lib/CodeGen/PHIElimination.cpp

   1 //===-- PhiElimination.cpp - Eliminate PHI nodes by inserting copies ------===//
   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 eliminates machine instruction PHI nodes by inserting copy
  11 // instructions.  This destroys SSA information, but is the desired input for
  12 // some register allocators.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #define DEBUG_TYPE "phielim"
  17 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  18 #include "PHIEliminationUtils.h"
  19 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  20 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  21 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/LiveVariables.h"
  23 #include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
  24 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
  25 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
  26 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  27 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  28 #include "llvm/IR/Function.h"
  29 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  30 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  31 #include "llvm/Support/Debug.h"
  32 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  33 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  34 #include <algorithm>
  35 using namespace llvm;
  36
  37 static cl::opt<bool>
  38 DisableEdgeSplitting("disable-phi-elim-edge-splitting", cl::init(false),
  39                      cl::Hidden, cl::desc("Disable critical edge splitting "
  40                                           "during PHI elimination"));
  41
  42 namespace {
  43   class PHIElimination : public MachineFunctionPass {
  44     MachineRegisterInfo *MRI; // Machine register information
  45     LiveVariables *LV;
  46
  47   public:
  48     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
  49     PHIElimination() : MachineFunctionPass(ID) {
  50       initializePHIEliminationPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  51     }
  52
  53     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
  54     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
  55
  56   private:
  57     /// EliminatePHINodes - Eliminate phi nodes by inserting copy instructions
  58     /// in predecessor basic blocks.
  59     ///
  60     bool EliminatePHINodes(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB);
  61     void LowerPHINode(MachineBasicBlock &MBB,
  62                       MachineBasicBlock::iterator AfterPHIsIt);
  63
  64     /// analyzePHINodes - Gather information about the PHI nodes in
  65     /// here. In particular, we want to map the number of uses of a virtual
  66     /// register which is used in a PHI node. We map that to the BB the
  67     /// vreg is coming from. This is used later to determine when the vreg
  68     /// is killed in the BB.
  69     ///
  70     void analyzePHINodes(const MachineFunction& Fn);
  71
  72     /// Split critical edges where necessary for good coalescer performance.
  73     bool SplitPHIEdges(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB,
  74                        MachineLoopInfo *MLI);
  75
  76     typedef std::pair<unsigned, unsigned> BBVRegPair;
  77     typedef DenseMap<BBVRegPair, unsigned> VRegPHIUse;
  78
  79     VRegPHIUse VRegPHIUseCount;
  80
  81     // Defs of PHI sources which are implicit_def.
  82     SmallPtrSet<MachineInstr*, 4> ImpDefs;
  83
  84     // Map reusable lowered PHI node -> incoming join register.
  85     typedef DenseMap<MachineInstr*, unsigned,
  86                      MachineInstrExpressionTrait> LoweredPHIMap;
  87     LoweredPHIMap LoweredPHIs;
  88   };
  89 }
  90
  91 STATISTIC(NumLowered, "Number of phis lowered");
  92 STATISTIC(NumCriticalEdgesSplit, "Number of critical edges split");
  93 STATISTIC(NumReused, "Number of reused lowered phis");
  94
  95 char PHIElimination::ID = 0;
  96 char& llvm::PHIEliminationID = PHIElimination::ID;
  97
  98 INITIALIZE_PASS_BEGIN(PHIElimination, "phi-node-elimination",
  99                       "Eliminate PHI nodes for register allocation",
 100                       false, false)
 101 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveVariables)
 102 INITIALIZE_PASS_END(PHIElimination, "phi-node-elimination",
 103                     "Eliminate PHI nodes for register allocation", false, false)
 104
 105 void PHIElimination::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 106   AU.addPreserved<LiveVariables>();
 107   AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
 108   AU.addPreserved<MachineLoopInfo>();
 109   MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 110 }
 111
 112 bool PHIElimination::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 113   MRI = &MF.getRegInfo();
 114   LV = getAnalysisIfAvailable<LiveVariables>();
 115
 116   bool Changed = false;
 117
 118   // This pass takes the function out of SSA form.
 119   MRI->leaveSSA();
 120
 121   // Split critical edges to help the coalescer
 122   if (!DisableEdgeSplitting && LV) {
 123     MachineLoopInfo *MLI = getAnalysisIfAvailable<MachineLoopInfo>();
 124     for (MachineFunction::iterator I = MF.begin(), E = MF.end(); I != E; ++I)
 125       Changed |= SplitPHIEdges(MF, *I, MLI);
 126   }
 127
 128   // Populate VRegPHIUseCount
 129   analyzePHINodes(MF);
 130
 131   // Eliminate PHI instructions by inserting copies into predecessor blocks.
