Fixed (some) memory leaks.
[libfirm] / ir / be / bespillbelady2.c
1 /*
2  * Copyright (C) 1995-2007 University of Karlsruhe.  All right reserved.
3  *
4  * This file is part of libFirm.
5  *
6  * This file may be distributed and/or modified under the terms of the
7  * GNU General Public License version 2 as published by the Free Software
8  * Foundation and appearing in the file LICENSE.GPL included in the
9  * packaging of this file.
10  *
11  * Licensees holding valid libFirm Professional Edition licenses may use
12  * this file in accordance with the libFirm Commercial License.
13  * Agreement provided with the Software.
14  *
15  * This file is provided AS IS with NO WARRANTY OF ANY KIND, INCLUDING THE
16  * WARRANTY OF DESIGN, MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR
17  * PURPOSE.
18  */
19
20 /**
21  * @file
22  * @brief       Beladys spillalgorithm version 2.
23  * @author      Daniel Grund, Matthias Braun, Sebastian Hack
24  * @date        01.08.2007
25  * @version     $Id$
26  *
27  * The main differences to the original Belady are:
28  * - The workset is empty at the start of a block
29  *   There is no attempt to fill it with variables which
30  *   are not used in the block.
31  * - There is a global pass which tries to use the remaining
32  *   capacity of the blocks to let global variables live through
33  *   them.
34  */
35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
36 #include "config.h"
37 #endif
38
39 #include <math.h>
40 #include <limits.h>
41
42 #include "obst.h"
43 #include "irnodeset.h"
44 #include "irbitset.h"
45 #include "irprintf_t.h"
46 #include "irgraph.h"
47 #include "irnode.h"
48 #include "irmode.h"
49 #include "irgwalk.h"
50 #include "irloop.h"
51 #include "iredges_t.h"
52 #include "irphase_t.h"
53 #include "ircons_t.h"
54 #include "irprintf.h"
55 #include "execfreq.h"
56 #include "xmalloc.h"
57
58 #include "beutil.h"
59 #include "bearch_t.h"
60 #include "bespillbelady.h"
61 #include "besched_t.h"
62 #include "beirgmod.h"
63 #include "belive_t.h"
64 #include "benode_t.h"
65 #include "bechordal_t.h"
66 #include "bespilloptions.h"
67 #include "beloopana.h"
68 #include "beirg_t.h"
69 #include "bemodule.h"
70
71 #define DBG_SPILL     1
72 #define DBG_WSETS     2
73 #define DBG_FIX       4
74 #define DBG_DECIDE    8
75 #define DBG_START    16
76 #define DBG_SLOTS    32
77 #define DBG_TRACE    64
78 #define DBG_WORKSET 128
79 #define DBG_GLOBAL  256
80
81 #define DEAD     UINT_MAX
82 #define LIVE_END (DEAD-1)
83
84 DEBUG_ONLY(static firm_dbg_module_t *dbg = NULL;)
85
86 /**
87  * An association between a node and a point in time.
88  */
89 typedef struct _loc_t {
90   ir_node *irn;        /**< A node. */
91   unsigned time;       /**< A use time (see beuses.h). */
92   unsigned version;    /**< That is used in the global pass below.
93                                                  For usage see the comments below.
94                                                  In the local belady pass, this is not important. */
95 } loc_t;
96
97 typedef struct _workset_t {
98         int len;                        /**< current length */
99         loc_t vals[0];          /**< inlined array of the values/distances in this working set */
100 } workset_t;
101
102 typedef struct _belady_env_t {
103         struct obstack ob;
104         ir_graph *irg;
105         const arch_env_t *arch;
106         const arch_register_class_t *cls;
107         be_lv_t *lv;
108         ir_exec_freq *ef;
109
110         ir_node **blocks;   /**< Array of all blocks. */
111         int n_blocks;       /**< Number of blocks in the graph. */
112         int n_regs;                     /**< number of regs in this reg-class */
113         workset_t *ws;          /**< the main workset used while processing a block. ob-allocated */
114         ir_node *instr;         /**< current instruction */
115         unsigned instr_nr;      /**< current instruction number (relative to block start) */
116
117         spill_env_t *senv;      /**< see bespill.h */
118 } belady_env_t;
119
120
121 static int loc_compare(const void *a, const void *b)
122 {
123         const loc_t *p = a;
124         const loc_t *q = b;
125         return (int) p->time - (int) q->time;
126 }
127
128 static INLINE void workset_print(const workset_t *w)
129 {
130         int i;
131
132         for(i = 0; i < w->len; ++i) {
133                 ir_fprintf(stderr, "%+F %d\n", w->vals[i].irn, w->vals[i].time);
134         }
135 }
136
137 /**
138  * Alloc a new workset on obstack @p ob with maximum size @p max
139  */
140 static INLINE workset_t *new_workset(belady_env_t *env, struct obstack *ob) {
141         workset_t *res;
142         size_t size = sizeof(*res) + (env->n_regs)*sizeof(res->vals[0]);
143         res = obstack_alloc(ob, size);
144         memset(res, 0, size);
145         return res;
146 }
147
148 /**
149  * Alloc a new instance on obstack and make it equal to @param ws
150  */
151 static INLINE workset_t *workset_clone(belady_env_t *env, struct obstack *ob, workset_t *ws) {
152         workset_t *res;
153         size_t size = sizeof(*res) + (env->n_regs)*sizeof(res->vals[0]);
154         res = obstack_alloc(ob, size);
155         memcpy(res, ws, size);
156         return res;
157 }
158
159 /**
160  * Do NOT alloc anything. Make @param tgt equal to @param src.
