Factor local liveness computation out into its own function.
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / RegAllocLocal.cpp
1 //===-- RegAllocLocal.cpp - A BasicBlock generic register allocator -------===//
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 register allocator allocates registers to a basic block at a time,
11 // attempting to keep values in registers and reusing registers as appropriate.
12 //
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
16 #include "llvm/BasicBlock.h"
17 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
18 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
19 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
20 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
21 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
22 #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
23 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
24 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
25 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
26 #include "llvm/Support/Debug.h"
27 #include "llvm/Support/Compiler.h"
28 #include "llvm/ADT/IndexedMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include <algorithm>
33 #include <map>
34 using namespace llvm;
35
36 STATISTIC(NumStores, "Number of stores added");
37 STATISTIC(NumLoads , "Number of loads added");
38
39 static RegisterRegAlloc
40   localRegAlloc("local", "  local register allocator",
41                 createLocalRegisterAllocator);
42
43 namespace {
44   class VISIBILITY_HIDDEN RALocal : public MachineFunctionPass {
45   public:
46     static char ID;
47     RALocal() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
48   private:
49     const TargetMachine *TM;
50     MachineFunction *MF;
51     const TargetRegisterInfo *TRI;
52     const TargetInstrInfo *TII;
53
54     // StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
55     // values are spilled.
56     std::map<unsigned, int> StackSlotForVirtReg;
57
58     // Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
59     // that is currently available in a physical register.
60     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
61
62     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
63       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
64     }
65
66     // PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
67     // each physical register that currently has a value (ie, it is in
68     // Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
69     // corresponding to the physical register (the inverse of the
70     // Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
71     // because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
72     // allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
73     // physical register is "not in the map".
74     //
75     std::vector<int> PhysRegsUsed;
76
77     // PhysRegsUseOrder - This contains a list of the physical registers that
78     // currently have a virtual register value in them.  This list provides an
79     // ordering of registers, imposing a reallocation order.  This list is only
80     // used if all registers are allocated and we have to spill one, in which
81     // case we spill the least recently used register.  Entries at the front of
82     // the list are the least recently used registers, entries at the back are
83     // the most recently used.
84     //
85     std::vector<unsigned> PhysRegsUseOrder;
86
87     // Virt2LastUseMap - This maps each virtual register to its last use
88     // (MachineInstr*, operand index pair).
89     IndexedMap<std::pair<MachineInstr*, unsigned>, VirtReg2IndexFunctor>
90     Virt2LastUseMap;
91
92     std::pair<MachineInstr*,unsigned>& getVirtRegLastUse(unsigned Reg) {
93       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
94       return Virt2LastUseMap[Reg];
95     }
96
97     // VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
98     // registers need to be spilled back to memory when their registers are
99     // scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
100     // is no reason to spill it to memory when we need the register back.
101     //
102     BitVector VirtRegModified;
103     
104     // UsedInMultipleBlocks - Tracks whether a particular register is used in
105     // more than one block.
106     BitVector UsedInMultipleBlocks;
107
108     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
109       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
110       Reg -= TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
111       if (Val)
112         VirtRegModified.set(Reg);
113       else
114         VirtRegModified.reset(Reg);
115     }
116
117     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
118       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
119       assert(Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
120              && "Illegal virtual register!");
121       return VirtRegModified[Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
122     }
123
124     void AddToPhysRegsUseOrder(unsigned Reg) {
125       std::vector<unsigned>::iterator It =
126         std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), Reg);
127       if (It != PhysRegsUseOrder.end())
128         PhysRegsUseOrder.erase(It);
129       PhysRegsUseOrder.push_back(Reg);
130     }
131
132     void MarkPhysRegRecentlyUsed(unsigned Reg) {
133       if (PhysRegsUseOrder.empty() ||
134           PhysRegsUseOrder.back() == Reg) return;  // Already most recently used
135
136       for (unsigned i = PhysRegsUseOrder.size(); i != 0; --i)
137         if (areRegsEqual(Reg, PhysRegsUseOrder[i-1])) {
138           unsigned RegMatch = PhysRegsUseOrder[i-1];       // remove from middle
139           PhysRegsUseOrder.erase(PhysRegsUseOrder.begin()+i-1);
140           // Add it to the end of the list
141           PhysRegsUseOrder.push_back(RegMatch);
142           if (RegMatch == Reg)
143             return;    // Found an exact match, exit early
144         }
145     }
146
147   public:
148     virtual const char *getPassName() const {
149       return "Local Register Allocator";
150     }
151
152     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
153       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
154       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
155       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
156     }
157
158   private:
159     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
160     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
161
162     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
163     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
164
165
166     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
167     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
168     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
169     ///
170     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
171       if (R1 == R2) return true;
172       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(R2);
173            *AliasSet; ++AliasSet) {
174         if (*AliasSet == R1) return true;
175       }
176       return false;
177     }
178
179     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
180     /// register on the stack, allocating space if necessary.