 132   for (MachineFunction::iterator I = MF.begin(), E = MF.end(); I != E; ++I)
 133     Changed |= EliminatePHINodes(MF, *I);
 134
 135   // Remove dead IMPLICIT_DEF instructions.
 136   for (SmallPtrSet<MachineInstr*, 4>::iterator I = ImpDefs.begin(),
 137          E = ImpDefs.end(); I != E; ++I) {
 138     MachineInstr *DefMI = *I;
 139     unsigned DefReg = DefMI->getOperand(0).getReg();
 140     if (MRI->use_nodbg_empty(DefReg))
 141       DefMI->eraseFromParent();
 142   }
 143
 144   // Clean up the lowered PHI instructions.
 145   for (LoweredPHIMap::iterator I = LoweredPHIs.begin(), E = LoweredPHIs.end();
 146        I != E; ++I)
 147     MF.DeleteMachineInstr(I->first);
 148
 149   LoweredPHIs.clear();
 150   ImpDefs.clear();
 151   VRegPHIUseCount.clear();
 152
 153   return Changed;
 154 }
 155
 156 /// EliminatePHINodes - Eliminate phi nodes by inserting copy instructions in
 157 /// predecessor basic blocks.
 158 ///
 159 bool PHIElimination::EliminatePHINodes(MachineFunction &MF,
 160                                              MachineBasicBlock &MBB) {
 161   if (MBB.empty() || !MBB.front().isPHI())
 162     return false;   // Quick exit for basic blocks without PHIs.
 163
 164   // Get an iterator to the first instruction after the last PHI node (this may
 165   // also be the end of the basic block).
 166   MachineBasicBlock::iterator AfterPHIsIt = MBB.SkipPHIsAndLabels(MBB.begin());
 167
 168   while (MBB.front().isPHI())
 169     LowerPHINode(MBB, AfterPHIsIt);
 170
 171   return true;
 172 }
 173
 174 /// isImplicitlyDefined - Return true if all defs of VirtReg are implicit-defs.
 175 /// This includes registers with no defs.
 176 static bool isImplicitlyDefined(unsigned VirtReg,
 177                                 const MachineRegisterInfo *MRI) {
 178   for (MachineRegisterInfo::def_iterator DI = MRI->def_begin(VirtReg),
 179        DE = MRI->def_end(); DI != DE; ++DI)
 180     if (!DI->isImplicitDef())
 181       return false;
 182   return true;
 183 }
 184
 185 /// isSourceDefinedByImplicitDef - Return true if all sources of the phi node
 186 /// are implicit_def's.
 187 static bool isSourceDefinedByImplicitDef(const MachineInstr *MPhi,
 188                                          const MachineRegisterInfo *MRI) {
 189   for (unsigned i = 1; i != MPhi->getNumOperands(); i += 2)
 190     if (!isImplicitlyDefined(MPhi->getOperand(i).getReg(), MRI))
 191       return false;
 192   return true;
 193 }
 194
 195
 196 /// LowerPHINode - Lower the PHI node at the top of the specified block,
 197 ///
 198 void PHIElimination::LowerPHINode(MachineBasicBlock &MBB,
 199                                   MachineBasicBlock::iterator AfterPHIsIt) {
 200   ++NumLowered;
 201   // Unlink the PHI node from the basic block, but don't delete the PHI yet.
 202   MachineInstr *MPhi = MBB.remove(MBB.begin());
 203
 204   unsigned NumSrcs = (MPhi->getNumOperands() - 1) / 2;
 205   unsigned DestReg = MPhi->getOperand(0).getReg();
 206   assert(MPhi->getOperand(0).getSubReg() == 0 && "Can't handle sub-reg PHIs");
 207   bool isDead = MPhi->getOperand(0).isDead();
 208
 209   // Create a new register for the incoming PHI arguments.
 210   MachineFunction &MF = *MBB.getParent();
 211   unsigned IncomingReg = 0;
 212   bool reusedIncoming = false;  // Is IncomingReg reused from an earlier PHI?
 213
 214   // Insert a register to register copy at the top of the current block (but
 215   // after any remaining phi nodes) which copies the new incoming register
 216   // into the phi node destination.
 217   const TargetInstrInfo *TII = MF.getTarget().getInstrInfo();
 218   if (isSourceDefinedByImplicitDef(MPhi, MRI))
 219     // If all sources of a PHI node are implicit_def, just emit an
 220     // implicit_def instead of a copy.