161  * returns @param tgt for convenience
162  */
163 static INLINE workset_t *workset_copy(belady_env_t *env, workset_t *tgt, workset_t *src) {
164         size_t size = sizeof(*src) + (env->n_regs)*sizeof(src->vals[0]);
165         memcpy(tgt, src, size);
166         return tgt;
167 }
168
169 /**
170  * Overwrites the current content array of @param ws with the
171  * @param count locations given at memory @param locs.
172  * Set the length of @param ws to count.
173  */
174 static INLINE void workset_bulk_fill(workset_t *workset, int count, const loc_t *locs) {
175         workset->len = count;
176         memcpy(&(workset->vals[0]), locs, count * sizeof(locs[0]));
177 }
178
179 /**
180  * Inserts the value @p val into the workset, iff it is not
181  * already contained. The workset must not be full.
182  */
183 static INLINE void workset_insert(belady_env_t *env, workset_t *ws, ir_node *val) {
184         int i;
185         /* check for current regclass */
186         if (!arch_irn_consider_in_reg_alloc(env->arch, env->cls, val)) {
187                 DBG((dbg, DBG_WORKSET, "Skipped %+F\n", val));
188                 return;
189         }
190
191         /* check if val is already contained */
192         for(i=0; i<ws->len; ++i)
193                 if (ws->vals[i].irn == val)
194                         return;
195
196         /* insert val */
197         assert(ws->len < env->n_regs && "Workset already full!");
198         ws->vals[ws->len++].irn = val;
199 }
200
201 /**
202  * Removes all entries from this workset
203  */
204 static INLINE void workset_clear(workset_t *ws) {
205         ws->len = 0;
206 }
207
208 /**
209  * Removes the value @p val from the workset if present.
210  */
211 static INLINE void workset_remove(workset_t *ws, ir_node *val) {
212         int i;
213         for(i=0; i<ws->len; ++i) {
214                 if (ws->vals[i].irn == val) {
215                         ws->vals[i] = ws->vals[--ws->len];
216                         return;
217                 }
218         }
219 }
220
221 static INLINE int workset_get_index(const workset_t *ws, const ir_node *val) {
222         int i;
223         for(i=0; i<ws->len; ++i) {
224                 if (ws->vals[i].irn == val)
225                         return i;
226         }
227
228         return -1;
229 }
230
231 /**
232  * Iterates over all values in the working set.
233  * @p ws The workset to iterate
234  * @p v  A variable to put the current value in
235  * @p i  An integer for internal use
236  */
237 #define workset_foreach(ws, v, i)       for(i=0; \
238                                                                                 v=(i < ws->len) ? ws->vals[i].irn : NULL, i < ws->len; \
239                                                                                 ++i)
240
241 #define workset_set_time(ws, i, t) (ws)->vals[i].time=t
242 #define workset_get_time(ws, i) (ws)->vals[i].time
243 #define workset_set_length(ws, length) (ws)->len = length
244 #define workset_get_length(ws) ((ws)->len)
245 #define workset_get_val(ws, i) ((ws)->vals[i].irn)
246 #define workset_sort(ws) qsort((ws)->vals, (ws)->len, sizeof((ws)->vals[0]), loc_compare);
247 #define workset_contains(ws, n) (workset_get_index(ws, n) >= 0)
248
249 typedef struct _block_info_t {
250         belady_env_t *bel;
251         const ir_node *bl;
252         workset_t *ws_start, *ws_end;
253         ir_phase next_uses;
254
255         ir_node *first_non_in;   /**< First node in block which is not a phi.  */
256         ir_node *last_ins;       /**< The instruction before which end of
257                                                            block reloads will be inserted. */
258
259         workset_t *entrance_reg; /**< That set will contain all values
260                                                                   transported into the block which
261                                                                   are used before they are displaced.
