480 static INLINE void ou_insert_qnode(unit_t *ou, qnode_t *qn) {
481         struct list_head *lh;
482
483         if (qnode_are_conflicting(qn, ou->nodes[0], ou->nodes[0])) {
484                 /* root node is not in qnode */
485                 free_qnode(qn);
486                 return;
487         }
488
489         qnode_max_ind_set(qn, ou);
490         /* do the insertion */
491         DBG((dbg, LEVEL_4, "\t  Insert qnode color %d with cost %d\n", qn->color, qn->mis_costs));
492         lh = &ou->queue;
493         while (lh->next != &ou->queue) {
494                 qnode_t *curr = list_entry_queue(lh->next);
495                 if (curr->mis_costs <= qn->mis_costs)
496                         break;
497                 lh = lh->next;
498         }
499         list_add(&qn->queue, lh);
500 }
501
502 /**
503  * Tries to re-allocate colors of nodes in this opt unit, to achieve lower
504  * costs of copy instructions placed during SSA-destruction and lowering.
505  * Works only for opt units with exactly 1 root node, which is the
506  * case for approximately 80% of all phi classes and 100% of register constrained
507  * nodes. (All other phi classes are reduced to this case.)
508  */
509 static void ou_optimize(unit_t *ou) {
510         int i;
511         qnode_t *curr = NULL, *tmp;
512         const arch_env_t *aenv = ou->co->aenv;
513         const arch_register_class_t *cls = ou->co->cls;
514         bitset_t *pos_regs = bitset_alloca(cls->n_regs);
515         bitset_t *ign_regs = bitset_alloca(cls->n_regs);
516
517         DBG((dbg, LEVEL_1, "\tOptimizing unit:\n"));
518         for (i=0; i<ou->node_count; ++i)
519                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t %+F\n", ou->nodes[i]));
520
521         /* init queue */
522         INIT_LIST_HEAD(&ou->queue);
523
524         arch_get_allocatable_regs(aenv, ou->nodes[0], -1, pos_regs);
525
526         /* exclude ingore colors */
527         arch_put_non_ignore_regs(aenv, cls, ign_regs);
528         bitset_and(pos_regs, ign_regs);
529
530         /* create new qnode */
531         bitset_foreach(pos_regs, i)
532                 ou_insert_qnode(ou, new_qnode(ou, i));
533
534         /* search best */
535         while (!list_empty(&ou->queue)) {
536                 /* get head of queue */
537                 curr = list_entry_queue(ou->queue.next);
538                 list_del(&curr->queue);
539                 DBG((dbg, LEVEL_2, "\t  Examine qnode color %d with cost %d\n", curr->color, curr->mis_costs));
540
541                 /* try */
542                 if (qnode_try_color(curr))
543                         break;
544
545                 /* no success, so re-insert */
546                 del_set(curr->changed_nodes);
547                 curr->changed_nodes = new_set(set_cmp_node_stat_t, SLOTS_CHANGED_NODES);
548                 ou_insert_qnode(ou, curr);
549         }
550
551         /* apply the best found qnode */
552         if (curr->mis_size >= 2) {
553                 node_stat_t *ns;
554                 int root_col = qnode_get_new_color(curr, ou->nodes[0]);
555                 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));
556                 /* globally pin root and all args which have the same color */
557                 pset_insert_ptr(pinned_global, ou->nodes[0]);
558                 for (i=1; i<ou->node_count; ++i) {
559                         ir_node *irn = ou->nodes[i];
560                         int nc = qnode_get_new_color(curr, irn);
561                         if (nc != NO_COLOR && nc == root_col)
562                                 pset_insert_ptr(pinned_global, irn);
563                 }
564
565                 /* set color of all changed nodes */
566                 for (ns = set_first(curr->changed_nodes); ns; ns = set_next(curr->changed_nodes)) {
567                         /* NO_COLOR is possible, if we had an undo */
568                         if (ns->new_color != NO_COLOR) {
569                                 DBG((dbg, LEVEL_1, "\t    color(%+F) := %d\n", ns->irn, ns->new_color));
570                                 set_irn_col(ou->co, ns->irn, ns->new_color);
571                         }
572                 }
573         }
574
575         /* free best qnode (curr) and queue */
576         free_qnode(curr);
577         list_for_each_entry_safe(qnode_t, curr, tmp, &ou->queue, queue)
578                 free_qnode(curr);
579 }
580
581 int co_solve_heuristic(copy_opt_t *co) {
582         unit_t *curr;
583         dbg = firm_dbg_register("ir.be.copyoptheur");
584
585         pinned_global = pset_new_ptr(SLOTS_PINNED_GLOBAL);
586         list_for_each_entry(unit_t, curr, &co->units, units)
587                 if (curr->node_count > 1)
588                         ou_optimize(curr);
589
590         del_pset(pinned_global);
591
592         return 0;
593 }