lib/CodeGen/LocalStackSlotAllocation.cpp

   1 //===- LocalStackSlotAllocation.cpp - Pre-allocate locals to stack slots --===//
   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 pass assigns local frame indices to stack slots relative to one another
  11 // and allocates additional base registers to access them when the target
  12 // estimates they are likely to be out of range of stack pointer and frame
  13 // pointer relative addressing.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #define DEBUG_TYPE "localstackalloc"
  18 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  19 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  20 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
  21 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
  22 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  23 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
  24 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  25 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
  26 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  27 #include "llvm/CodeGen/StackProtector.h"
  28 #include "llvm/IR/Constants.h"
  29 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
  30 #include "llvm/IR/Instructions.h"
  31 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
  32 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  33 #include "llvm/IR/Module.h"
  34 #include "llvm/Pass.h"
  35 #include "llvm/Support/Debug.h"
  36 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  37 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  38 #include "llvm/Target/TargetFrameLowering.h"
  39 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  40
  41 using namespace llvm;
  42
  43 STATISTIC(NumAllocations, "Number of frame indices allocated into local block");
  44 STATISTIC(NumBaseRegisters, "Number of virtual frame base registers allocated");
  45 STATISTIC(NumReplacements, "Number of frame indices references replaced");
  46
  47 namespace {
  48   class FrameRef {
  49     MachineBasicBlock::iterator MI; // Instr referencing the frame
  50     int64_t LocalOffset;            // Local offset of the frame idx referenced
  51     int FrameIdx;                   // The frame index
  52   public:
  53     FrameRef(MachineBasicBlock::iterator I, int64_t Offset, int Idx) :
  54       MI(I), LocalOffset(Offset), FrameIdx(Idx) {}
  55     bool operator<(const FrameRef &RHS) const {
  56       return LocalOffset < RHS.LocalOffset;
  57     }
  58     MachineBasicBlock::iterator getMachineInstr() const { return MI; }
  59     int64_t getLocalOffset() const { return LocalOffset; }
  60     int getFrameIndex() const { return FrameIdx; }
  61   };
  62
  63   class LocalStackSlotPass: public MachineFunctionPass {
  64     SmallVector<int64_t,16> LocalOffsets;
  65     /// StackObjSet - A set of stack object indexes
  66     typedef SmallSetVector<int, 8> StackObjSet;
  67
  68     void AdjustStackOffset(MachineFrameInfo *MFI, int FrameIdx, int64_t &Offset,
  69                            bool StackGrowsDown, unsigned &MaxAlign);
  70     void AssignProtectedObjSet(const StackObjSet &UnassignedObjs,
  71                                SmallSet<int, 16> &ProtectedObjs,
  72                                MachineFrameInfo *MFI, bool StackGrowsDown,
  73                                int64_t &Offset, unsigned &MaxAlign);
  74     void calculateFrameObjectOffsets(MachineFunction &Fn);
  75     bool insertFrameReferenceRegisters(MachineFunction &Fn);
  76   public:
  77     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  78     explicit LocalStackSlotPass() : MachineFunctionPass(ID) {
  79       initializeLocalStackSlotPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  80     }
  81     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
  82
  83     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  84       AU.setPreservesCFG();
  85       AU.addRequired<StackProtector>();
  86       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
  87     }
  88
  89   private:
  90   };
  91 } // end anonymous namespace
  92
  93 char LocalStackSlotPass::ID = 0;
  94 char &llvm::LocalStackSlotAllocationID = LocalStackSlotPass::ID;
  95 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LocalStackSlotPass, "localstackalloc",
  96                       "Local Stack Slot Allocation", false, false)
  97 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(StackProtector)
  98 INITIALIZE_PASS_END(LocalStackSlotPass, "localstackalloc",
  99                     "Local Stack Slot Allocation", false, false)
 100
 101
 102 bool LocalStackSlotPass::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 103   MachineFrameInfo *MFI = MF.getFrameInfo();
 104   const TargetRegisterInfo *TRI = MF.getTarget().getRegisterInfo();
 105   unsigned LocalObjectCount = MFI->getObjectIndexEnd();
 106
 107   // If the target doesn't want/need this pass, or if there are no locals
 108   // to consider, early exit.
