include/llvm/CodeGen/RegAllocPBQP.h

   1 //===-- RegAllocPBQP.h ------------------------------------------*- C++ -*-===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file defines the PBQPBuilder interface, for classes which build PBQP
  11 // instances to represent register allocation problems, and the RegAllocPBQP
  12 // interface.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #ifndef LLVM_CODEGEN_REGALLOCPBQP_H
  17 #define LLVM_CODEGEN_REGALLOCPBQP_H
  18
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
  20 #include "llvm/CodeGen/PBQP/CostAllocator.h"
  21 #include "llvm/CodeGen/PBQP/ReductionRules.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/PBQPRAConstraint.h"
  23 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  24
  25 namespace llvm {
  26 namespace PBQP {
  27 namespace RegAlloc {
  28
  29 /// @brief Spill option index.
  30 inline unsigned getSpillOptionIdx() { return 0; }
  31
  32 /// \brief Metadata to speed allocatability test.
  33 ///
  34 /// Keeps track of the number of infinities in each row and column.
  35 class MatrixMetadata {
  36 private:
  37   MatrixMetadata(const MatrixMetadata&);
  38   void operator=(const MatrixMetadata&);
  39 public:
  40   MatrixMetadata(const Matrix& M)
  41     : WorstRow(0), WorstCol(0),
  42       UnsafeRows(new bool[M.getRows() - 1]()),
  43       UnsafeCols(new bool[M.getCols() - 1]()) {
  44
  45     unsigned* ColCounts = new unsigned[M.getCols() - 1]();
  46
  47     for (unsigned i = 1; i < M.getRows(); ++i) {
  48       unsigned RowCount = 0;
  49       for (unsigned j = 1; j < M.getCols(); ++j) {
  50         if (M[i][j] == std::numeric_limits<PBQPNum>::infinity()) {
  51           ++RowCount;
  52           ++ColCounts[j - 1];
  53           UnsafeRows[i - 1] = true;
  54           UnsafeCols[j - 1] = true;
  55         }
  56       }
  57       WorstRow = std::max(WorstRow, RowCount);
  58     }
  59     unsigned WorstColCountForCurRow =
  60       *std::max_element(ColCounts, ColCounts + M.getCols() - 1);
  61     WorstCol = std::max(WorstCol, WorstColCountForCurRow);
  62     delete[] ColCounts;
  63   }
  64
  65   unsigned getWorstRow() const { return WorstRow; }
  66   unsigned getWorstCol() const { return WorstCol; }
  67   const bool* getUnsafeRows() const { return UnsafeRows.get(); }
  68   const bool* getUnsafeCols() const { return UnsafeCols.get(); }
  69
  70 private:
  71   unsigned WorstRow, WorstCol;
  72   std::unique_ptr<bool[]> UnsafeRows;
  73   std::unique_ptr<bool[]> UnsafeCols;
  74 };
  75
  76 /// \brief Holds a vector of the allowed physical regs for a vreg.