262                                                                   That means, we later have to care to
263                                                                   bring them into the block in a register
264                                                                   or reload them at the entry of the block. */
265
266         int pressure; /**< The amount of registers which remain free
267                                         in this block. This capacity can be used to let
268                                         global variables, transported into other blocks,
269                                         live through this block. */
270
271         double exec_freq; /**< The execution frequency of this block. */
272 } block_info_t;
273
274 static INLINE void *new_block_info(belady_env_t *bel, ir_node *bl) {
275         block_info_t *res = obstack_alloc(&bel->ob, sizeof(*res));
276         memset(res, 0, sizeof(res[0]));
277         res->first_non_in = NULL;
278         res->last_ins = NULL;
279         res->bel = bel;
280         res->bl  = bl;
281         res->entrance_reg = new_workset(bel, &bel->ob);
282         res->exec_freq    = get_block_execfreq(bel->ef, bl);
283         set_irn_link(bl, res);
284         return res;
285 }
286
287 #define get_block_info(block)        ((block_info_t *)get_irn_link(block))
288 #define set_block_info(block, info)  set_irn_link(block, info)
289
290 static INLINE ir_node *block_info_get_last_ins(block_info_t *bi)
291 {
292         if (!bi->last_ins)
293                 bi->last_ins = be_get_end_of_block_insertion_point(bi->bl);
294
295         return bi->last_ins;
296 }
297
298 typedef struct _next_use_t {
299         unsigned is_first_use : 1; /**< Indicate that this use is the first
300                                                                  in the block. Needed to identify
301                                                                  transport in values for the global
302                                                                  pass. */
303         int step;                  /**< The time step of the use. */
304         struct _next_use_t *next;  /**< The next use int this block
305                                                                  or NULL. */
306 } next_use_t;
307
308 static void *next_use_init(ir_phase *phase, ir_node *irn, void *old)
309 {
310         (void) phase;
311         (void) irn;
312         (void) old;
313         return NULL;
314 }
315
316 static void build_next_uses(block_info_t *bi)
317 {
318         ir_node *irn;
319
320         phase_init(&bi->next_uses, "next uses", bi->bel->irg, PHASE_DEFAULT_GROWTH, next_use_init, NULL);
321         sched_foreach_reverse(bi->bl, irn) {
322                 int i, step = sched_get_time_step(irn);
323
324                 if (is_Phi(irn))
325                         break;
326
327                 for (i = get_irn_arity(irn) - 1; i >= 0; --i) {
328                         ir_node *op = get_irn_n(irn, i);
329                         next_use_t *curr = phase_get_irn_data(&bi->next_uses, op);
330                         next_use_t *use  = phase_alloc(&bi->next_uses, sizeof(use[0]));
331
332                         assert(step >= 0);
333                         use->is_first_use = 1;
334                         use->step         = step;
335                         use->next         = curr;
336
337                         if (curr)
338                                 curr->is_first_use = 0;
339
340                         phase_set_irn_data(&bi->next_uses, op, use);
341                 }
342         }
343 }
344
345 #define get_current_use(bi, irn)         phase_get_irn_data(&(bi)->next_uses, (irn))
346
347 static INLINE void advance_current_use(block_info_t *bi, const ir_node *irn)
348 {
349         next_use_t *use = get_current_use(bi, irn);
350
351         assert(use);
352         phase_set_irn_data(&bi->next_uses, irn, use->next);
353 }
354
355 static INLINE unsigned get_curr_distance(block_info_t *bi, const ir_node *irn, int is_usage)
356 {
357         belady_env_t *env = bi->bel;
358         next_use_t *use   = get_current_use(bi, irn);
359         int curr_step     = sched_get_time_step(env->instr);
360         int flags         = arch_irn_get_flags(env->arch, irn);
361
362         assert(!(flags & arch_irn_flags_ignore));
363
364         /* We have to keep nonspillable nodes in the workingset */
365         if(flags & arch_irn_flags_dont_spill)
366                 return 0;
367
368         if (!is_usage && use && use->step == curr_step)
369                 use = use->next;
370
371         if (use) {
372                 assert(use->step >= curr_step);
373                 return use->step - curr_step;
374         }
375
376         return be_is_live_end(env->lv, bi->bl, irn) ? LIVE_END : DEAD;
377 }
378
379 static INLINE int is_local_phi(const ir_node *bl, const ir_node *irn)
380 {
381         return is_Phi(irn) && get_nodes_block(irn) == bl;
382 }
383
384 /**
385  * Check, if the value is something that is transported into a block.
386  * That is, the value is defined elsewhere or defined by a Phi in the block.
387  * @param env  The belady environment.
388  * @param bl   The block in question.
389  * @param irn  The node in question.
390  * @return     1, if node is something transported into @p bl, 0 if not.
391  * @note       The function will only give correct answers in the case
392  *             where @p irn is unsed in the block @p bl which is always
393  *             the case in our usage scenario.
