a0a8d1dfd7c9f05ccacdf31b439605e583063613
[libfirm] / ir / be / bespillbelady.c
1 /**
2  * Author:      Daniel Grund
3  * Date:                20.09.2005
4  * Copyright:   (c) Universitaet Karlsruhe
5  * Licence:     This file protected by GPL -  GNU GENERAL PUBLIC LICENSE.
6  *
7  */
8 #ifdef HAVE_CONFIG_H
9 #include "config.h"
10 #endif
11
12 #ifdef HAVE_ALLOCA_H
13 #include <alloca.h>
14 #endif
15
16 #ifdef HAVE_MALLOC_H
17 #include <malloc.h>
18 #endif
19
20 #include "obst.h"
21 #include "set.h"
22 #include "pset.h"
23 #include "irprintf_t.h"
24 #include "irgraph.h"
25 #include "irnode.h"
26 #include "irmode.h"
27 #include "irgwalk.h"
28 #include "iredges_t.h"
29 #include "ircons_t.h"
30 #include "irprintf.h"
31
32 #include "beutil.h"
33 #include "bearch.h"
34 #include "bespillbelady.h"
35 #include "beuses_t.h"
36 #include "besched_t.h"
37 #include "beirgmod.h"
38 #include "belive_t.h"
39 #include "benode_t.h"
40 #include "bechordal_t.h"
41
42 #define DBG_SPILL   1
43 #define DBG_WSETS   2
44 #define DBG_FIX     4
45 #define DBG_DECIDE  8
46 #define DBG_START  16
47 #define DBG_SLOTS  32
48 #define DBG_TRACE  64
49 #define DBG_WORKSET 128
50 #define DEBUG_LVL 0 //(DBG_START | DBG_DECIDE | DBG_WSETS | DBG_FIX | DBG_SPILL)
51 DEBUG_ONLY(static firm_dbg_module_t *dbg = NULL;)
52
53 typedef struct _workset_t workset_t;
54
55 typedef struct _belady_env_t {
56         struct obstack ob;
57         const be_chordal_env_t *cenv;
58         const arch_env_t *arch;
59         const arch_register_class_t *cls;
60         int n_regs;                     /** number of regs in this reg-class */
61
62         workset_t *ws;          /**< the main workset used while processing a block. ob-allocated */
63         be_uses_t *uses;        /**< env for the next-use magic */
64         ir_node *instr;         /**< current instruction */
65         unsigned instr_nr;      /**< current instruction number (relative to block start) */
66         pset *used;
67
68         spill_env_t *senv;      /**< see bespill.h */
69 } belady_env_t;
70
71 struct _workset_t {
72         int len;                        /**< current length */
73         loc_t vals[0];          /**< inlined array of the values/distances in this working set */
74 };
75
76 void workset_print(const workset_t *w)
77 {
78         int i;
79
80         for(i = 0; i < w->len; ++i) {
81                 ir_printf("%+F %d\n", w->vals[i].irn, w->vals[i].time);
82         }
83 }
84
85 /**
86  * Alloc a new workset on obstack @p ob with maximum size @p max
87  */
88 static INLINE workset_t *new_workset(belady_env_t *env, struct obstack *ob) {
89         workset_t *res;
90         size_t size = sizeof(*res) + (env->n_regs)*sizeof(res->vals[0]);
91         res = obstack_alloc(ob, size);
92         memset(res, 0, size);
93         return res;
94 }
95
96 /**
97  * Alloc a new instance on obstack and make it equal to @param ws
98  */
99 static INLINE workset_t *workset_clone(belady_env_t *env, struct obstack *ob, workset_t *ws) {
100         workset_t *res;
101         size_t size = sizeof(*res) + (env->n_regs)*sizeof(res->vals[0]);
102         res = obstack_alloc(ob, size);
103         memcpy(res, ws, size);
104         return res;
105 }
106
107 /**
108  * Do NOT alloc anything. Make @param tgt equal to @param src.
109  * returns @param tgt for convenience
110  */
111 static INLINE workset_t *workset_copy(belady_env_t *env, workset_t *tgt, workset_t *src) {
112         size_t size = sizeof(*src) + (env->n_regs)*sizeof(src->vals[0]);
113         memcpy(tgt, src, size);
114         return tgt;
115 }
116
117 /**
118  * Overwrites the current content array of @param ws with the
119  * @param count locations given at memory @param locs.
120  * Set the length of @param ws to count.
121  */
122 static INLINE void workset_bulk_fill(workset_t *workset, int count, const loc_t *locs) {
123         workset->len = count;
124         memcpy(&(workset->vals[0]), locs, count * sizeof(locs[0]));
125 }
126
127 /**
128  * Inserts the value @p val into the workset, iff it is not
129  * already contained. The workset must not be full.