 221     BuildMI(MBB, AfterPHIsIt, MPhi->getDebugLoc(),
 222             TII->get(TargetOpcode::IMPLICIT_DEF), DestReg);
 223   else {
 224     // Can we reuse an earlier PHI node? This only happens for critical edges,
 225     // typically those created by tail duplication.
 226     unsigned &entry = LoweredPHIs[MPhi];
 227     if (entry) {
 228       // An identical PHI node was already lowered. Reuse the incoming register.
 229       IncomingReg = entry;
 230       reusedIncoming = true;
 231       ++NumReused;
 232       DEBUG(dbgs() << "Reusing " << PrintReg(IncomingReg) << " for " << *MPhi);
 233     } else {
 234       const TargetRegisterClass *RC = MF.getRegInfo().getRegClass(DestReg);
 235       entry = IncomingReg = MF.getRegInfo().createVirtualRegister(RC);
 236     }
 237     BuildMI(MBB, AfterPHIsIt, MPhi->getDebugLoc(),
 238             TII->get(TargetOpcode::COPY), DestReg)
 239       .addReg(IncomingReg);
 240   }
 241
 242   // Update live variable information if there is any.
 243   if (LV) {
 244     MachineInstr *PHICopy = prior(AfterPHIsIt);
 245
 246     if (IncomingReg) {
 247       LiveVariables::VarInfo &VI = LV->getVarInfo(IncomingReg);
 248
 249       // Increment use count of the newly created virtual register.
 250       LV->setPHIJoin(IncomingReg);
 251
 252       // When we are reusing the incoming register, it may already have been
 253       // killed in this block. The old kill will also have been inserted at
 254       // AfterPHIsIt, so it appears before the current PHICopy.
 255       if (reusedIncoming)
 256         if (MachineInstr *OldKill = VI.findKill(&MBB)) {
 257           DEBUG(dbgs() << "Remove old kill from " << *OldKill);
 258           LV->removeVirtualRegisterKilled(IncomingReg, OldKill);
 259           DEBUG(MBB.dump());
 260         }
 261
 262       // Add information to LiveVariables to know that the incoming value is
 263       // killed.  Note that because the value is defined in several places (once
 264       // each for each incoming block), the "def" block and instruction fields
 265       // for the VarInfo is not filled in.
 266       LV->addVirtualRegisterKilled(IncomingReg, PHICopy);
 267     }
 268
 269     // Since we are going to be deleting the PHI node, if it is the last use of
 270     // any registers, or if the value itself is dead, we need to move this
 271     // information over to the new copy we just inserted.
 272     LV->removeVirtualRegistersKilled(MPhi);
 273
 274     // If the result is dead, update LV.
 275     if (isDead) {
 276       LV->addVirtualRegisterDead(DestReg, PHICopy);
 277       LV->removeVirtualRegisterDead(DestReg, MPhi);
 278     }
 279   }
 280
 281   // Adjust the VRegPHIUseCount map to account for the removal of this PHI node.
 282   for (unsigned i = 1; i != MPhi->getNumOperands(); i += 2)
 283     --VRegPHIUseCount[BBVRegPair(MPhi->getOperand(i+1).getMBB()->getNumber(),
 284                                  MPhi->getOperand(i).getReg())];
 285
 286   // Now loop over all of the incoming arguments, changing them to copy into the
 287   // IncomingReg register in the corresponding predecessor basic block.
 288   SmallPtrSet<MachineBasicBlock*, 8> MBBsInsertedInto;
 289   for (int i = NumSrcs - 1; i >= 0; --i) {
 290     unsigned SrcReg = MPhi->getOperand(i*2+1).getReg();
 291     unsigned SrcSubReg = MPhi->getOperand(i*2+1).getSubReg();
 292     bool SrcUndef = MPhi->getOperand(i*2+1).isUndef() ||
 293       isImplicitlyDefined(SrcReg, MRI);
 294     assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(SrcReg) &&
 295            "Machine PHI Operands must all be virtual registers!");
 296
 297     // Get the MachineBasicBlock equivalent of the BasicBlock that is the source
 298     // path the PHI.
 299     MachineBasicBlock &opBlock = *MPhi->getOperand(i*2+2).getMBB();
 300
 301     // Check to make sure we haven't already emitted the copy for this block.
 302     // This can happen because PHI nodes may have multiple entries for the same
 303     // basic block.
 304     if (!MBBsInsertedInto.insert(&opBlock))
 305       continue;  // If the copy has already been emitted, we're done.
