introduce Switch node
[libfirm] / ir / ir / irprofile.c
1 /*
2  * Copyright (C) 1995-2011 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       Code instrumentation and execution count profiling.
23  * @author      Adam M. Szalkowski, Steven Schaefer
24  * @date        06.04.2006, 11.11.2010
25  * @version     $Id$
26  */
27 #include "config.h"
28
29 #include <math.h>
30 #include <stdio.h>
31
32 #include "hashptr.h"
33 #include "debug.h"
34 #include "obst.h"
35 #include "xmalloc.h"
36 #include "set.h"
37 #include "irtools.h"
38
39 #include "irgwalk.h"
40 #include "irdump_t.h"
41 #include "irnode_t.h"
42 #include "ircons_t.h"
43 #include "execfreq.h"
44 #include "typerep.h"
45
46 #include "irprofile.h"
47
48 /* Instrument blocks walker. */
49 typedef struct block_id_walker_data_t {
50         unsigned int id;   /**< current block id number */
51         ir_node *symconst; /**< the SymConst representing the counter array */
52 } block_id_walker_data_t;
53
54 /* Associate counters with blocks. */
55 typedef struct block_assoc_t {
56         unsigned int i;          /**< current block id number */
57         unsigned int *counters;  /**< block execution counts */
58 } block_assoc_t;
59
60 typedef struct intialize_execfreq_env_t {
61         ir_graph *irg;
62         ir_exec_freq *execfreqs;
63         double freq_factor;
64 } initialize_execfreq_env_t;
65
66 /* minimal execution frequency (an execfreq of 0 confuses algos) */
67 #define MIN_EXECFREQ 0.00001
68
69 /* keep the execcounts here because they are only read once per compiler run */
70 static set *profile = NULL;
71
72 /* Hook for vcg output. */
73 static void *hook;
74
75 /* The debug module handle. */
76 DEBUG_ONLY(static firm_dbg_module_t *dbg;)
77
78 /* Since the backend creates a new firm graph we cannot associate counts with
79  * blocks directly. Instead we associate them with the block ids, which are
80  * maintained.
81  */
82 typedef struct execcount_t {
83         unsigned long block; /**< block id */
84         unsigned int  count; /**< execution count */
85 } execcount_t;
86
87 /**
88  * Compare two execcount_t entries.
89  */
90 static int cmp_execcount(const void *a, const void *b, size_t size)
91 {
92         const execcount_t *ea = (const execcount_t*)a;
93         const execcount_t *eb = (const execcount_t*)b;
94         (void) size;
95         return ea->block != eb->block;
96 }
97
98 /**
99  * Block walker, count number of blocks.
100  */
101 static void block_counter(ir_node *bb, void *data)
102 {
103         unsigned *count = (unsigned*) data;
104         (void) bb;
105         ++(*count);
106 }
107
108 /**
109  * Returns the number of blocks the given graph.
110  */
111 static unsigned int get_irg_n_blocks(ir_graph *irg)
112 {
113         unsigned int count = 0;
114         irg_block_walk_graph(irg, block_counter, NULL, &count);
115         return count;
116 }
117
118 /**
119  * Returns the number of basic blocks in the current ir program.
120  */
121 static unsigned int get_irp_n_blocks(void)
122 {
123         int i, n = get_irp_n_irgs();
124         unsigned int count = 0;
125
126         for (i = 0; i < n; i++) {
127                 ir_graph *irg = get_irp_irg(i);
128                 count += get_irg_n_blocks(irg);
129         }
130
131         return count;
132 }
133
134 /* vcg helper */
135 static void dump_profile_node_info(void *ctx, FILE *f, const ir_node *irn)
136 {
137         (void) ctx;
138         if (is_Block(irn)) {
139                 unsigned int execcount = ir_profile_get_block_execcount(irn);
140                 fprintf(f, "profiled execution count: %u\n", execcount);
141         }
142 }
143
144 /**
145  * Add the given method entity as a constructor.