 109   if (!TRI->requiresVirtualBaseRegisters(MF) || LocalObjectCount == 0)
 110     return true;
 111
 112   // Make sure we have enough space to store the local offsets.
 113   LocalOffsets.resize(MFI->getObjectIndexEnd());
 114
 115   // Lay out the local blob.
 116   calculateFrameObjectOffsets(MF);
 117
 118   // Insert virtual base registers to resolve frame index references.
 119   bool UsedBaseRegs = insertFrameReferenceRegisters(MF);
 120
 121   // Tell MFI whether any base registers were allocated. PEI will only
 122   // want to use the local block allocations from this pass if there were any.
 123   // Otherwise, PEI can do a bit better job of getting the alignment right
 124   // without a hole at the start since it knows the alignment of the stack
 125   // at the start of local allocation, and this pass doesn't.
 126   MFI->setUseLocalStackAllocationBlock(UsedBaseRegs);
 127
 128   return true;
 129 }
 130
 131 /// AdjustStackOffset - Helper function used to adjust the stack frame offset.
 132 void LocalStackSlotPass::AdjustStackOffset(MachineFrameInfo *MFI,
 133                                            int FrameIdx, int64_t &Offset,
 134                                            bool StackGrowsDown,
 135                                            unsigned &MaxAlign) {
 136   // If the stack grows down, add the object size to find the lowest address.
 137   if (StackGrowsDown)
 138     Offset += MFI->getObjectSize(FrameIdx);
 139
 140   unsigned Align = MFI->getObjectAlignment(FrameIdx);
 141
 142   // If the alignment of this object is greater than that of the stack, then
 143   // increase the stack alignment to match.
 144   MaxAlign = std::max(MaxAlign, Align);
 145
 146   // Adjust to alignment boundary.
 147   Offset = (Offset + Align - 1) / Align * Align;
 148
 149   int64_t LocalOffset = StackGrowsDown ? -Offset : Offset;
 150   DEBUG(dbgs() << "Allocate FI(" << FrameIdx << ") to local offset "
 151         << LocalOffset << "\n");
 152   // Keep the offset available for base register allocation
 153   LocalOffsets[FrameIdx] = LocalOffset;
 154   // And tell MFI about it for PEI to use later
 155   MFI->mapLocalFrameObject(FrameIdx, LocalOffset);
 156
 157   if (!StackGrowsDown)
 158     Offset += MFI->getObjectSize(FrameIdx);
 159
 160   ++NumAllocations;
 161 }
 162
 163 /// AssignProtectedObjSet - Helper function to assign large stack objects (i.e.,
 164 /// those required to be close to the Stack Protector) to stack offsets.
 165 void LocalStackSlotPass::AssignProtectedObjSet(const StackObjSet &UnassignedObjs,
 166                                            SmallSet<int, 16> &ProtectedObjs,
 167                                            MachineFrameInfo *MFI,
 168                                            bool StackGrowsDown, int64_t &Offset,
 169                                            unsigned &MaxAlign) {
 170
 171   for (StackObjSet::const_iterator I = UnassignedObjs.begin(),
 172         E = UnassignedObjs.end(); I != E; ++I) {
 173     int i = *I;
 174     AdjustStackOffset(MFI, i, Offset, StackGrowsDown, MaxAlign);
 175     ProtectedObjs.insert(i);
 176   }
 177 }
 178
 179 /// calculateFrameObjectOffsets - Calculate actual frame offsets for all of the
 180 /// abstract stack objects.