181     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
182
183     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
184     /// longer being in use.
185     ///
186     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
187
188     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
189     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
190     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
191     ///
192     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
193                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
194
195     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
196     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
197     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
198     /// contain a virtual register.
199     ///
200     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
201                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
202
203     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
204     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
205     /// register must not be used for anything else when this is called.
206     ///
207     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
208
209     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
210     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
211     /// aliased registers are all free...
212     ///
213     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
214
215     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
216     /// specified register class.  If not, return 0.
217     ///
218     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
219
220     /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
221     /// register.  If all compatible physical registers are used, this method
222     /// spills the last used virtual register to the stack, and uses that
223     /// register.
224     ///
225     unsigned getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
226                     unsigned VirtReg);
227
228     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
229     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
230     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
231     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
232     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
233     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
234     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
235     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
236     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
237     /// value.  This method returns the modified instruction.
238     ///
239     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
240                                 unsigned OpNum);
241
242     /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
243     /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
244     void ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB);
245
246     void reloadPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator &I,
247                        unsigned PhysReg);
248   };
249   char RALocal::ID = 0;
250 }
251
252 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
253 /// to be held on the stack.
254 int RALocal::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
255   // Find the location Reg would belong...
256   std::map<unsigned, int>::iterator I = StackSlotForVirtReg.find(VirtReg);
257
258   if (I != StackSlotForVirtReg.end())
259     return I->second;          // Already has space allocated?
260
261   // Allocate a new stack object for this spill location...
262   int FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
263                                                        RC->getAlignment());
264
265   // Assign the slot...
266   StackSlotForVirtReg.insert(I, std::make_pair(VirtReg, FrameIdx));
267   return FrameIdx;
268 }
269
270
271 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
272 /// longer being in use.
273 ///
274 void RALocal::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
275   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
276
277   std::vector<unsigned>::iterator It =
278     std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), PhysReg);
279   if (It != PhysRegsUseOrder.end())
280     PhysRegsUseOrder.erase(It);
281 }
282
283
284 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
285 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
286 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
287 ///
288 void RALocal::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
289                            MachineBasicBlock::iterator I,
290                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
291   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
292          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
293          " the intended one.");
294   DOUT << "  Spilling register " << TRI->getName(PhysReg)
295        << " containing %reg" << VirtReg;
296   
297   if (!isVirtRegModified(VirtReg)) {
298     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
299     std::pair<MachineInstr*, unsigned> &LastUse = getVirtRegLastUse(VirtReg);
300     if (LastUse.first)
301       LastUse.first->getOperand(LastUse.second).setIsKill();
302   } else {
303     // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
304     // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
305     // modified.
306     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
307     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
308     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
309     // If the instruction reads the register that's spilled, (e.g. this can
310     // happen if it is a move to a physical register), then the spill
311     // instruction is not a kill.
312     bool isKill = !(I != MBB.end() && I->readsRegister(PhysReg));
313     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, isKill, FrameIndex, RC);
314     ++NumStores;   // Update statistics
315   }
316
317   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
318
319   DOUT << "\n";
320   removePhysReg(PhysReg);
321 }
322
323
324 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
325 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
326 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
327 /// virtual register.
328 ///
329 void RALocal::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
330                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
331   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
332     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
333     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
334       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
335   } else {
336     // If the selected register aliases any other registers, we must make
337     // sure that one of the aliases isn't alive.
338     for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
339          *AliasSet; ++AliasSet)
340       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
341           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
342           if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
343             spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
344   }
345 }
346
347
348 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
349 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
350 /// register must not be used for anything else when this is called.
351 ///
352 void RALocal::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
353   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
354   // Update information to note the fact that this register was just used, and
355   // it holds VirtReg.
356   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
357   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
358   AddToPhysRegsUseOrder(PhysReg);   // New use of PhysReg
359 }
360
361
362 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
363 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
364 /// registers are all free...