146  */
147 static void add_constructor(ir_entity *method)
148 {
149     ir_type   *method_type  = get_entity_type(method);
150     ir_type   *ptr_type     = new_type_pointer(method_type);
151
152     ir_type   *constructors = get_segment_type(IR_SEGMENT_CONSTRUCTORS);
153         ident     *ide = id_unique("constructor_ptr.%u");
154     ir_entity *ptr = new_entity(constructors, ide, ptr_type);
155     ir_graph  *irg = get_const_code_irg();
156     ir_node   *val = new_rd_SymConst_addr_ent(NULL, irg, mode_P_code, method);
157
158         set_entity_ld_ident(ptr, new_id_from_chars("", 0));
159     set_entity_compiler_generated(ptr, 1);
160     set_entity_linkage(ptr, IR_LINKAGE_CONSTANT | IR_LINKAGE_HIDDEN_USER);
161     set_entity_visibility(ptr, ir_visibility_private);
162     set_atomic_ent_value(ptr, val);
163 }
164
165 /**
166  * Returns an entity representing the __init_firmprof function from libfirmprof
167  * This is the equivalent of:
168  * extern void __init_firmprof(char *filename, uint *counters, uint size)
169  */
170 static ir_entity *get_init_firmprof_ref(void)
171 {
172         ident   *init_name = new_id_from_str("__init_firmprof");
173         ir_type *init_type = new_type_method(3, 0);
174         ir_type *uint      = new_type_primitive(mode_Iu);
175         ir_type *uintptr   = new_type_pointer(uint);
176         ir_type *string    = new_type_pointer(new_type_primitive(mode_Bs));
177         ir_entity *result;
178
179         set_method_param_type(init_type, 0, string);
180         set_method_param_type(init_type, 1, uintptr);
181         set_method_param_type(init_type, 2, uint);
182
183         result = new_entity(get_glob_type(), init_name, init_type);
184         set_entity_visibility(result, ir_visibility_external);
185
186         return result;
187 }
188
189 /**
190  * Generates a new irg which calls the initializer
191  *
192  * Pseudocode:
193  *    static void __firmprof_initializer(void) __attribute__ ((constructor))
194  *    {
195  *        __init_firmprof(ent_filename, bblock_counts, n_blocks);
196  *    }
197  */
198 static ir_graph *gen_initializer_irg(ir_entity *ent_filename,
199                                      ir_entity *bblock_counts, int n_blocks)
200 {
201         ir_graph *irg;
202         ir_node  *ins[3];
203         ir_node  *bb, *ret, *call, *symconst;
204         ir_type  *empty_frame_type;
205         symconst_symbol sym;
206
207         ir_entity *init_ent = get_init_firmprof_ref();
208
209         ident     *name = new_id_from_str("__firmprof_initializer");
210         ir_entity *ent  = new_entity(get_glob_type(), name, new_type_method(0, 0));
211         set_entity_visibility(ent, ir_visibility_local);
212         set_entity_ld_ident(ent, name);
213
214         /* create the new ir_graph */
215         irg = new_ir_graph(ent, 0);
216         set_current_ir_graph(irg);
217         empty_frame_type = get_irg_frame_type(irg);
218         set_type_size_bytes(empty_frame_type, 0);
219         set_type_state(empty_frame_type, layout_fixed);
220
221         bb = get_r_cur_block(irg);
222
223         sym.entity_p = init_ent;
224         symconst     = new_r_SymConst(irg, mode_P_data, sym, symconst_addr_ent);
225
226         sym.entity_p = ent_filename;
227         ins[0] = new_r_SymConst(irg, mode_P_data, sym, symconst_addr_ent);
228         sym.entity_p = bblock_counts;
229         ins[1] = new_r_SymConst(irg, mode_P_data, sym, symconst_addr_ent);
230         ins[2] = new_r_Const_long(irg, mode_Iu, n_blocks);
231
232         call = new_r_Call(bb, get_irg_initial_mem(irg), symconst, 3, ins,
233                 get_entity_type(init_ent));
234         ret  = new_r_Return(bb, new_r_Proj(call, mode_M, pn_Call_M), 0, NULL);
235         mature_immBlock(bb);
236
237         add_immBlock_pred(get_irg_end_block(irg), ret);
238         mature_immBlock(get_irg_end_block(irg));
239
240         irg_finalize_cons(irg);
241
242         /* add a pointer to the new function in the constructor section */
243         add_constructor(ent);
244
245         return irg;
246 }
247
248 /**
249  * Instrument a block with code needed for profiling.