  77 class AllowedRegVector {
  78   friend hash_code hash_value(const AllowedRegVector &);
  79 public:
  80
  81   AllowedRegVector() : NumOpts(0), Opts(nullptr) {}
  82
  83   AllowedRegVector(const std::vector<unsigned> &OptVec)
  84     : NumOpts(OptVec.size()), Opts(new unsigned[NumOpts]) {
  85     std::copy(OptVec.begin(), OptVec.end(), Opts.get());
  86   }
  87
  88   AllowedRegVector(const AllowedRegVector &Other)
  89     : NumOpts(Other.NumOpts), Opts(new unsigned[NumOpts]) {
  90     std::copy(Other.Opts.get(), Other.Opts.get() + NumOpts, Opts.get());
  91   }
  92
  93   AllowedRegVector(AllowedRegVector &&Other)
  94     : NumOpts(std::move(Other.NumOpts)), Opts(std::move(Other.Opts)) {}
  95
  96   AllowedRegVector& operator=(const AllowedRegVector &Other) {
  97     NumOpts = Other.NumOpts;
  98     Opts.reset(new unsigned[NumOpts]);
  99     std::copy(Other.Opts.get(), Other.Opts.get() + NumOpts, Opts.get());
 100     return *this;
 101   }
 102
 103   AllowedRegVector& operator=(AllowedRegVector &&Other) {
 104     NumOpts = std::move(Other.NumOpts);
 105     Opts = std::move(Other.Opts);
 106     return *this;
 107   }
 108
 109   unsigned size() const { return NumOpts; }
 110   unsigned operator[](size_t I) const { return Opts[I]; }
 111
 112   bool operator==(const AllowedRegVector &Other) const {
 113     if (NumOpts != Other.NumOpts)
 114       return false;
 115     return std::equal(Opts.get(), Opts.get() + NumOpts, Other.Opts.get());
 116   }
 117
 118   bool operator!=(const AllowedRegVector &Other) const {
 119     return !(*this == Other);
 120   }
 121
 122 private:
 123   unsigned NumOpts;
 124   std::unique_ptr<unsigned[]> Opts;
 125 };
 126
 127 inline hash_code hash_value(const AllowedRegVector &OptRegs) {
 128   unsigned *OStart = OptRegs.Opts.get();
 129   unsigned *OEnd = OptRegs.Opts.get() + OptRegs.NumOpts;
 130   return hash_combine(OptRegs.NumOpts,
 131                       hash_combine_range(OStart, OEnd));
 132 }
 133
 134 /// \brief Holds graph-level metadata relevent to PBQP RA problems.
 135 class GraphMetadata {
 136 private:
 137   typedef ValuePool<AllowedRegVector> AllowedRegVecPool;
 138 public:
 139
 140   typedef AllowedRegVecPool::PoolRef AllowedRegVecRef;
 141
 142   GraphMetadata(MachineFunction &MF,
 143                 LiveIntervals &LIS,
 144                 MachineBlockFrequencyInfo &MBFI)
 145     : MF(MF), LIS(LIS), MBFI(MBFI) {}
 146
 147   MachineFunction &MF;
 148   LiveIntervals &LIS;
 149   MachineBlockFrequencyInfo &MBFI;
 150
 151   void setNodeIdForVReg(unsigned VReg, GraphBase::NodeId NId) {
 152     VRegToNodeId[VReg] = NId;
 153   }
 154
 155   GraphBase::NodeId getNodeIdForVReg(unsigned VReg) const {
 156     auto VRegItr = VRegToNodeId.find(VReg);
 157     if (VRegItr == VRegToNodeId.end())
 158       return GraphBase::invalidNodeId();
 159     return VRegItr->second;
 160   }
 161
 162   void eraseNodeIdForVReg(unsigned VReg) {
 163     VRegToNodeId.erase(VReg);
 164   }
 165
 166   AllowedRegVecRef getAllowedRegs(AllowedRegVector Allowed) {
 167     return AllowedRegVecs.getValue(std::move(Allowed));
 168   }
 169
 170 private:
 171   DenseMap<unsigned, GraphBase::NodeId> VRegToNodeId;
 172   AllowedRegVecPool AllowedRegVecs;
 173 };
 174
 175 /// \brief Holds solver state and other metadata relevant to each PBQP RA node.
 176 class NodeMetadata {
 177 public:
 178   typedef RegAlloc::AllowedRegVector AllowedRegVector;
 179
 180   typedef enum { Unprocessed,
 181                  OptimallyReducible,
 182                  ConservativelyAllocatable,
 183                  NotProvablyAllocatable } ReductionState;
 184
 185   NodeMetadata()
 186     : RS(Unprocessed), NumOpts(0), DeniedOpts(0), OptUnsafeEdges(nullptr),
 187       VReg(0) {}
 188
 189   // FIXME: Re-implementing default behavior to work around MSVC. Remove once
 190   // MSVC synthesizes move constructors properly.