 306
 307     // Find a safe location to insert the copy, this may be the first terminator
 308     // in the block (or end()).
 309     MachineBasicBlock::iterator InsertPos =
 310       findPHICopyInsertPoint(&opBlock, &MBB, SrcReg);
 311
 312     // Insert the copy.
 313     if (!reusedIncoming && IncomingReg) {
 314       if (SrcUndef) {
 315         // The source register is undefined, so there is no need for a real
 316         // COPY, but we still need to ensure joint dominance by defs.
 317         // Insert an IMPLICIT_DEF instruction.
 318         BuildMI(opBlock, InsertPos, MPhi->getDebugLoc(),
 319                 TII->get(TargetOpcode::IMPLICIT_DEF), IncomingReg);
 320
 321         // Clean up the old implicit-def, if there even was one.
 322         if (MachineInstr *DefMI = MRI->getVRegDef(SrcReg))
 323           if (DefMI->isImplicitDef())
 324             ImpDefs.insert(DefMI);
 325       } else {
 326         BuildMI(opBlock, InsertPos, MPhi->getDebugLoc(),
 327                 TII->get(TargetOpcode::COPY), IncomingReg)
 328           .addReg(SrcReg, 0, SrcSubReg);
 329       }
 330     }
 331
 332     // Now update live variable information if we have it.  Otherwise we're done
 333     if (SrcUndef || !LV) continue;
 334
 335     // We want to be able to insert a kill of the register if this PHI (aka, the
 336     // copy we just inserted) is the last use of the source value.  Live
 337     // variable analysis conservatively handles this by saying that the value is
 338     // live until the end of the block the PHI entry lives in.  If the value
 339     // really is dead at the PHI copy, there will be no successor blocks which
 340     // have the value live-in.
 341
 342     // Also check to see if this register is in use by another PHI node which
 343     // has not yet been eliminated.  If so, it will be killed at an appropriate
 344     // point later.
 345
 346     // Is it used by any PHI instructions in this block?
 347     bool ValueIsUsed = VRegPHIUseCount[BBVRegPair(opBlock.getNumber(), SrcReg)];
 348
 349     // Okay, if we now know that the value is not live out of the block, we can
 350     // add a kill marker in this block saying that it kills the incoming value!
 351     if (!ValueIsUsed && !LV->isLiveOut(SrcReg, opBlock)) {
 352       // In our final twist, we have to decide which instruction kills the
 353       // register.  In most cases this is the copy, however, terminator
 354       // instructions at the end of the block may also use the value. In this
 355       // case, we should mark the last such terminator as being the killing
 356       // block, not the copy.
 357       MachineBasicBlock::iterator KillInst = opBlock.end();
 358       MachineBasicBlock::iterator FirstTerm = opBlock.getFirstTerminator();
 359       for (MachineBasicBlock::iterator Term = FirstTerm;
 360           Term != opBlock.end(); ++Term) {
 361         if (Term->readsRegister(SrcReg))
 362           KillInst = Term;
 363       }
 364
 365       if (KillInst == opBlock.end()) {
 366         // No terminator uses the register.
 367
 368         if (reusedIncoming || !IncomingReg) {
 369           // We may have to rewind a bit if we didn't insert a copy this time.
 370           KillInst = FirstTerm;
 371           while (KillInst != opBlock.begin()) {
 372             --KillInst;
 373             if (KillInst->isDebugValue())
 374               continue;
 375             if (KillInst->readsRegister(SrcReg))
 376               break;
 377           }
 378         } else {
 379           // We just inserted this copy.
 380           KillInst = prior(InsertPos);
 381         }
 382       }
 383       assert(KillInst->readsRegister(SrcReg) && "Cannot find kill instruction");
 384
 385       // Finally, mark it killed.
 386       LV->addVirtualRegisterKilled(SrcReg, KillInst);
 387
 388       // This vreg no longer lives all of the way through opBlock.
 389       unsigned opBlockNum = opBlock.getNumber();
 390       LV->getVarInfo(SrcReg).AliveBlocks.reset(opBlockNum);
 391     }
 392   }
 393
 394   // Really delete the PHI instruction now, if it is not in the LoweredPHIs map.
 395   if (reusedIncoming || !IncomingReg)
 396     MF.DeleteMachineInstr(MPhi);
 397 }
 398
 399 /// analyzePHINodes - Gather information about the PHI nodes in here. In
 400 /// particular, we want to map the number of uses of a virtual register which is
 401 /// used in a PHI node. We map that to the BB the vreg is coming from. This is
 402 /// used later to determine when the vreg is killed in the BB.