 181 ///
 182 void LocalStackSlotPass::calculateFrameObjectOffsets(MachineFunction &Fn) {
 183   // Loop over all of the stack objects, assigning sequential addresses...
 184   MachineFrameInfo *MFI = Fn.getFrameInfo();
 185   const TargetFrameLowering &TFI = *Fn.getTarget().getFrameLowering();
 186   bool StackGrowsDown =
 187     TFI.getStackGrowthDirection() == TargetFrameLowering::StackGrowsDown;
 188   int64_t Offset = 0;
 189   unsigned MaxAlign = 0;
 190   StackProtector *SP = &getAnalysis<StackProtector>();
 191
 192   // Make sure that the stack protector comes before the local variables on the
 193   // stack.
 194   SmallSet<int, 16> ProtectedObjs;
 195   if (MFI->getStackProtectorIndex() >= 0) {
 196     StackObjSet LargeArrayObjs;
 197     StackObjSet SmallArrayObjs;
 198     StackObjSet AddrOfObjs;
 199
 200     AdjustStackOffset(MFI, MFI->getStackProtectorIndex(), Offset,
 201                       StackGrowsDown, MaxAlign);
 202
 203     // Assign large stack objects first.
 204     for (unsigned i = 0, e = MFI->getObjectIndexEnd(); i != e; ++i) {
 205       if (MFI->isDeadObjectIndex(i))
 206         continue;
 207       if (MFI->getStackProtectorIndex() == (int)i)
 208         continue;
 209
 210       switch (SP->getSSPLayout(MFI->getObjectAllocation(i))) {
 211       case StackProtector::SSPLK_None:
 212         continue;
 213       case StackProtector::SSPLK_SmallArray:
 214         SmallArrayObjs.insert(i);
 215         continue;
 216       case StackProtector::SSPLK_AddrOf:
 217         AddrOfObjs.insert(i);
 218         continue;
 219       case StackProtector::SSPLK_LargeArray:
 220         LargeArrayObjs.insert(i);
 221         continue;
 222       }
 223       llvm_unreachable("Unexpected SSPLayoutKind.");
 224     }
 225
 226     AssignProtectedObjSet(LargeArrayObjs, ProtectedObjs, MFI, StackGrowsDown,
 227                           Offset, MaxAlign);
 228     AssignProtectedObjSet(SmallArrayObjs, ProtectedObjs, MFI, StackGrowsDown,
 229                           Offset, MaxAlign);
 230     AssignProtectedObjSet(AddrOfObjs, ProtectedObjs, MFI, StackGrowsDown,
 231                           Offset, MaxAlign);
 232   }
 233
 234   // Then assign frame offsets to stack objects that are not used to spill
 235   // callee saved registers.
 236   for (unsigned i = 0, e = MFI->getObjectIndexEnd(); i != e; ++i) {
 237     if (MFI->isDeadObjectIndex(i))
 238       continue;
 239     if (MFI->getStackProtectorIndex() == (int)i)
 240       continue;
 241     if (ProtectedObjs.count(i))
 242       continue;
 243
 244     AdjustStackOffset(MFI, i, Offset, StackGrowsDown, MaxAlign);
 245   }
 246
 247   // Remember how big this blob of stack space is
 248   MFI->setLocalFrameSize(Offset);
 249   MFI->setLocalFrameMaxAlign(MaxAlign);
 250 }
 251
 252 static inline bool
 253 lookupCandidateBaseReg(int64_t BaseOffset,
 254                        int64_t FrameSizeAdjust,
 255                        int64_t LocalFrameOffset,
 256                        const MachineInstr *MI,
 257                        const TargetRegisterInfo *TRI) {
 258   // Check if the relative offset from the where the base register references
 259   // to the target address is in range for the instruction.
 260   int64_t Offset = FrameSizeAdjust + LocalFrameOffset - BaseOffset;
 261   return TRI->isFrameOffsetLegal(MI, Offset);
 262 }
 263
 264 bool LocalStackSlotPass::insertFrameReferenceRegisters(MachineFunction &Fn) {
 265   // Scan the function's instructions looking for frame index references.