365 ///
366 bool RALocal::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
367   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
368
369   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
370   // not free!
371   for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
372        *AliasSet; ++AliasSet)
373     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] >= 0) // Aliased register in use?
374       return false;                    // Can't use this reg then.
375   return true;
376 }
377
378
379 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
380 /// specified register class.  If not, return 0.
381 ///
382 unsigned RALocal::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
383   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
384   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
385   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
386   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
387
388   for (; RI != RE; ++RI)
389     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
390       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
391       return *RI; // Found an unused register!
392     }
393   return 0;
394 }
395
396
397 /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
398 /// register.  If all compatible physical registers are used, this method spills
399 /// the last used virtual register to the stack, and uses that register.
400 ///
401 unsigned RALocal::getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
402                          unsigned VirtReg) {
403   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
404
405   // First check to see if we have a free register of the requested type...
406   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
407
408   // If we didn't find an unused register, scavenge one now!
409   if (PhysReg == 0) {
410     assert(!PhysRegsUseOrder.empty() && "No allocated registers??");
411
412     // Loop over all of the preallocated registers from the least recently used
413     // to the most recently used.  When we find one that is capable of holding
414     // our register, use it.
415     for (unsigned i = 0; PhysReg == 0; ++i) {
416       assert(i != PhysRegsUseOrder.size() &&
417              "Couldn't find a register of the appropriate class!");
418
419       unsigned R = PhysRegsUseOrder[i];
420
421       // We can only use this register if it holds a virtual register (ie, it
422       // can be spilled).  Do not use it if it is an explicitly allocated
423       // physical register!
424       assert(PhysRegsUsed[R] != -1 &&
425              "PhysReg in PhysRegsUseOrder, but is not allocated?");
426       if (PhysRegsUsed[R] && PhysRegsUsed[R] != -2) {
427         // If the current register is compatible, use it.
428         if (RC->contains(R)) {
429           PhysReg = R;
430           break;
431         } else {
432           // If one of the registers aliased to the current register is
433           // compatible, use it.
434           for (const unsigned *AliasIt = TRI->getAliasSet(R);
435                *AliasIt; ++AliasIt) {
436             if (RC->contains(*AliasIt) &&
437                 // If this is pinned down for some reason, don't use it.  For
438                 // example, if CL is pinned, and we run across CH, don't use
439                 // CH as justification for using scavenging ECX (which will
440                 // fail).
441                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != 0 &&
442                 
443                 // Make sure the register is allocatable.  Don't allocate SIL on
444                 // x86-32.
445                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != -2) {
446               PhysReg = *AliasIt;    // Take an aliased register
447               break;
448             }
449           }
450         }
451       }
452     }
453
454     assert(PhysReg && "Physical register not assigned!?!?");
455
456     // At this point PhysRegsUseOrder[i] is the least recently used register of
457     // compatible register class.  Spill it to memory and reap its remains.
458     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
459   }
460
461   // Now that we know which register we need to assign this to, do it now!
462   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
463   return PhysReg;
464 }
465
466
467 /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
468 /// register use to refer to a physical register.  This method may do this in
469 /// one of several ways: if the register is available in a physical register
470 /// already, it uses that physical register.  If the value is not in a physical
471 /// register, and if there are physical registers available, it loads it into a
472 /// register.  If register pressure is high, and it is possible, it tries to
473 /// fold the load of the virtual register into the instruction itself.  It
474 /// avoids doing this if register pressure is low to improve the chance that
475 /// subsequent instructions can use the reloaded value.  This method returns the
476 /// modified instruction.
477 ///
478 MachineInstr *RALocal::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
479                                      unsigned OpNum) {
480   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
481
482   // If the virtual register is already available, just update the instruction
483   // and return.
484   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
485     MarkPhysRegRecentlyUsed(PR);       // Already have this value available!
486     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);  // Assign the input register
487     getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
488     return MI;
489   }
490
491   // Otherwise, we need to fold it into the current instruction, or reload it.
492   // If we have registers available to hold the value, use them.
493   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
494   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
495   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
496
497   if (PhysReg) {   // Register is available, allocate it!
498     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
499   } else {         // No registers available.
500     // Force some poor hapless value out of the register file to
501     // make room for the new register, and reload it.