 403 ///
 404 void PHIElimination::analyzePHINodes(const MachineFunction& MF) {
 405   for (MachineFunction::const_iterator I = MF.begin(), E = MF.end();
 406        I != E; ++I)
 407     for (MachineBasicBlock::const_iterator BBI = I->begin(), BBE = I->end();
 408          BBI != BBE && BBI->isPHI(); ++BBI)
 409       for (unsigned i = 1, e = BBI->getNumOperands(); i != e; i += 2)
 410         ++VRegPHIUseCount[BBVRegPair(BBI->getOperand(i+1).getMBB()->getNumber(),
 411                                      BBI->getOperand(i).getReg())];
 412 }
 413
 414 bool PHIElimination::SplitPHIEdges(MachineFunction &MF,
 415                                    MachineBasicBlock &MBB,
 416                                    MachineLoopInfo *MLI) {
 417   if (MBB.empty() || !MBB.front().isPHI() || MBB.isLandingPad())
 418     return false;   // Quick exit for basic blocks without PHIs.
 419
 420   const MachineLoop *CurLoop = MLI ? MLI->getLoopFor(&MBB) : 0;
 421   bool IsLoopHeader = CurLoop && &MBB == CurLoop->getHeader();
 422
 423   bool Changed = false;
 424   for (MachineBasicBlock::iterator BBI = MBB.begin(), BBE = MBB.end();
 425        BBI != BBE && BBI->isPHI(); ++BBI) {
 426     for (unsigned i = 1, e = BBI->getNumOperands(); i != e; i += 2) {
 427       unsigned Reg = BBI->getOperand(i).getReg();
 428       MachineBasicBlock *PreMBB = BBI->getOperand(i+1).getMBB();
 429       // Is there a critical edge from PreMBB to MBB?
 430       if (PreMBB->succ_size() == 1)
 431         continue;
 432
 433       // Avoid splitting backedges of loops. It would introduce small
 434       // out-of-line blocks into the loop which is very bad for code placement.
 435       if (PreMBB == &MBB)
 436         continue;
 437       const MachineLoop *PreLoop = MLI ? MLI->getLoopFor(PreMBB) : 0;
 438       if (IsLoopHeader && PreLoop == CurLoop)
 439         continue;
 440
 441       // LV doesn't consider a phi use live-out, so isLiveOut only returns true
 442       // when the source register is live-out for some other reason than a phi
 443       // use. That means the copy we will insert in PreMBB won't be a kill, and
 444       // there is a risk it may not be coalesced away.
 445       //
 446       // If the copy would be a kill, there is no need to split the edge.
 447       if (!LV->isLiveOut(Reg, *PreMBB))
 448         continue;
 449
 450       DEBUG(dbgs() << PrintReg(Reg) << " live-out before critical edge BB#"
 451                    << PreMBB->getNumber() << " -> BB#" << MBB.getNumber()
 452                    << ": " << *BBI);
 453
 454       // If Reg is not live-in to MBB, it means it must be live-in to some
 455       // other PreMBB successor, and we can avoid the interference by splitting
 456       // the edge.
 457       //
 458       // If Reg *is* live-in to MBB, the interference is inevitable and a copy
 459       // is likely to be left after coalescing. If we are looking at a loop
 460       // exiting edge, split it so we won't insert code in the loop, otherwise
 461       // don't bother.
 462       bool ShouldSplit = !LV->isLiveIn(Reg, MBB);
 463
 464       // Check for a loop exiting edge.
 465       if (!ShouldSplit && CurLoop != PreLoop) {
 466         DEBUG({
 467           dbgs() << "Split wouldn't help, maybe avoid loop copies?\n";
 468           if (PreLoop) dbgs() << "PreLoop: " << *PreLoop;
 469           if (CurLoop) dbgs() << "CurLoop: " << *CurLoop;
 470         });
 471         // This edge could be entering a loop, exiting a loop, or it could be
 472         // both: Jumping directly form one loop to the header of a sibling
 473         // loop.
 474         // Split unless this edge is entering CurLoop from an outer loop.
 475         ShouldSplit = PreLoop && !PreLoop->contains(CurLoop);
 476       }
 477       if (!ShouldSplit)
 478         continue;
 479       if (!PreMBB->SplitCriticalEdge(&MBB, this)) {
 480         DEBUG(dbgs() << "Failed to split ciritcal edge.\n");
 481         continue;
 482       }
 483       Changed = true;
 484       ++NumCriticalEdgesSplit;
 485     }
 486   }
 487   return Changed;
 488 }