250  * This just inserts the instruction nodes, it doesn't connect the memory
251  * nodes in a meaningful way.
252  */
253 static void instrument_block(ir_node *bb, ir_node *address, unsigned int id)
254 {
255         ir_graph *irg = get_irn_irg(bb);
256         ir_node  *load, *store, *offset, *add, *projm, *proji, *unknown, *cnst;
257
258         /* We can't instrument the end block */
259         if (bb == get_irg_end_block(irg))
260                 return;
261
262         unknown = new_r_Unknown(irg, mode_M);
263         cnst    = new_r_Const_long(irg, mode_Iu, get_mode_size_bytes(mode_Iu) * id);
264         offset  = new_r_Add(bb, address, cnst, get_modeP_data());
265         load    = new_r_Load(bb, unknown, offset, mode_Iu, cons_none);
266         projm   = new_r_Proj(load, mode_M, pn_Load_M);
267         proji   = new_r_Proj(load, mode_Iu, pn_Load_res);
268         cnst    = new_r_Const(irg, get_mode_one(mode_Iu));
269         add     = new_r_Add(bb, proji, cnst, mode_Iu);
270         store   = new_r_Store(bb, projm, offset, add, cons_none);
271         projm   = new_r_Proj(store, mode_M, pn_Store_M);
272
273         set_irn_link(bb, projm);
274         set_irn_link(projm, load);
275 }
276
277 /**
278  * SSA Construction for instrumentation code memory.
279  *
280  * This introduces a new memory node and connects it to the instrumentation
281  * codes, inserting phiM nodes as necessary. Note that afterwards, the new
282  * memory is not connected to any return nodes and thus still dead.
283  */
284 static void fix_ssa(ir_node *bb, void *data)
285 {
286         ir_graph *irg = get_irn_irg(bb);
287         ir_node *mem, *proj, *load;
288         int n, arity = get_Block_n_cfgpreds(bb);
289
290         (void) data;
291
292         /* end blocks are not instrumented, skip! */
293         if (bb == get_irg_end_block(irg))
294                 return;
295
296         if (bb == get_irg_start_block(irg)) {
297                 mem = get_irg_initial_mem(irg);
298         } else if (arity == 1) {
299                 ir_node *pred = get_Block_cfgpred_block(bb, 0);
300                 if (!is_Bad(pred))
301                         mem = (ir_node*) get_irn_link(pred);
302                 else
303                         mem = new_r_NoMem(irg);
304         } else {
305                 ir_node **ins = ALLOCAN(ir_node*, arity);
306                 for (n = arity - 1; n >= 0; --n) {
307                         ir_node *pred = get_Block_cfgpred_block(bb, n);
308                         if (!is_Bad(pred))
309                                 ins[n] = (ir_node*) get_irn_link(pred);
310                         else
311                                 ins[n] = new_r_NoMem(irg);
312                 }
313                 mem = new_r_Phi(bb, arity, ins, mode_M);
314         }
315
316         /* The block link fields point to the projm from the instrumentation code,
317          * the projm in turn links to the initial load which lacks a memory
318          * argument at this point. */
319         proj = (ir_node*) get_irn_link(bb);
320         load = (ir_node*) get_irn_link(proj);
321         set_Load_mem(load, mem);
322 }
323
324 /**
325  * Instrument a single block.
326  */
327 static void block_instrument_walker(ir_node *bb, void *data)
328 {
329         block_id_walker_data_t *wd = (block_id_walker_data_t*)data;
330         instrument_block(bb, wd->symconst, wd->id);
331         ++wd->id;
332 }
333
334 /**
335  * Synchronize the original memory input of node with the additional operand
336  * from the profiling code.