 266   // For each, ask the target if it wants a virtual base register for it
 267   // based on what we can tell it about where the local will end up in the
 268   // stack frame. If it wants one, re-use a suitable one we've previously
 269   // allocated, or if there isn't one that fits the bill, allocate a new one
 270   // and ask the target to create a defining instruction for it.
 271   bool UsedBaseReg = false;
 272
 273   MachineFrameInfo *MFI = Fn.getFrameInfo();
 274   const TargetRegisterInfo *TRI = Fn.getTarget().getRegisterInfo();
 275   const TargetFrameLowering &TFI = *Fn.getTarget().getFrameLowering();
 276   bool StackGrowsDown =
 277     TFI.getStackGrowthDirection() == TargetFrameLowering::StackGrowsDown;
 278
 279   // Collect all of the instructions in the block that reference
 280   // a frame index. Also store the frame index referenced to ease later
 281   // lookup. (For any insn that has more than one FI reference, we arbitrarily
 282   // choose the first one).
 283   SmallVector<FrameRef, 64> FrameReferenceInsns;
 284
 285   for (MachineFunction::iterator BB = Fn.begin(), E = Fn.end(); BB != E; ++BB) {
 286     for (MachineBasicBlock::iterator I = BB->begin(); I != BB->end(); ++I) {
 287       MachineInstr *MI = I;
 288
 289       // Debug value, stackmap and patchpoint instructions can't be out of
 290       // range, so they don't need any updates.
 291       if (MI->isDebugValue() ||
 292           MI->getOpcode() == TargetOpcode::STACKMAP ||
 293           MI->getOpcode() == TargetOpcode::PATCHPOINT)
 294         continue;
 295
 296       // For now, allocate the base register(s) within the basic block
 297       // where they're used, and don't try to keep them around outside
 298       // of that. It may be beneficial to try sharing them more broadly
 299       // than that, but the increased register pressure makes that a
 300       // tricky thing to balance. Investigate if re-materializing these
 301       // becomes an issue.
 302       for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 303         // Consider replacing all frame index operands that reference
 304         // an object allocated in the local block.
 305         if (MI->getOperand(i).isFI()) {
 306           // Don't try this with values not in the local block.
 307           if (!MFI->isObjectPreAllocated(MI->getOperand(i).getIndex()))
 308             break;
 309           int Idx = MI->getOperand(i).getIndex();
 310           int64_t LocalOffset = LocalOffsets[Idx];
 311           if (!TRI->needsFrameBaseReg(MI, LocalOffset))
 312             break;
 313           FrameReferenceInsns.
 314             push_back(FrameRef(MI, LocalOffset, Idx));
 315           break;
 316         }
 317       }
 318     }
 319   }
 320
 321   // Sort the frame references by local offset
 322   array_pod_sort(FrameReferenceInsns.begin(), FrameReferenceInsns.end());
 323
 324   MachineBasicBlock *Entry = Fn.begin();
 325
 326   unsigned BaseReg = 0;
 327   int64_t BaseOffset = 0;
 328
 329   // Loop through the frame references and allocate for them as necessary.