394  */
395 static INLINE int is_transport_in(const ir_node *bl, const ir_node *irn)
396 {
397         return is_local_phi(bl, irn) || get_nodes_block(irn) != bl;
398 }
399
400 /**
401  * Performs the actions necessary to grant the request that:
402  * - new_vals can be held in registers
403  * - as few as possible other values are disposed
404  * - the worst values get disposed
405  *
406  * @p is_usage indicates that the values in new_vals are used (not defined)
407  * In this case reloads must be performed
408  */
409 static void displace(block_info_t *bi, workset_t *new_vals, int is_usage) {
410         belady_env_t *env       = bi->bel;
411         workset_t    *ws        = env->ws;
412         ir_node     **to_insert = alloca(env->n_regs * sizeof(to_insert[0]));
413
414         int i, len, max_allowed, demand, iter;
415         ir_node *val;
416
417         /*
418                 1. Identify the number of needed slots and the values to reload
419         */
420         demand = 0;
421         workset_foreach(new_vals, val, iter) {
422                 /* mark value as used */
423
424                 if (! workset_contains(ws, val)) {
425                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    insert %+F\n", val));
426                         to_insert[demand++] = val;
427                         if (is_usage) {
428                                 int insert_reload = 1;
429                                 next_use_t *use = get_current_use(bi, val);
430
431                                 /*
432                                  * if we use a value which is transported in this block, i.e. a
433                                  * phi defined here or a live in, for the first time, we check
434                                  * if there is room for that guy to survive from the block's
435                                  * entrance to here or not.
436                                  */
437                                 assert(use);
438                                 assert(sched_get_time_step(env->instr) == use->step);
439                                 if (is_transport_in(bi->bl, val) && use->is_first_use) {
440                                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "entrance node %+F, pressure %d:\n", val, bi->pressure));
441                                         if (bi->pressure < env->n_regs) {
442                                                 workset_insert(env, bi->entrance_reg, val);
443                                                 insert_reload = 0;
444                                                 ++bi->pressure;
445                                                 DBG((dbg, DBG_DECIDE, "... no reload. must be considered at block start\n"));
446                                         }
447                                 }
448
449                                 if (insert_reload) {
450                                         DBG((dbg, DBG_SPILL, "Reload %+F before %+F\n", val, env->instr));
451                                         be_add_reload(env->senv, val, env->instr, env->cls, 1);
452                                 }
453                         }
454                 } else {
455                         assert(is_usage || "Defined value already in workset?!?");
456                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    skip %+F\n", val));
457                 }
458         }
459         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    demand = %d\n", demand));
460
461         /*
462                 2. Make room for at least 'demand' slots
463         */
464         len         = workset_get_length(ws);
465         max_allowed = env->n_regs - demand;
466
467         /* Only make more free room if we do not have enough */
468         if (len > max_allowed) {
469                 // int curr_step = sched_get_time_step(env->instr);
470
471                 DBG((dbg, DBG_DECIDE, "    disposing %d values\n", len - max_allowed));
472
473                 /* get current next-use distance */
474                 for (i = 0; i < ws->len; ++i) {
475                         ir_node *val  = workset_get_val(ws, i);
476                         unsigned dist = get_curr_distance(bi, val, is_usage);
477                         workset_set_time(ws, i, dist);
478                 }
479
480                 /* sort entries by increasing nextuse-distance*/
481                 workset_sort(ws);
482
483                 /* kill the last 'demand' entries in the array */
484                 workset_set_length(ws, max_allowed);
485         }
486
487         /*
488                 3. Insert the new values into the workset
489                    Also, we update the pressure in the block info.
490                    That is important for the global pass to decide
491                    how many values can live through the block.
492         */
493         for (i = 0; i < demand; ++i)
494                 workset_insert(env, env->ws, to_insert[i]);
495
496         bi->pressure = MAX(bi->pressure, workset_get_length(env->ws));
497
498 }
499
500 /**
501  * For the given block @p block, decide for each values
502  * whether it is used from a register or is reloaded
503  * before the use.
504  */
505 static void belady(ir_node *block, void *data) {
506         belady_env_t *env        = data;
507         block_info_t *block_info = new_block_info(env, block);
508         void *obst_state         = obstack_base(&env->ob);
509
510         workset_t *new_vals;
511         ir_node *irn;
512         int iter;
513
514         DBG((dbg, DBG_WSETS, "Processing %+F...\n", block_info->bl));
515         new_vals = new_workset(env, &env->ob);
516         workset_clear(env->ws);
517
518         /* build the next use information for this block. */
519         build_next_uses(block_info);
520
521         env->instr_nr = 0;
522         block_info->first_non_in = NULL;
523
524         /* process the block from start to end */
525         sched_foreach(block, irn) {
526                 int i, arity;
527                 assert(workset_get_length(env->ws) <= env->n_regs && "Too much values in workset!");
528
529                 /* projs are handled with the tuple value.