130  */
131 static INLINE void workset_insert(belady_env_t *env, workset_t *ws, ir_node *val) {
132         int i;
133         /* check for current regclass */
134         if (!arch_irn_consider_in_reg_alloc(env->arch, env->cls, val)) {
135                 DBG((dbg, DBG_WORKSET, "Dropped %+F\n", val));
136                 return;
137         }
138
139         /* check if val is already contained */
140         for(i=0; i<ws->len; ++i)
141                 if (ws->vals[i].irn == val)
142                         return;
143
144         /* insert val */
145         assert(ws->len < env->n_regs && "Workset already full!");
146         ws->vals[ws->len++].irn = val;
147 }
148
149 /**
150  * Removes all entries from this workset
151  */
152 static INLINE void workset_clear(workset_t *ws) {
153         ws->len = 0;
154 }
155
156 /**
157  * Removes the value @p val from the workset if present.
158  */
159 static INLINE void workset_remove(workset_t *ws, ir_node *val) {
160         int i;
161         for(i=0; i<ws->len; ++i) {
162                 if (ws->vals[i].irn == val) {
163                         ws->vals[i] = ws->vals[--ws->len];
164                         return;
165                 }
166         }
167 }
168
169 static INLINE int workset_contains(const workset_t *ws, const ir_node *val) {
170         int i;
171         for(i=0; i<ws->len; ++i) {
172                 if (ws->vals[i].irn == val)
173                         return 1;
174         }
175
176         return 0;
177 }
178
179 /**
180  * Iterates over all values in the working set.
181  * @p ws The workset to iterate
182  * @p v  A variable to put the current value in
183  * @p i  An integer for internal use
184  */
185 #define workset_foreach(ws, v, i)       for(i=0; \
186                                                                                 v=(i < ws->len) ? ws->vals[i].irn : NULL, i < ws->len; \
187                                                                                 ++i)
188
189 #define workset_set_time(ws, i, t) (ws)->vals[i].time=t
190 #define workset_set_length(ws, length) (ws)->len = length
191 #define workset_get_length(ws) ((ws)->len)
192 #define workset_get_val(ws, i) ((ws)->vals[i].irn)
193 #define workset_sort(ws) qsort((ws)->vals, (ws)->len, sizeof((ws)->vals[0]), loc_compare);
194
195 typedef struct _block_info_t {
196         workset_t *ws_start, *ws_end;
197         int processed;
198 } block_info_t;
199
200
201 static INLINE void *new_block_info(struct obstack *ob) {
202         block_info_t *res = obstack_alloc(ob, sizeof(*res));
203         res->ws_start = NULL;
204         res->ws_end = NULL;
205         res->processed = 0;
206
207         return res;
208 }
209
210 #define get_block_info(blk)                     ((block_info_t *)get_irn_link(blk))
211 #define set_block_info(blk, info)       set_irn_link(blk, info)
212
213 /**
214  * @return The distance to the next use or 0 if irn has dont_spill flag set
215  */
216 static INLINE unsigned get_distance(belady_env_t *env, const ir_node *from, unsigned from_step, const ir_node *def, int skip_from_uses)
217 {
218         int flags = arch_irn_get_flags(env->arch, def);
219         unsigned dist = be_get_next_use(env->uses, from, from_step, def, skip_from_uses);
220
221         assert(! (flags & arch_irn_flags_ignore));
222         // we have to keep nonspillable nodes in the workingset
223         if(flags & arch_irn_flags_dont_spill)
224                 return 0;
225
226         return dist;
227 }
228
229 /**
230  * Performs the actions necessary to grant the request that:
231  * - new_vals can be held in registers
232  * - as few as possible other values are disposed
233  * - the worst values get disposed
234  *
235  * @p is_usage indicates that the values in new_vals are used (not defined)
236  * In this case reloads must be performed
237  */
238 static void displace(belady_env_t *env, workset_t *new_vals, int is_usage) {
239         ir_node *val;
240         int i, len, max_allowed, demand, iter;
241         workset_t *ws = env->ws;
242         ir_node **to_insert = alloca(env->n_regs * sizeof(*to_insert));
243
244         /*
245          * 1. Identify the number of needed slots and the values to reload
246          */
247         demand = 0;
248         workset_foreach(new_vals, val, iter) {
249                 /* mark value as used */
250                 if (is_usage)
251                         pset_insert_ptr(env->used, val);
252
253                 if (!workset_contains(ws, val)) {
254                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    insert %+F\n", val));
255                         to_insert[demand++] = val;
256                         if (is_usage)
257                                 be_add_reload(env->senv, val, env->instr);
258                 } else {
259                         assert(is_usage || "Defined value already in workset?!?");
260                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    skip %+F\n", val));
261                 }
262         }