502     PhysReg = getReg(MBB, MI, VirtReg);
503   }
504
505   markVirtRegModified(VirtReg, false);   // Note that this reg was just reloaded
506
507   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
508        << TRI->getName(PhysReg) << "\n";
509
510   // Add move instruction(s)
511   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
512   ++NumLoads;    // Update statistics
513
514   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
515   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
516   getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
517   return MI;
518 }
519
520 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
521 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
522 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
523   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
524     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
525     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
526         MO.isDef() && !MO.isDead())
527       return true;
528   }
529   return false;
530 }
531
532 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
533 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
534 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
535   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
536     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
537     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
538         !MO.isDef() && MO.isKill())
539       return true;
540   }
541   return false;
542 }
543
544 // precedes - Helper function to determine with MachineInstr A
545 // precedes MachineInstr B within the same MBB.
546 static bool precedes(MachineBasicBlock::iterator A,
547                      MachineBasicBlock::iterator B) {
548   if (A == B)
549     return false;
550   
551   MachineBasicBlock::iterator I = A->getParent()->begin();
552   while (I != A->getParent()->end()) {
553     if (I == A)
554       return true;
555     else if (I == B)
556       return false;
557     
558     ++I;
559   }
560   
561   return false;
562 }
563
564 /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
565 /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
566 void RALocal::ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB) {
567   MachineRegisterInfo& MRI = MBB.getParent()->getRegInfo();
568   // Keep track of the most recently seen previous use or def of each reg, 
569   // so that we can update them with dead/kill markers.
570   std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> > LastUseDef;
571   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB.begin(), E = MBB.end();
572        I != E; ++I) {
573     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
574       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
575       // Uses don't trigger any flags, but we need to save
576       // them for later.  Also, we have to process these
577       // _before_ processing the defs, since an instr
578       // uses regs before it defs them.
579       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isUse())
580         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
581     }
582     
583     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
584       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
585       // Defs others than 2-addr redefs _do_ trigger flag changes:
586       //   - A def followed by a def is dead
587       //   - A use followed by a def is a kill
588       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isDef() && 
589          !I->isRegReDefinedByTwoAddr(MO.getReg())) {
590         std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
591           last = LastUseDef.find(MO.getReg());
592         if (last != LastUseDef.end()) {
593           MachineOperand& lastUD =
594                       last->second.first->getOperand(last->second.second);
595           if (lastUD.isDef())
596             lastUD.setIsDead(true);
597           else if (lastUD.isUse())
598             lastUD.setIsKill(true);
599         }
600         
601         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
602       }
603     }
604   }
605   
606   // Live-out (of the function) registers contain return values of the function,
607   // so we need to make sure they are alive at return time.
608   if (!MBB.empty() && MBB.back().getDesc().isReturn()) {
609     MachineInstr* Ret = &MBB.back();
610     for (MachineRegisterInfo::liveout_iterator
611          I = MF->getRegInfo().liveout_begin(),
612          E = MF->getRegInfo().liveout_end(); I != E; ++I)
613       if (!Ret->readsRegister(*I)) {
614         Ret->addOperand(MachineOperand::CreateReg(*I, false, true));
615         LastUseDef[*I] = std::make_pair(Ret, Ret->getNumOperands()-1);
616       }
617   }
618   
619   // Finally, loop over the final use/def of each reg 
620   // in the block and determine if it is dead.
621   for (std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
622        I = LastUseDef.begin(), E = LastUseDef.end(); I != E; ++I) {
623     MachineInstr* MI = I->second.first;
624     unsigned idx = I->second.second;
625     MachineOperand& MO = MI->getOperand(idx);
626     
627     bool isPhysReg = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg());
628     
629     // A crude approximation of "live-out" calculation
630     bool usedOutsideBlock = isPhysReg ? false :   
631           UsedInMultipleBlocks.test(MO.getReg() -  
632                                     TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
633     if (!isPhysReg && !usedOutsideBlock)
634       for (MachineRegisterInfo::reg_iterator UI = MRI.reg_begin(MO.getReg()),
635            UE = MRI.reg_end(); UI != UE; ++UI)
636         // Two cases:
637         // - used in another block
638         // - used in the same block before it is defined (loop)
639         if (UI->getParent() != &MBB ||
640             (MO.isDef() && UI.getOperand().isUse() && precedes(&*UI, MI))) {
641           UsedInMultipleBlocks.set(MO.getReg() - 
642                                    TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
643           usedOutsideBlock = true;
644           break;
645         }
646     
647     // Physical registers and those that are not live-out of the block
648     // are killed/dead at their last use/def within this block.