530                  * Phis are no real instr (see insert_starters())
531                  * instr_nr does not increase */
532                 if (is_Proj(irn) || is_Phi(irn)) {
533                         DBG((dbg, DBG_DECIDE, "  ...%+F skipped\n", irn));
534                         continue;
535                 }
536                 DBG((dbg, DBG_DECIDE, "  ...%+F\n", irn));
537
538                 if (!block_info->first_non_in)
539                         block_info->first_non_in = irn;
540
541                 /* set instruction in the workset */
542                 env->instr = irn;
543
544                 /* allocate all values _used_ by this instruction */
545                 workset_clear(new_vals);
546                 for(i = 0, arity = get_irn_arity(irn); i < arity; ++i) {
547                         workset_insert(env, new_vals, get_irn_n(irn, i));
548                 }
549                 displace(block_info, new_vals, 1);
550
551                 /*
552                  * set all used variables to the next use in their next_use_t list
553                  * Also, kill all dead variables from the workset. They are only
554                  * augmenting the pressure. Note, that a variable is dead
555                  * if it has no further use in this block and is *not* live end
556                  */
557                 for(i = 0, arity = get_irn_arity(irn); i < arity; ++i) {
558                         ir_node *op = get_irn_n(irn, i);
559                         next_use_t *use = get_current_use(block_info, op);
560
561                         assert(use);
562                         if (!use->next && !be_is_live_end(env->lv, block, op))
563                                 workset_remove(env->ws, op);
564
565                         advance_current_use(block_info, op);
566                 }
567
568                 /* allocate all values _defined_ by this instruction */
569                 workset_clear(new_vals);
570                 if (get_irn_mode(irn) == mode_T) { /* special handling for tuples and projs */
571                         const ir_edge_t *edge;
572
573                         foreach_out_edge(irn, edge) {
574                                 ir_node *proj = get_edge_src_irn(edge);
575                                 workset_insert(env, new_vals, proj);
576                         }
577                 } else {
578                         workset_insert(env, new_vals, irn);
579                 }
580                 displace(block_info, new_vals, 0);
581
582                 env->instr_nr++;
583         }
584
585         phase_free(&block_info->next_uses);
586         obstack_free(&env->ob, obst_state);
587
588         /* Remember end-workset for this block */
589         block_info->ws_end = workset_clone(env, &env->ob, env->ws);
590         DBG((dbg, DBG_WSETS, "End workset for %+F:\n", block));
591         workset_foreach(block_info->ws_end, irn, iter)
592                 DBG((dbg, DBG_WSETS, "  %+F (%u)\n", irn, workset_get_time(block_info->ws_end, iter)));
593         DBG((dbg, DBG_WSETS, "Max pressure in block: %d\n", block_info->pressure));
594 }
595
596 /*
597  _____ _                  _       _           _   ____            _
598 |_   _| |__   ___    __ _| | ___ | |__   __ _| | |  _ \ __ _ _ __| |_
599   | | | '_ \ / _ \  / _` | |/ _ \| '_ \ / _` | | | |_) / _` | '__| __|
600   | | | | | |  __/ | (_| | | (_) | |_) | (_| | | |  __/ (_| | |  | |_
601   |_| |_| |_|\___|  \__, |_|\___/|_.__/ \__,_|_| |_|   \__,_|_|   \__|
602                     |___/
603
604 */
605
606 static int block_freq_gt(const void *a, const void *b)
607 {
608         const ir_node * const *p = a;
609         const ir_node * const *q = b;
610         block_info_t *pi = get_block_info(*p);
611         block_info_t *qi = get_block_info(*q);
612         double diff = qi->exec_freq - pi->exec_freq;
613         return (diff > 0) - (diff < 0);
614 }
615
616 typedef struct _block_end_state_t {
617         ir_node *bl;
618         ir_node *irn;
619         double costs;
620         workset_t *end_state;
621         unsigned reload_at_end : 1;
622         unsigned live_through  : 1;
623 } block_end_state_t;
624
625 typedef struct _global_end_state_t {
626         belady_env_t *env;
627         bitset_t *succ_phis;
628         struct obstack obst;
629         block_end_state_t *end_info;
630         unsigned gauge;
631         unsigned version;
632 } global_end_state_t;
633
634 static block_end_state_t *get_block_end_state(global_end_state_t *state, ir_node *bl, ir_node *irn)
635 {
636         unsigned i;
637
638         for (i = 0; i < state->gauge; ++i) {
639                 block_end_state_t *bei = &state->end_info[i];
640                 if (bei->bl == bl && bei->irn == irn)
641                         return bei;
642         }
643
644         {
645                 block_info_t *bi = get_block_info(bl);
646                 block_end_state_t *curr;
647
648                 /* make sure we have room in the array */
649                 ARR_EXTO(block_end_state_t, state->end_info, (int) state->gauge);
650
651                 curr = &state->end_info[state->gauge];
652
653                 memset(curr, 0, sizeof(curr[0]));
654                 curr->bl  = bl;
655                 curr->irn = irn;
656                 curr->end_state = workset_clone(state->env, &state->obst, bi->ws_end);
657                 curr->costs = -1.0;
658                 ++state->gauge;
659                 return curr;
660         }
661 }
662
663 static double can_bring_in(global_end_state_t *ges, ir_node *bl, ir_node *irn, int level);
664
665 static double can_make_available_at_end(global_end_state_t *ges, ir_node *bl, ir_node *irn, int level)
666 {
667         block_end_state_t *bes = get_block_end_state(ges, bl, irn);
668         workset_t *end         = bes->end_state;
669         block_info_t *bi       = get_block_info(bl);
670         int n_regs             = bi->bel->n_regs;
671         int index;
672
673         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2Dcan make avail %+F at end of %+F (pressure %d)\n",
674                                 level, irn, bl, bi->pressure));
675
676         /*
677          * to make the value available at end,
678          * we have several cases here.