263         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    demand = %d\n", demand));
264
265         /*
266          * 2. Make room for at least 'demand' slots
267          */
268         len = workset_get_length(ws);
269         max_allowed = env->n_regs - demand;
270
271         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    disposing %d values\n", ws->len - max_allowed));
272
273         /* Only make more free room if we do not have enough */
274         if (len > max_allowed) {
275                 /* get current next-use distance */
276                 for (i=0; i<ws->len; ++i)
277                         workset_set_time(ws, i, get_distance(env, env->instr, env->instr_nr, workset_get_val(ws, i), !is_usage));
278
279                 /* sort entries by increasing nextuse-distance*/
280                 workset_sort(ws);
281
282                 /* Logic for not needed live-ins: If a value is disposed
283                  * before its first usage, remove it from start workset
284                  * We don't do this for phis though
285                  */
286                 for (i=max_allowed; i<ws->len; ++i) {
287                         ir_node *irn = ws->vals[i].irn;
288
289             if(is_Phi(irn))
290                 continue;
291
292                         if (!pset_find_ptr(env->used, irn)) {
293                                 ir_node *curr_bb = get_nodes_block(env->instr);
294                                 workset_t *ws_start = get_block_info(curr_bb)->ws_start;
295                                 workset_remove(ws_start, irn);
296
297                                 DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    dispose %+F dumb\n", irn));
298                         } else {
299                                 DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    dispose %+F\n", irn));
300                         }
301                 }
302
303                 /* kill the last 'demand' entries in the array */
304                 workset_set_length(ws, max_allowed);
305         }
306
307         /*
308          * 3. Insert the new values into the workset
309          */
310         for(i = 0; i < demand; ++i)
311                 workset_insert(env, env->ws, to_insert[i]);
312 }
313
314 static void belady(ir_node *blk, void *env);
315
316 /*
317  * Computes set of live-ins for each block with multiple predecessors and
318  * places copies in the predecessors when phis get spilled
319  */
320 static void place_copy_walker(ir_node *block, void *data) {
321         belady_env_t *env = data;
322         block_info_t *block_info;
323         ir_node *first, *irn;
324         loc_t loc, *starters;
325         int i, len, ws_count;
326
327         if(get_Block_n_cfgpreds(block) == 1 && get_irg_start_block(get_irn_irg(block)) != block)
328                 return;
329
330         block_info = new_block_info(&env->ob);
331         set_block_info(block, block_info);
332
333         /* Collect all values living at start of block */
334         starters = NEW_ARR_F(loc_t, 0);
335
336         DBG((dbg, DBG_START, "Living at start of %+F:\n", block));
337         first = sched_first(block);
338         sched_foreach(block, irn) {
339                 if(!is_Phi(irn))
340                         break;
341                 if(!arch_irn_consider_in_reg_alloc(env->arch, env->cls, irn))
342                         continue;
343
344                 loc.irn = irn;
345                 loc.time = get_distance(env, first, 0, irn, 0);
346                 ARR_APP1(loc_t, starters, loc);
347                 DBG((dbg, DBG_START, "    %+F:\n", irn));
348         }
349
350         be_lv_foreach(env->cenv->lv, block, be_lv_state_in, i) {
351                 ir_node *irn = be_lv_get_irn(env->cenv->lv, block, i);
352                 if (!arch_irn_consider_in_reg_alloc(env->arch, env->cls, irn))
353                         continue;
354
355                 loc.irn = irn;
356                 loc.time = get_distance(env, first, 0, irn, 0);
357                 ARR_APP1(loc_t, starters, loc);
358                 DBG((dbg, DBG_START, "    %+F:\n", irn));
359         }
360
361         // Sort start values by first use
362         qsort(starters, ARR_LEN(starters), sizeof(starters[0]), loc_compare);
363
364         /* Copy the best ones from starters to start workset */
365         ws_count = MIN(ARR_LEN(starters), env->n_regs);
366         block_info->ws_start = new_workset(env, &env->ob);
367         workset_bulk_fill(block_info->ws_start, ws_count, starters);
368
369         /* The phis of this block which are not in the start set have to be spilled later. */
370         for (i = ws_count, len = ARR_LEN(starters); i < len; ++i) {
371                 irn = starters[i].irn;
372                 if (!is_Phi(irn) || get_nodes_block(irn) != block)
373                         continue;
374
375                 be_spill_phi(env->senv, irn);
376         }
377
378         DEL_ARR_F(starters);
379 }
380
381 /**
382  * Collects all values live-in at block @p blk and all phi results in this block.