 191   NodeMetadata(const NodeMetadata &Other)
 192     : RS(Other.RS), NumOpts(Other.NumOpts), DeniedOpts(Other.DeniedOpts),
 193       OptUnsafeEdges(new unsigned[NumOpts]), VReg(Other.VReg),
 194       AllowedRegs(Other.AllowedRegs) {
 195     if (NumOpts > 0) {
 196       std::copy(&Other.OptUnsafeEdges[0], &Other.OptUnsafeEdges[NumOpts],
 197                 &OptUnsafeEdges[0]);
 198     }
 199   }
 200
 201   // FIXME: Re-implementing default behavior to work around MSVC. Remove once
 202   // MSVC synthesizes move constructors properly.
 203   NodeMetadata(NodeMetadata &&Other)
 204     : RS(Other.RS), NumOpts(Other.NumOpts), DeniedOpts(Other.DeniedOpts),
 205       OptUnsafeEdges(std::move(Other.OptUnsafeEdges)), VReg(Other.VReg),
 206       AllowedRegs(std::move(Other.AllowedRegs)) {}
 207
 208   // FIXME: Re-implementing default behavior to work around MSVC. Remove once
 209   // MSVC synthesizes move constructors properly.
 210   NodeMetadata& operator=(const NodeMetadata &Other) {
 211     RS = Other.RS;
 212     NumOpts = Other.NumOpts;
 213     DeniedOpts = Other.DeniedOpts;
 214     OptUnsafeEdges.reset(new unsigned[NumOpts]);
 215     std::copy(Other.OptUnsafeEdges.get(), Other.OptUnsafeEdges.get() + NumOpts,
 216               OptUnsafeEdges.get());
 217     VReg = Other.VReg;
 218     AllowedRegs = Other.AllowedRegs;
 219     return *this;
 220   }
 221
 222   // FIXME: Re-implementing default behavior to work around MSVC. Remove once
 223   // MSVC synthesizes move constructors properly.
 224   NodeMetadata& operator=(NodeMetadata &&Other) {
 225     RS = Other.RS;
 226     NumOpts = Other.NumOpts;
 227     DeniedOpts = Other.DeniedOpts;
 228     OptUnsafeEdges = std::move(Other.OptUnsafeEdges);
 229     VReg = Other.VReg;
 230     AllowedRegs = std::move(Other.AllowedRegs);
 231     return *this;
 232   }
 233
 234   void setVReg(unsigned VReg) { this->VReg = VReg; }
 235   unsigned getVReg() const { return VReg; }
 236
 237   void setAllowedRegs(GraphMetadata::AllowedRegVecRef AllowedRegs) {
 238     this->AllowedRegs = std::move(AllowedRegs);
 239   }
 240   const AllowedRegVector& getAllowedRegs() const { return *AllowedRegs; }
 241
 242   void setup(const Vector& Costs) {
 243     NumOpts = Costs.getLength() - 1;
 244     OptUnsafeEdges = std::unique_ptr<unsigned[]>(new unsigned[NumOpts]());
 245   }
 246
 247   ReductionState getReductionState() const { return RS; }
 248   void setReductionState(ReductionState RS) { this->RS = RS; }
 249
 250   void handleAddEdge(const MatrixMetadata& MD, bool Transpose) {
 251     DeniedOpts += Transpose ? MD.getWorstRow() : MD.getWorstCol();
 252     const bool* UnsafeOpts =
 253       Transpose ? MD.getUnsafeCols() : MD.getUnsafeRows();
 254     for (unsigned i = 0; i < NumOpts; ++i)
 255       OptUnsafeEdges[i] += UnsafeOpts[i];
 256   }
 257
 258   void handleRemoveEdge(const MatrixMetadata& MD, bool Transpose) {