679          *
680          * - we already visited that block.
681          * - If the value is in the final end set, return 0.
682          *   somebody else already allocated it there.
683          * - If not and the final end set is already full,
684          *   we cannot make the value available at the end
685          *   of this block. return INFINITY.
686          * - Else (value not in final end set and there is room):
687          *   1) The value is in a register at the end of the local Belady pass.
688          *      Allocate a slot in  the final end set and return 0.
689          *   2) The value is not in the Belady end set:
690          *      If the block's capacity is < k then check what it costs
691          *      to transport the value from upper blocks to this block.
692          *      Compare that against the reload cost in this block. If
693          *      cheaper, do the other thing. If not, reload it here.
694          */
695
696         /*
697          * we have been here before and already figured out some costs.
698          * so we can exit safely.
699          */
700         if (bes->costs >= 0.0) {
701                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2Dwe\'ve been here before\n", level));
702                 goto end;
703         }
704
705         /* if the end set contains it already, it is in a reg and it costs nothing
706          * to load it to one. */
707         index = workset_get_index(end, irn);
708         if (index >= 0) {
709                 unsigned ver = end->vals[index].version;
710                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2Dnode is in the end set and is %s fixed\n",
711                                         level, ver > ges->version ? "already" : "not yet"));
712
713                 /*
714                  * if the version is older, the value is already fixed
715                  * and cannot be removed from the end set. If not,
716                  * we fix it here by giving it our version.
717                  */
718                 if (ver < ges->version)
719                         end->vals[index].version = ges->version;
720
721                 bes->costs = 0.0;
722                 goto end;
723         }
724
725         /*
726          * Now we have two options:
727          * 1) Reload the value at the end of the block.
728          *    Therefore, perhaps, we have to erase another one from the workset.
729          *    This may only be done if it has not been fixed.
730          *    Since fixed means that a previous pass has decided that that value
731          *    *has* to stay in the end set.
732          * 2) we can try, if the capacity of the block allows it, to let
733          *    the value live through the block and make it available at
734          *    the entrance.
735          *
736          * First, we test the local (reload in this block) alternative
737          * and compare against the other alternative.
738          * Of course, we chose the cheaper one.
739          */
740
741         {
742                 int len = workset_get_length(end);
743                 int slot = -1;
744                 int i;
745
746                 bes->costs = HUGE_VAL;
747
748                 /*
749                  * look if there is room in the end array
750                  * for the variable. Note that this does not
751                  * means that the var is living through the block.
752                  * There is just room at the *end*
753                  */
754                 if (len < n_regs) {
755                         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2Dthe end set has %d free slots\n",
756                                                 level, n_regs - len));
757                         slot = len;
758                 } else {
759                         for (i = 0; i < len; ++i)
760                                 if (end->vals[i].version < ges->version)
761                                         break;
762
763                         if (i < len) {
764                                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2D%+F (slot %d) can be erased from the end set\n",
765                                                         level, end->vals[i].irn, i));
766                                 slot = i;
767                         }
768                 }
769
770                 if (slot >= 0) {
771                         int gauge           = ges->gauge;
772                         ir_node *ins_before = block_info_get_last_ins(bi);
773                         double reload_here  = be_get_reload_costs(bi->bel->senv, irn, ins_before);
774                         double bring_in     = bi->pressure < n_regs ? can_bring_in(ges, bl, irn, level + 1) : HUGE_VAL;
775
776                         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2Dthere is a free slot. capacity=%d, reload here=%f, bring in=%f\n",
777                                                 level, n_regs - bi->pressure, reload_here, bring_in));
778
779                         /*
780                          * reloading here pays off; bringing the value in from elsewhere
781                          * is too expensive, hence we drop that search by resetting
782                          * the gauge.