383  * Then it adds the best values (at most n_regs) to the blocks start_workset.
384  * The phis among the remaining values get spilled: Introduce psudo-copies of
385  *  their args to break interference and make it possible to spill them to the
386  *  same spill slot.
387  */
388 static block_info_t *compute_block_start_info(belady_env_t *env, ir_node *block) {
389         ir_node *pred_block;
390         block_info_t *res, *pred_info;
391
392         /* Have we seen this block before? */
393         res = get_block_info(block);
394         if (res)
395                 return res;
396
397         /* Create the block info for this block. */
398         res = new_block_info(&env->ob);
399         set_block_info(block, res);
400
401         /* Use endset of predecessor block as startset */
402         assert(get_Block_n_cfgpreds(block) == 1 && block != get_irg_start_block(get_irn_irg(block)));
403         pred_block = get_Block_cfgpred_block(block, 0);
404         pred_info = get_block_info(pred_block);
405
406         /* if pred block has not been processed yet, do it now */
407         if (pred_info == NULL || pred_info->processed == 0) {
408                 belady(pred_block, env);
409                 pred_info = get_block_info(pred_block);
410         }
411
412         /* now we have an end_set of pred */
413         assert(pred_info->ws_end && "The recursive call (above) is supposed to compute an end_set");
414         res->ws_start = workset_clone(env, &env->ob, pred_info->ws_end);
415
416         return res;
417 }
418
419
420 /**
421  * For the given block @p blk, decide for each values
422  * whether it is used from a register or is reloaded
423  * before the use.
424  */
425 static void belady(ir_node *block, void *data) {
426         belady_env_t *env = data;
427         workset_t *new_vals;
428         ir_node *irn;
429         int iter;
430         block_info_t *block_info;
431
432         /* make sure we have blockinfo (with startset) */
433         block_info = get_block_info(block);
434         if (block_info == NULL)
435                 block_info = compute_block_start_info(env, block);
436
437         /* Don't do a block twice */
438         if(block_info->processed)
439                 return;
440
441         /* get the starting workset for this block */
442         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "\n"));
443         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "Decide for %+F\n", block));
444
445         workset_copy(env, env->ws, block_info->ws_start);
446         DBG((dbg, DBG_WSETS, "Start workset for %+F:\n", block));
447         workset_foreach(env->ws, irn, iter)
448                 DBG((dbg, DBG_WSETS, "  %+F\n", irn));
449
450         /* process the block from start to end */
451         DBG((dbg, DBG_WSETS, "Processing...\n"));
452         env->used = pset_new_ptr_default();
453         env->instr_nr = 0;
454         new_vals = new_workset(env, &env->ob);
455         sched_foreach(block, irn) {
456                 int i, arity;
457                 assert(workset_get_length(env->ws) <= env->n_regs && "Too much values in workset!");
458
459                 /* projs are handled with the tuple value.
460                  * Phis are no real instr (see insert_starters())
461                  * instr_nr does not increase */
462                 if (is_Proj(irn) || is_Phi(irn)) {
463                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "  ...%+F skipped\n", irn));
464                         continue;
465                 }
466                 DBG((dbg, DBG_DECIDE, "  ...%+F\n", irn));
467
468                 /* set instruction in the workset */
469                 env->instr = irn;
470
471                 /* allocate all values _used_ by this instruction */
472                 workset_clear(new_vals);
473                 for(i = 0, arity = get_irn_arity(irn); i < arity; ++i) {
474                         workset_insert(env, new_vals, get_irn_n(irn, i));
475                 }
476                 displace(env, new_vals, 1);
477
478                 /* allocate all values _defined_ by this instruction */
479                 workset_clear(new_vals);
480                 if (get_irn_mode(irn) == mode_T) { /* special handling for tuples and projs */
481                         ir_node *proj;
482                         for(proj=sched_next(irn); is_Proj(proj); proj=sched_next(proj))
483                                 workset_insert(env, new_vals, proj);
484                 } else {
485                         workset_insert(env, new_vals, irn);
486                 }
487                 displace(env, new_vals, 0);
488
489                 env->instr_nr++;
490         }
491         del_pset(env->used);
492
493         /* Remember end-workset for this block */
494         block_info->ws_end = workset_clone(env, &env->ob, env->ws);
495         block_info->processed = 1;
496         DBG((dbg, DBG_WSETS, "End workset for %+F:\n", block));
497         workset_foreach(block_info->ws_end, irn, iter)
498                 DBG((dbg, DBG_WSETS, "  %+F\n", irn));
499 }
500
501 /**
502  * 'decide' is block-local and makes assumptions
503  * about the set of live-ins. Thus we must adapt the
504  * live-outs to the live-ins at each block-border.