337  */
338 static ir_node *sync_mem(ir_node *bb, ir_node *mem)
339 {
340         ir_node *ins[2];
341         ins[0] = (ir_node*) get_irn_link(bb);
342         ins[1] = mem;
343         return new_r_Sync(bb, 2, ins);
344 }
345
346 /**
347  * Instrument a single ir_graph, counters should point to the bblock
348  * counters array.
349  */
350 static void instrument_irg(ir_graph *irg, ir_entity *counters,
351                            block_id_walker_data_t *wd)
352 {
353         ir_node *end   = get_irg_end(irg);
354         ir_node *endbb = get_irg_end_block(irg);
355         int i;
356
357         /* generate a symbolic constant pointing to the count array */
358         symconst_symbol sym;
359         sym.entity_p = counters;
360         wd->symconst = new_r_SymConst(irg, mode_P_data, sym, symconst_addr_ent);
361
362         /* instrument each block in the current irg */
363         irg_block_walk_graph(irg, block_instrument_walker, NULL, wd);
364         irg_block_walk_graph(irg, fix_ssa, NULL, NULL);
365
366         /* connect the new memory nodes to the return nodes */
367         for (i = get_Block_n_cfgpreds(endbb) - 1; i >= 0; --i) {
368                 ir_node *node = skip_Proj(get_Block_cfgpred(endbb, i));
369                 ir_node *bb   = get_Block_cfgpred_block(endbb, i);
370                 ir_node *mem;
371
372                 switch (get_irn_opcode(node)) {
373                 case iro_Return:
374                         mem = get_Return_mem(node);
375                         set_Return_mem(node, sync_mem(bb, mem));
376                         break;
377                 case iro_Raise:
378                         mem = get_Raise_mem(node);
379                         set_Raise_mem(node, sync_mem(bb, mem));
380                         break;
381                 case iro_Bad:
382                         break;
383                 default:
384                         /* A fragile's op exception. There should be another path to End,
385                          * so ignore it.
386                          */
387                         assert(is_fragile_op(node) && \
388                                 "unexpected End control flow predecessor");
389                 }
390         }
391
392         /* as well as calls with attribute noreturn */
393         for (i = get_End_n_keepalives(end) - 1; i >= 0; --i) {
394                 ir_node *node = get_End_keepalive(end, i);
395                 if (is_Call(node)) {
396                         ir_node *bb  = get_nodes_block(node);
397                         ir_node *mem = get_Call_mem(node);
398                         set_Call_mem(node, sync_mem(bb, mem));
399                 }
400         }
401 }
402
403 /**
404  * Creates a new entity representing the equivalent of
405  * static unsigned int name[size]
406  */
407 static ir_entity *new_array_entity(ident *name, int size)
408 {
409         ir_entity *result;
410         ir_type *uint_type, *array_type;
411
412         uint_type = new_type_primitive(mode_Iu);
413         set_type_alignment_bytes(uint_type, get_type_size_bytes(uint_type));
414
415         array_type = new_type_array(1, uint_type);
416         set_array_bounds_int(array_type, 0, 0, size);
417         set_type_size_bytes(array_type, size * get_mode_size_bytes(mode_Iu));
418         set_type_alignment_bytes(array_type, get_mode_size_bytes(mode_Iu));
419         set_type_state(array_type, layout_fixed);
420
421         result = new_entity(get_glob_type(), name, array_type);
422         set_entity_visibility(result, ir_visibility_local);
423         set_entity_compiler_generated(result, 1);
424
425         return result;
426 }
427
428 /**
429  * Creates a new entity representing the equivalent of
430  * static const char name[strlen(string)+1] = string
431  */
432 static ir_entity *new_static_string_entity(ident *name, const char *string)
433 {
434         ir_entity *result;
435
436         ir_type *char_type   = new_type_primitive(mode_Bs);
437         ir_type *string_type = new_type_array(1, char_type);
438
439         ir_initializer_t *contents;