783                          */
784                         if (reload_here <= bring_in) {
785                                 ges->gauge = gauge;
786                                 bes->costs = reload_here;
787                                 bes->reload_at_end = 1;
788                         } else {
789                                 bes->live_through = 1;
790                                 bes->costs = bring_in;
791                         }
792
793                         end->vals[slot].irn     = irn;
794                         end->vals[slot].version = ges->version;
795                         end->len = MAX(end->len, slot + 1);
796                 } else {
797                         ges->gauge -= 1;
798                 }
799         }
800
801 end:
802         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2D-> %f\n", level, bes->costs));
803         return bes->costs;
804 }
805
806 static double can_bring_in(global_end_state_t *ges, ir_node *bl, ir_node *irn, int level)
807 {
808         double glob_costs = HUGE_VAL;
809
810         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2Dcan bring in for %+F at block %+F\n", level, irn, bl));
811
812         if (is_transport_in(bl, irn)) {
813                 int i, n           = get_irn_arity(bl);
814                 ir_node **nodes    = alloca(get_irn_arity(bl) * sizeof(nodes[0]));
815
816                 int gauge_begin    = ges->gauge;
817
818                 glob_costs = 0.0;
819                 for (i = 0; i < n; ++i) {
820                         ir_node *pr = get_Block_cfgpred_block(bl, i);
821                         ir_node *op = is_local_phi(bl, irn) ? get_irn_n(irn, i) : irn;
822                         double c    = can_make_available_at_end(ges, pr, op, level + 1);
823
824                         if (c >= HUGE_VAL) {
825                                 ges->gauge = gauge_begin;
826                                 glob_costs = HUGE_VAL;
827                                 goto end;
828                         }
829
830                         glob_costs += c;
831                 }
832         }
833
834 end:
835         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t%2D-> %f\n", level, glob_costs));
836         return glob_costs;
837 }
838
839 static void materialize_and_commit_end_state(global_end_state_t *ges)
840 {
841         belady_env_t *env = ges->env;
842         unsigned i;
843
844         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\tmaterializing\n"));
845         for (i = 0; i < ges->gauge; ++i) {
846                 block_end_state_t *bes = &ges->end_info[i];
847                 block_info_t *bi       = get_block_info(bes->bl);
848                 int idx, end_pressure;
849
850                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t\t%+F in %+F, cost %f through: %d, rel: %d\n",
851                                 bes->irn, bes->bl, bes->costs, bes->live_through, bes->reload_at_end));
852
853                 /* insert the reload if the val was reloaded at the block's end */
854                 if (bes->reload_at_end) {
855                         be_add_reload_at_end(env->senv, bes->irn, bes->bl, env->cls, 1);
856                         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t\tadding reload of %+F at end of %+F\n", bes->irn, bes->bl));
857                 }
858
859                 idx = workset_get_index(bes->end_state, bes->irn);
860
861                 if (is_local_phi(bes->bl, bes->irn) && bes->live_through)
862                         bitset_add_irn(ges->succ_phis, bes->irn);
863
864                 /*
865                  * set the version number in the workset.
866                  * That will mark this value as fixed in the end set
867                  * and will prevent further investigations from removing
868                  * it from there.
869                  * Also "commit" the workset;
870                  * by copying it back to the block's end workset.
871                  */
872                 if (idx >= 0) {
873                         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t\tcommiting workset of %+F with version %x\n", bes->bl, ges->version));
874                         bes->end_state->vals[idx].version = ges->version;
875                         workset_copy(env, bi->ws_end, bes->end_state);
876                 }
877
878                 end_pressure = 0;
879                 for (idx = workset_get_length(bes->end_state) - 1; idx >= 0; --idx)
880                         if (bes->end_state->vals[idx].version >= ges->version)
881                                 end_pressure += 1;
882
883                 /*
884                  * if the variable is live through the block,
885                  * update the pressure indicator.
886                  */
887                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\t\told pressure %d, ", bi->pressure));
888
889                 bi->pressure = MAX(bi->pressure + bes->live_through, end_pressure);
890
891                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "new pressure: %d, end pressure: %d, end length: %d\n",
892                                         bi->pressure, end_pressure, workset_get_length(bes->end_state)));
893
894         }
895 }
896
897 /**
898  * Examine all irns which shall be in regs at the beginning of the
899  * block.
900  */
901 static void fix_block_borders(global_end_state_t *ges, ir_node *block) {
902         block_info_t *bi  = get_block_info(block);
903         belady_env_t *env = ges->env;
904
905         ir_node *irn;
906         int i;
907
908         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "fixing block borders at %+F (%f)\n", block, bi->exec_freq));
909
910         /* process all variables which shall be in a reg at
911          * the beginning of the block in the order of the next use. */
912         workset_foreach(bi->entrance_reg, irn, i) {
913                 double local_costs = be_get_reload_costs(env->senv, irn, bi->first_non_in);
914                 double bring_in_costs;
915
916                 /* reset the gauge and create a new version. */
917                 ges->gauge    = 0;
918                 ges->version -= 1;
919
920                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\ttrans in var %+F, version %x\n", irn, ges->version));
921
922                 bring_in_costs = can_bring_in(ges, block, irn, 1);
923
924                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\tbring in: %f, local: %f", bring_in_costs, local_costs));
925
926                 /*
927                  * we were not able to let the value arrive
928                  * in a register at the entrance of the block
929                  * or it is too costly, so we have to do the reload locally
930                  */
931                 if (bring_in_costs > local_costs) {
932
933                         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, " -> do local reload\n"));
934                         be_add_reload(env->senv, irn, bi->first_non_in, env->cls, 1);
935                 } else {
936                         /*
937                          * if the transport-in was a phi (that is actually used in block)
938                          * it will no longer remain and we have to spill it completely.