 259     DeniedOpts -= Transpose ? MD.getWorstRow() : MD.getWorstCol();
 260     const bool* UnsafeOpts =
 261       Transpose ? MD.getUnsafeCols() : MD.getUnsafeRows();
 262     for (unsigned i = 0; i < NumOpts; ++i)
 263       OptUnsafeEdges[i] -= UnsafeOpts[i];
 264   }
 265
 266   bool isConservativelyAllocatable() const {
 267     return (DeniedOpts < NumOpts) ||
 268       (std::find(&OptUnsafeEdges[0], &OptUnsafeEdges[NumOpts], 0) !=
 269        &OptUnsafeEdges[NumOpts]);
 270   }
 271
 272 private:
 273   ReductionState RS;
 274   unsigned NumOpts;
 275   unsigned DeniedOpts;
 276   std::unique_ptr<unsigned[]> OptUnsafeEdges;
 277   unsigned VReg;
 278   GraphMetadata::AllowedRegVecRef AllowedRegs;
 279 };
 280
 281 class RegAllocSolverImpl {
 282 private:
 283   typedef MDMatrix<MatrixMetadata> RAMatrix;
 284 public:
 285   typedef PBQP::Vector RawVector;
 286   typedef PBQP::Matrix RawMatrix;
 287   typedef PBQP::Vector Vector;
 288   typedef RAMatrix     Matrix;
 289   typedef PBQP::PoolCostAllocator<Vector, Matrix> CostAllocator;
 290
 291   typedef GraphBase::NodeId NodeId;
 292   typedef GraphBase::EdgeId EdgeId;
 293
 294   typedef RegAlloc::NodeMetadata NodeMetadata;
 295   struct EdgeMetadata { };
 296   typedef RegAlloc::GraphMetadata GraphMetadata;
 297
 298   typedef PBQP::Graph<RegAllocSolverImpl> Graph;
 299
 300   RegAllocSolverImpl(Graph &G) : G(G) {}
 301
 302   Solution solve() {
 303     G.setSolver(*this);
 304     Solution S;
 305     setup();
 306     S = backpropagate(G, reduce());
 307     G.unsetSolver();
 308     return S;
 309   }
 310
 311   void handleAddNode(NodeId NId) {
 312     assert(G.getNodeCosts(NId).getLength() > 1 &&
 313            "PBQP Graph should not contain single or zero-option nodes");
 314     G.getNodeMetadata(NId).setup(G.getNodeCosts(NId));
 315   }
 316   void handleRemoveNode(NodeId NId) {}
 317   void handleSetNodeCosts(NodeId NId, const Vector& newCosts) {}
 318
 319   void handleAddEdge(EdgeId EId) {
 320     handleReconnectEdge(EId, G.getEdgeNode1Id(EId));
 321     handleReconnectEdge(EId, G.getEdgeNode2Id(EId));
 322   }
 323
 324   void handleRemoveEdge(EdgeId EId) {
 325     handleDisconnectEdge(EId, G.getEdgeNode1Id(EId));
 326     handleDisconnectEdge(EId, G.getEdgeNode2Id(EId));
 327   }
 328
 329   void handleDisconnectEdge(EdgeId EId, NodeId NId) {
 330     NodeMetadata& NMd = G.getNodeMetadata(NId);
 331     const MatrixMetadata& MMd = G.getEdgeCosts(EId).getMetadata();
 332     NMd.handleRemoveEdge(MMd, NId == G.getEdgeNode2Id(EId));
 333     if (G.getNodeDegree(NId) == 3) {
 334       // This node is becoming optimally reducible.
 335       moveToOptimallyReducibleNodes(NId);
 336     } else if (NMd.getReductionState() ==
 337                NodeMetadata::NotProvablyAllocatable &&
 338                NMd.isConservativelyAllocatable()) {
 339       // This node just became conservatively allocatable.