440
441         size_t i, length = strlen(string)+1;
442
443         /* Create the type for a fixed-length string */
444         set_array_bounds_int(string_type, 0, 0, length);
445         set_type_size_bytes(string_type, length);
446         set_type_alignment_bytes(string_type, 1);
447         set_type_state(string_type, layout_fixed);
448
449         result = new_entity(get_glob_type(), name, string_type);
450         set_entity_visibility(result, ir_visibility_local);
451         set_entity_linkage(result, IR_LINKAGE_CONSTANT);
452         set_entity_compiler_generated(result, 1);
453
454         /* There seems to be no simpler way to do this. Or at least, cparser
455          * does exactly the same thing... */
456         contents = create_initializer_compound(length);
457         for (i = 0; i < length; i++) {
458                 ir_tarval *c = new_tarval_from_long(string[i], mode_Bs);
459                 ir_initializer_t *init = create_initializer_tarval(c);
460                 set_initializer_compound_value(contents, i, init);
461         }
462         set_entity_initializer(result, contents);
463
464         return result;
465 }
466
467 /**
468  * Instrument all ir_graphs in the current ir_program. Currently this only
469  * works for graphs in the backend. Additionally, the resulting program
470  * has to be linked with libfirmprof.
471  *
472  * @param filename the name of the profile file (usually module_name.prof)
473  * @returns the module initializer, may be NULL
474  */
475 ir_graph *ir_profile_instrument(const char *filename)
476 {
477         int n, n_blocks = 0;
478         ident *counter_id, *filename_id;
479         ir_entity *bblock_counts, *ent_filename;
480         block_id_walker_data_t wd;
481         FIRM_DBG_REGISTER(dbg, "firm.ir.profile");
482
483         /* Don't do anything for modules without code. Else the linker will
484          * complain. */
485         if (get_irp_n_irgs() == 0)
486                 return NULL;
487
488         /* count the number of block first */
489         n_blocks = get_irp_n_blocks();
490
491         /* create all the necessary types and entities. Note that the
492          * types must have a fixed layout, because we are already running in the
493          * backend */
494         counter_id    = new_id_from_str("__FIRMPROF__BLOCK_COUNTS");
495         bblock_counts = new_array_entity(counter_id, n_blocks);
496
497         filename_id  = new_id_from_str("__FIRMPROF__FILE_NAME");
498         ent_filename = new_static_string_entity(filename_id, filename);
499
500         /* initialize block id array and instrument blocks */
501         wd.id  = 0;
502         for (n = get_irp_n_irgs() - 1; n >= 0; --n) {
503                 ir_graph *irg = get_irp_irg(n);
504                 instrument_irg(irg, bblock_counts, &wd);
505         }
506
507         return gen_initializer_irg(ent_filename, bblock_counts, n_blocks);
508 }
509
510 static unsigned int *
511 parse_profile(const char *filename, unsigned int num_blocks)
512 {
513         unsigned int *result = NULL;
514         char buf[8];
515         size_t ret;
516
517         FILE *f = fopen(filename, "rb");
518         if (!f) {
519                 DBG((dbg, LEVEL_2, "Failed to open profile file (%s)\n", filename));
520                 return NULL;
521         }
522
523         /* check header */
524         ret = fread(buf, 8, 1, f);
525         if (ret == 0 || strncmp(buf, "firmprof", 8) != 0) {
526                 DBG((dbg, LEVEL_2, "Broken fileheader in profile\n"));
527                 goto end;
528         }
529
530         result = XMALLOCN(unsigned int, num_blocks);
531         if (fread(result, sizeof(unsigned int) * num_blocks, 1, f) < 1) {
532                 DBG((dbg, LEVEL_4, "Failed to read counters... (size: %u)\n",
533                     sizeof(unsigned int) * num_blocks));
534                 xfree(result);
535                 result = NULL;
536         }
537
538 end:
539         fclose(f);
540         return result;
541 }
542
543 /**
544  * Reads the corresponding profile info file if it exists.