505  */
506 static void fix_block_borders(ir_node *blk, void *data) {
507         belady_env_t *env = data;
508         workset_t *wsb;
509         int i, max, iter, iter2;
510
511         DBG((dbg, DBG_FIX, "\n"));
512         DBG((dbg, DBG_FIX, "Fixing %+F\n", blk));
513
514         wsb = get_block_info(blk)->ws_start;
515
516         /* process all pred blocks */
517         for (i=0, max=get_irn_arity(blk); i<max; ++i) {
518                 ir_node *irnb, *irnp, *pred = get_Block_cfgpred_block(blk, i);
519                 workset_t *wsp = get_block_info(pred)->ws_end;
520
521                 DBG((dbg, DBG_FIX, "  Pred %+F\n", pred));
522
523                 workset_foreach(wsb, irnb, iter) {
524                         /* if irnb is a phi of the current block we reload
525                          * the corresponding argument, else irnb itself */
526                         if(is_Phi(irnb) && blk == get_nodes_block(irnb)) {
527                                 irnb = get_irn_n(irnb, i);
528
529                                 // we might have unknowns as argument for the phi
530                                 if(!arch_irn_consider_in_reg_alloc(env->arch, env->cls, irnb))
531                                         continue;
532                         }
533
534                         /* Unknowns are available everywhere */
535                         if(get_irn_opcode(irnb) == iro_Unknown)
536                                 continue;
537
538                         /* check if irnb is in a register at end of pred */
539                         workset_foreach(wsp, irnp, iter2) {
540                                 if (irnb == irnp)
541                                         goto next_value;
542                         }
543
544                         /* irnb is not in memory at the end of pred, so we have to reload it */
545                         DBG((dbg, DBG_FIX, "    reload %+F\n", irnb));
546                         be_add_reload_on_edge(env->senv, irnb, blk, i);
547
548 next_value:
549                         /*epsilon statement :)*/;
550                 }
551         }
552 }
553
554 void be_spill_belady(const be_chordal_env_t *chordal_env) {
555         be_spill_belady_spill_env(chordal_env, NULL);
556 }
557
558 void be_spill_belady_spill_env(const be_chordal_env_t *chordal_env, spill_env_t *spill_env) {
559         belady_env_t env;
560
561         FIRM_DBG_REGISTER(dbg, "firm.be.spill.belady");
562         //firm_dbg_set_mask(dbg, DBG_WSETS);
563
564         /* init belady env */
565         obstack_init(&env.ob);
566         env.cenv      = chordal_env;
567         env.arch      = chordal_env->birg->main_env->arch_env;
568         env.cls       = chordal_env->cls;
569         env.n_regs    = arch_count_non_ignore_regs(env.arch, env.cls);
570         env.ws        = new_workset(&env, &env.ob);
571         env.uses      = be_begin_uses(chordal_env->irg, chordal_env->lv, chordal_env->birg->main_env->arch_env, env.cls);
572         if(spill_env == NULL) {
573                 env.senv = be_new_spill_env(chordal_env);
574         } else {
575                 env.senv = spill_env;
576         }
577         DEBUG_ONLY(be_set_spill_env_dbg_module(env.senv, dbg);)
578
579         DBG((dbg, LEVEL_1, "running on register class: %s\n", env.cls->name));
580
581         be_clear_links(chordal_env->irg);
582         /* Decide which phi nodes will be spilled and place copies for them into the graph */
583         irg_block_walk_graph(chordal_env->irg, place_copy_walker, NULL, &env);
584         be_place_copies(env.senv);
585         /* Fix high register pressure with belady algorithm */
586         irg_block_walk_graph(chordal_env->irg, NULL, belady, &env);
587         /* belady was block-local, fix the global flow by adding reloads on the edges */
588         irg_block_walk_graph(chordal_env->irg, fix_block_borders, NULL, &env);
589         /* Insert spill/reload nodes into the graph and fix usages */
590         be_insert_spills_reloads(env.senv);
591
592         be_remove_dead_nodes_from_schedule(chordal_env->irg);
593         be_liveness_recompute(chordal_env->lv);
594
595         /* clean up */
596         if(spill_env == NULL)
597                 be_delete_spill_env(env.senv);
598         be_end_uses(env.uses);
599         obstack_free(&env.ob, NULL);
600 }