 340       moveToConservativelyAllocatableNodes(NId);
 341     }
 342   }
 343
 344   void handleReconnectEdge(EdgeId EId, NodeId NId) {
 345     NodeMetadata& NMd = G.getNodeMetadata(NId);
 346     const MatrixMetadata& MMd = G.getEdgeCosts(EId).getMetadata();
 347     NMd.handleAddEdge(MMd, NId == G.getEdgeNode2Id(EId));
 348   }
 349
 350   void handleSetEdgeCosts(EdgeId EId, const Matrix& NewCosts) {
 351     handleRemoveEdge(EId);
 352
 353     NodeId N1Id = G.getEdgeNode1Id(EId);
 354     NodeId N2Id = G.getEdgeNode2Id(EId);
 355     NodeMetadata& N1Md = G.getNodeMetadata(N1Id);
 356     NodeMetadata& N2Md = G.getNodeMetadata(N2Id);
 357     const MatrixMetadata& MMd = NewCosts.getMetadata();
 358     N1Md.handleAddEdge(MMd, N1Id != G.getEdgeNode1Id(EId));
 359     N2Md.handleAddEdge(MMd, N2Id != G.getEdgeNode1Id(EId));
 360   }
 361
 362 private:
 363
 364   void removeFromCurrentSet(NodeId NId) {
 365     switch (G.getNodeMetadata(NId).getReductionState()) {
 366     case NodeMetadata::Unprocessed: break;
 367     case NodeMetadata::OptimallyReducible:
 368       assert(OptimallyReducibleNodes.find(NId) !=
 369              OptimallyReducibleNodes.end() &&
 370              "Node not in optimally reducible set.");
 371       OptimallyReducibleNodes.erase(NId);
 372       break;
 373     case NodeMetadata::ConservativelyAllocatable:
 374       assert(ConservativelyAllocatableNodes.find(NId) !=
 375              ConservativelyAllocatableNodes.end() &&
 376              "Node not in conservatively allocatable set.");
 377       ConservativelyAllocatableNodes.erase(NId);
 378       break;
 379     case NodeMetadata::NotProvablyAllocatable:
 380       assert(NotProvablyAllocatableNodes.find(NId) !=
 381              NotProvablyAllocatableNodes.end() &&
 382              "Node not in not-provably-allocatable set.");
 383       NotProvablyAllocatableNodes.erase(NId);
 384       break;
 385     }
 386   }
 387
 388   void moveToOptimallyReducibleNodes(NodeId NId) {
 389     removeFromCurrentSet(NId);
 390     OptimallyReducibleNodes.insert(NId);
 391     G.getNodeMetadata(NId).setReductionState(
 392       NodeMetadata::OptimallyReducible);
 393   }
 394
 395   void moveToConservativelyAllocatableNodes(NodeId NId) {
 396     removeFromCurrentSet(NId);
 397     ConservativelyAllocatableNodes.insert(NId);
 398     G.getNodeMetadata(NId).setReductionState(
 399       NodeMetadata::ConservativelyAllocatable);
 400   }
 401
 402   void moveToNotProvablyAllocatableNodes(NodeId NId) {
 403     removeFromCurrentSet(NId);
 404     NotProvablyAllocatableNodes.insert(NId);
 405     G.getNodeMetadata(NId).setReductionState(
 406       NodeMetadata::NotProvablyAllocatable);
 407   }
 408
 409   void setup() {
 410     // Set up worklists.
 411     for (auto NId : G.nodeIds()) {
 412       if (G.getNodeDegree(NId) < 3)
 413         moveToOptimallyReducibleNodes(NId);
 414       else if (G.getNodeMetadata(NId).isConservativelyAllocatable())
 415         moveToConservativelyAllocatableNodes(NId);
 416       else
 417         moveToNotProvablyAllocatableNodes(NId);
 418     }
 419   }
 420
 421   // Compute a reduction order for the graph by iteratively applying PBQP
 422   // reduction rules. Locally optimal rules are applied whenever possible (R0,
 423   // R1, R2). If no locally-optimal rules apply then any conservatively
 424   // allocatable node is reduced. Finally, if no conservatively allocatable
 425   // node exists then the node with the lowest spill-cost:degree ratio is
 426   // selected.