545  */
546
547 static void block_associate_walker(ir_node *bb, void *env)
548 {
549         block_assoc_t *b = (block_assoc_t*) env;
550         execcount_t query;
551
552         query.block = get_irn_node_nr(bb);
553         query.count = b->counters[(b->i)++];
554         DBG((dbg, LEVEL_4, "execcount(%+F, %u): %u\n", bb, query.block,
555             query.count));
556         set_insert(profile, &query, sizeof(query), query.block);
557 }
558
559 static void irp_associate_blocks(block_assoc_t *env)
560 {
561         int n;
562         for (n = get_irp_n_irgs() - 1; n >= 0; --n) {
563                 ir_graph *irg = get_irp_irg(n);
564                 irg_block_walk_graph(irg, block_associate_walker, NULL, env);
565         }
566 }
567
568 bool ir_profile_read(const char *filename)
569 {
570         block_assoc_t env;
571         FIRM_DBG_REGISTER(dbg, "firm.ir.profile");
572
573         env.i = 0;
574         env.counters = parse_profile(filename, get_irp_n_blocks());
575         if (!env.counters)
576                 return false;
577
578         if (profile)
579                 ir_profile_free();
580         profile = new_set(cmp_execcount, 16);
581
582         irp_associate_blocks(&env);
583         xfree(env.counters);
584
585         /* register the vcg hook */
586         hook = dump_add_node_info_callback(dump_profile_node_info, NULL);
587         return true;
588 }
589
590 /**
591  * Frees the profile info
592  */
593 void ir_profile_free(void)
594 {
595         if (profile) {
596                 del_set(profile);
597                 profile = NULL;
598         }
599
600         if (hook != NULL) {
601                 dump_remove_node_info_callback(hook);
602                 hook = NULL;
603         }
604 }
605
606 /**
607  * Tells whether profile module has acquired data
608  */
609 bool ir_profile_has_data(void)
610 {
611         return profile != NULL;
612 }
613
614 /**
615  * Get block execution count as determined by profiling
616  */
617 unsigned int ir_profile_get_block_execcount(const ir_node *block)
618 {
619         execcount_t *ec, query;
620
621         if (!ir_profile_has_data())
622                 return 1;
623
624         query.block = get_irn_node_nr(block);
625         ec = (execcount_t*)set_find(profile, &query, sizeof(query), query.block);
626
627         if (ec != NULL) {
628                 return ec->count;
629         } else {
630                 DBG((dbg, LEVEL_3,
631                         "Warning: Profile contains no data for %+F\n", block));
632                 return 1;
633         }
634 }
635
636 static void initialize_execfreq(ir_node *block, void *data)
637 {
638         initialize_execfreq_env_t *env = (initialize_execfreq_env_t*)data;
639         double freq;
640
641         if (block == get_irg_start_block(env->irg)
642            || block == get_irg_end_block(env->irg)) {
643                 freq = 1.0;
644         } else {
645                 freq = ir_profile_get_block_execcount(block);
646                 freq *= env->freq_factor;
647                 if (freq < MIN_EXECFREQ)
648                         freq = MIN_EXECFREQ;
649         }
650
651         set_execfreq(env->execfreqs, block, freq);
652 }
653
654 ir_exec_freq *ir_create_execfreqs_from_profile(ir_graph *irg)
655 {
656         ir_node *start_block;
657         initialize_execfreq_env_t env;
658         unsigned count;
659
660         env.irg = irg;
661         env.execfreqs = create_execfreq(irg);
662
663         /* Find the first block containing instructions */
664         start_block = get_irg_start_block(irg);
665         count = ir_profile_get_block_execcount(start_block);
666         if (count == 0) {
667                 /* the function was never executed, so fallback to estimated freqs */
668                 free_execfreq(env.execfreqs);
669                 return compute_execfreq(irg, 10);
670         }
671
672         env.freq_factor = 1.0 / count;
673         irg_block_walk_graph(irg, initialize_execfreq, NULL, &env);
674
675         return env.execfreqs;
676 }