 330   for (int ref = 0, e = FrameReferenceInsns.size(); ref < e ; ++ref) {
 331     FrameRef &FR = FrameReferenceInsns[ref];
 332     MachineBasicBlock::iterator I = FR.getMachineInstr();
 333     MachineInstr *MI = I;
 334     int64_t LocalOffset = FR.getLocalOffset();
 335     int FrameIdx = FR.getFrameIndex();
 336     assert(MFI->isObjectPreAllocated(FrameIdx) &&
 337            "Only pre-allocated locals expected!");
 338
 339     DEBUG(dbgs() << "Considering: " << *MI);
 340
 341     unsigned idx = 0;
 342     for (unsigned f = MI->getNumOperands(); idx != f; ++idx) {
 343       if (!MI->getOperand(idx).isFI())
 344         continue;
 345
 346       if (FrameIdx == I->getOperand(idx).getIndex())
 347         break;
 348     }
 349
 350     assert(idx < MI->getNumOperands() && "Cannot find FI operand");
 351
 352     int64_t Offset = 0;
 353     int64_t FrameSizeAdjust = StackGrowsDown ? MFI->getLocalFrameSize() : 0;
 354
 355     DEBUG(dbgs() << "  Replacing FI in: " << *MI);
 356
 357     // If we have a suitable base register available, use it; otherwise
 358     // create a new one. Note that any offset encoded in the
 359     // instruction itself will be taken into account by the target,
 360     // so we don't have to adjust for it here when reusing a base
 361     // register.
 362     if (UsedBaseReg && lookupCandidateBaseReg(BaseOffset, FrameSizeAdjust,
 363                                               LocalOffset, MI, TRI)) {
 364       DEBUG(dbgs() << "  Reusing base register " << BaseReg << "\n");
 365       // We found a register to reuse.
 366       Offset = FrameSizeAdjust + LocalOffset - BaseOffset;
 367     } else {
 368       // No previously defined register was in range, so create a // new one.
 369
 370       int64_t InstrOffset = TRI->getFrameIndexInstrOffset(MI, idx);
 371
 372       int64_t PrevBaseOffset = BaseOffset;
 373       BaseOffset = FrameSizeAdjust + LocalOffset + InstrOffset;
 374
 375       // We'd like to avoid creating single-use virtual base registers.
 376       // Because the FrameRefs are in sorted order, and we've already
 377       // processed all FrameRefs before this one, just check whether or not
 378       // the next FrameRef will be able to reuse this new register. If not,
 379       // then don't bother creating it.
 380       bool CanReuse = false;
 381       for (int refn = ref + 1; refn < e; ++refn) {
 382         FrameRef &FRN = FrameReferenceInsns[refn];
 383         MachineBasicBlock::iterator J = FRN.getMachineInstr();
 384         MachineInstr *MIN = J;
 385
 386         CanReuse = lookupCandidateBaseReg(BaseOffset, FrameSizeAdjust,
 387                                           FRN.getLocalOffset(), MIN, TRI);
 388         break;
 389       }
 390
 391       if (!CanReuse) {
 392         BaseOffset = PrevBaseOffset;
 393         continue;
 394       }
 395
 396       const MachineFunction *MF = MI->getParent()->getParent();
 397       const TargetRegisterClass *RC = TRI->getPointerRegClass(*MF);
 398       BaseReg = Fn.getRegInfo().createVirtualRegister(RC);
 399
 400       DEBUG(dbgs() << "  Materializing base register " << BaseReg <<
 401             " at frame local offset " << LocalOffset + InstrOffset << "\n");
 402
 403       // Tell the target to insert the instruction to initialize
 404       // the base register.
 405       //            MachineBasicBlock::iterator InsertionPt = Entry->begin();
 406       TRI->materializeFrameBaseRegister(Entry, BaseReg, FrameIdx,
 407                                         InstrOffset);
 408
 409       // The base register already includes any offset specified
 410       // by the instruction, so account for that so it doesn't get
 411       // applied twice.
 412       Offset = -InstrOffset;
 413
 414       ++NumBaseRegisters;
 415       UsedBaseReg = true;
 416     }
 417     assert(BaseReg != 0 && "Unable to allocate virtual base register!");
 418
 419     // Modify the instruction to use the new base register rather
 420     // than the frame index operand.
 421     TRI->resolveFrameIndex(I, BaseReg, Offset);
 422     DEBUG(dbgs() << "Resolved: " << *MI);
 423
 424     ++NumReplacements;
 425   }
 426
 427   return UsedBaseReg;
 428 }