939                          */
940                         if (is_local_phi(block, irn))
941                                 bitset_add_irn(ges->succ_phis, irn);
942
943                         DBG((dbg, DBG_GLOBAL, " -> do remote reload\n"));
944                         materialize_and_commit_end_state(ges);
945                 }
946
947                 DBG((dbg, DBG_GLOBAL, "\n"));
948         }
949 }
950
951 static void global_assign(belady_env_t *env)
952 {
953         global_end_state_t ges;
954         int i;
955
956         obstack_init(&ges.obst);
957         ges.gauge     = 0;
958         ges.env       = env;
959         ges.version   = -1;
960         ges.end_info  = NEW_ARR_F(block_end_state_t, env->n_blocks);
961         ges.succ_phis = bitset_irg_obstack_alloc(&env->ob, env->irg);
962
963         /*
964          * sort the blocks according to execution frequency.
965          * That's not necessary for belady() but for the global pass later on.
966          */
967         qsort(env->blocks, env->n_blocks, sizeof(env->blocks[0]), block_freq_gt);
968
969         for (i = 0; i < env->n_blocks; ++i)
970                 fix_block_borders(&ges, env->blocks[i]);
971
972         /*
973          * Now we spill phis which cannot be kept since they were replaced
974          * by reloads at the block entrances.
975          */
976         for (i = 0; i < env->n_blocks; ++i) {
977                 ir_node *bl = env->blocks[i];
978                 ir_node *irn;
979
980                 sched_foreach(bl, irn) {
981                         if (!is_Phi(irn))
982                                 break;
983
984                         if (arch_irn_consider_in_reg_alloc(env->arch, env->cls, irn)
985                                         && !bitset_contains_irn(ges.succ_phis, irn))
986                                 be_spill_phi(env->senv, irn);
987                 }
988         }
989
990         DEL_ARR_F(ges.end_info);
991 }
992
993 static void collect_blocks(ir_node *bl, void *data)
994 {
995         belady_env_t *env = data;
996         ++env->n_blocks;
997         obstack_ptr_grow(&env->ob, bl);
998 }
999
1000 void be_spill_belady_spill_env2(be_irg_t *birg, const arch_register_class_t *cls, spill_env_t *spill_env) {
1001         ir_graph *irg = be_get_birg_irg(birg);
1002         belady_env_t env;
1003         int i, n_regs;
1004
1005         /* some special classes contain only ignore regs, nothing to do then */
1006         n_regs = cls->n_regs - be_put_ignore_regs(birg, cls, NULL);
1007         if(n_regs == 0)
1008                 return;
1009
1010         be_clear_links(irg);
1011
1012         /* init belady env */
1013         obstack_init(&env.ob);
1014         env.irg       = irg;
1015         env.arch      = birg->main_env->arch_env;
1016         env.cls       = cls;
1017         env.lv        = be_get_birg_liveness(birg);
1018         env.n_regs    = n_regs;
1019         env.ws        = new_workset(&env, &env.ob);
1020         env.senv      = spill_env ? spill_env : be_new_spill_env(birg);
1021         env.ef        = be_get_birg_exec_freq(birg);
1022         env.n_blocks  = 0;
1023
1024         irg_block_walk_graph(irg, NULL, collect_blocks, &env);
1025         obstack_ptr_grow(&env.ob, NULL);
1026         env.blocks = obstack_finish(&env.ob);
1027
1028         /* Fix high register pressure in blocks with belady algorithm */
1029         for (i = 0; i < env.n_blocks; ++i)
1030                 belady(env.blocks[i], &env);
1031
1032         global_assign(&env);
1033
1034         /* Insert spill/reload nodes into the graph and fix usages */
1035         be_insert_spills_reloads(env.senv);
1036
1037         /* clean up */
1038         if(spill_env == NULL)
1039                 be_delete_spill_env(env.senv);
1040
1041         obstack_free(&env.ob, NULL);
1042 }
1043
1044
1045 /**
1046  * Do spilling for a register class on a graph using the belady heuristic.
1047  * In the transformed graph, the register pressure never exceeds the number
1048  * of available registers.
1049  *
1050  * @param birg  The backend graph
1051  * @param cls   The register class to spill
1052  */
1053 static void be_spill_belady(be_irg_t *birg, const arch_register_class_t *cls) {
1054         be_spill_belady_spill_env2(birg, cls, NULL);
1055 }
1056
1057
1058 void be_init_spillbelady2(void)
1059 {
1060         static be_spiller_t belady_spiller = {
1061                 be_spill_belady
1062         };
1063
1064         be_register_spiller("belady2", &belady_spiller);
1065         FIRM_DBG_REGISTER(dbg, "firm.be.spill.belady2");
1066 }
1067
1068 BE_REGISTER_MODULE_CONSTRUCTOR(be_init_spillbelady2);