 427   std::vector<GraphBase::NodeId> reduce() {
 428     assert(!G.empty() && "Cannot reduce empty graph.");
 429
 430     typedef GraphBase::NodeId NodeId;
 431     std::vector<NodeId> NodeStack;
 432
 433     // Consume worklists.
 434     while (true) {
 435       if (!OptimallyReducibleNodes.empty()) {
 436         NodeSet::iterator NItr = OptimallyReducibleNodes.begin();
 437         NodeId NId = *NItr;
 438         OptimallyReducibleNodes.erase(NItr);
 439         NodeStack.push_back(NId);
 440         switch (G.getNodeDegree(NId)) {
 441         case 0:
 442           break;
 443         case 1:
 444           applyR1(G, NId);
 445           break;
 446         case 2:
 447           applyR2(G, NId);
 448           break;
 449         default: llvm_unreachable("Not an optimally reducible node.");
 450         }
 451       } else if (!ConservativelyAllocatableNodes.empty()) {
 452         // Conservatively allocatable nodes will never spill. For now just
 453         // take the first node in the set and push it on the stack. When we
 454         // start optimizing more heavily for register preferencing, it may
 455         // would be better to push nodes with lower 'expected' or worst-case
 456         // register costs first (since early nodes are the most
 457         // constrained).
 458         NodeSet::iterator NItr = ConservativelyAllocatableNodes.begin();
 459         NodeId NId = *NItr;
 460         ConservativelyAllocatableNodes.erase(NItr);
 461         NodeStack.push_back(NId);
 462         G.disconnectAllNeighborsFromNode(NId);
 463
 464       } else if (!NotProvablyAllocatableNodes.empty()) {
 465         NodeSet::iterator NItr =
 466           std::min_element(NotProvablyAllocatableNodes.begin(),
 467                            NotProvablyAllocatableNodes.end(),
 468                            SpillCostComparator(G));
 469         NodeId NId = *NItr;
 470         NotProvablyAllocatableNodes.erase(NItr);
 471         NodeStack.push_back(NId);
 472         G.disconnectAllNeighborsFromNode(NId);
 473       } else
 474         break;
 475     }
 476
 477     return NodeStack;
 478   }
 479
 480   class SpillCostComparator {
 481   public:
 482     SpillCostComparator(const Graph& G) : G(G) {}
 483     bool operator()(NodeId N1Id, NodeId N2Id) {
 484       PBQPNum N1SC = G.getNodeCosts(N1Id)[0] / G.getNodeDegree(N1Id);
 485       PBQPNum N2SC = G.getNodeCosts(N2Id)[0] / G.getNodeDegree(N2Id);
 486       return N1SC < N2SC;
 487     }
 488   private:
 489     const Graph& G;
 490   };
 491
 492   Graph& G;
 493   typedef std::set<NodeId> NodeSet;
 494   NodeSet OptimallyReducibleNodes;
 495   NodeSet ConservativelyAllocatableNodes;
 496   NodeSet NotProvablyAllocatableNodes;
 497 };
 498
 499 class PBQPRAGraph : public PBQP::Graph<RegAllocSolverImpl> {
 500 private:
 501   typedef PBQP::Graph<RegAllocSolverImpl> BaseT;
 502 public:
 503   PBQPRAGraph(GraphMetadata Metadata) : BaseT(Metadata) {}
 504 };
 505
 506 inline Solution solve(PBQPRAGraph& G) {
 507   if (G.empty())
 508     return Solution();
 509   RegAllocSolverImpl RegAllocSolver(G);
 510   return RegAllocSolver.solve();
 511 }
 512
 513 } // namespace RegAlloc
 514 } // namespace PBQP
 515
 516 /// @brief Create a PBQP register allocator instance.
 517 FunctionPass *
 518 createPBQPRegisterAllocator(char *customPassID = nullptr);
 519
 520 } // namespace llvm
 521
 522 #endif /* LLVM_CODEGEN_REGALLOCPBQP_H */