649     if (isPhysReg || !usedOutsideBlock) {
650       if (MO.isUse())
651         MO.setIsKill(true);
652       else if (MI->getOperand(idx).isDef())
653         MO.setIsDead(true);
654     }
655   }
656 }
657
658 void RALocal::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
659   // loop over each instruction
660   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
661   
662   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
663         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
664
665   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
666   // registers as active.
667   if (&MBB == &*MF->begin() || MBB.isLandingPad()) {
668     for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = MBB.livein_begin(),
669          E = MBB.livein_end(); I != E; ++I) {
670       unsigned Reg = *I;
671       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
672       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
673       AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
674       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
675            *AliasSet; ++AliasSet) {
676         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
677           AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
678           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
679           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
680         }
681       }
682     }    
683   }
684   
685   ComputeLocalLiveness(MBB);
686   
687   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
688   while (MII != MBB.end()) {
689     MachineInstr *MI = MII++;
690     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
691     DEBUG(DOUT << "\nStarting RegAlloc of: " << *MI;
692           DOUT << "  Regs have values: ";
693           for (unsigned i = 0; i != TRI->getNumRegs(); ++i)
694             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
695                DOUT << "[" << TRI->getName(i)
696                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
697           DOUT << "\n");
698
699     // Loop over the implicit uses, making sure that they are at the head of the
700     // use order list, so they don't get reallocated.
701     if (TID.ImplicitUses) {
702       for (const unsigned *ImplicitUses = TID.ImplicitUses;
703            *ImplicitUses; ++ImplicitUses)
704         MarkPhysRegRecentlyUsed(*ImplicitUses);
705     }
706
707     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
708     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
709       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
710       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
711         if (!MO.isImplicit())
712           Kills.push_back(MO.getReg());
713         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
714           // These are extra physical register kills when a sub-register
715           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
716           // larger registers). Ignore.
717           Kills.push_back(MO.getReg());
718       }
719     }
720
721     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
722     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
723     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
724     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
725     // to be live-in, or the input is badly hosed.
726     //
727     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
728       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
729       // here we are looking for only used operands (never def&use)
730       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
731           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
732         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
733     }
734
735     // If this instruction is the last user of this register, kill the
736     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
737     // spilled to memory.
738     //
739     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
740       unsigned VirtReg = Kills[i];
741       unsigned PhysReg = VirtReg;
742       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
743         // If the virtual register was never materialized into a register, it
744         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
745         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
746         PhysReg = PhysRegSlot;
747         PhysRegSlot = 0;
748       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
749         // Unallocatable register dead, ignore.
750         continue;
751       } else {
752         assert((!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1) &&
753                "Silently clearing a virtual register?");
754       }
755
756       if (PhysReg) {
757         DOUT << "  Last use of " << TRI->getName(PhysReg)
758              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
759         removePhysReg(PhysReg);
760         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
761              *AliasSet; ++AliasSet) {
762           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
763             DOUT  << "  Last use of "
764                   << TRI->getName(*AliasSet)
765                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
766             removePhysReg(*AliasSet);
767           }
768         }
769       }
770     }
771
772     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
773     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
774     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
775       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
776       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
777           TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
778         unsigned Reg = MO.getReg();
779         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
780         // These are extra physical register defs when a sub-register
781         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
782         // larger registers). Ignore.
783         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
784
785         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
786         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
787         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
788         AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
789
790         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
791              *AliasSet; ++AliasSet) {
792           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
793             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
794             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
795             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
796           }
797         }
798       }
799     }
800
801     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
802     if (TID.ImplicitDefs) {
803       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
804            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
805         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
806         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
807           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
808           AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
809           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
810         }
811         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
812         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
813              *AliasSet; ++AliasSet) {
814           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
815             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
816             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
817             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
818           }
819         }
820       }
821     }
822
823     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
824     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
825       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
826       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
827         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
828     }
829
830     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
831     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
832     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
833     // we need to scavenge a register.
834     //
835     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
836       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
837       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
838           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
839         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
840         unsigned DestPhysReg;
841
842         // If DestVirtReg already has a value, use it.
843         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
844           DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
845         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
846         markVirtRegModified(DestVirtReg);
847         getVirtRegLastUse(DestVirtReg) = std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
848         DOUT << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
849              << " to %reg" << DestVirtReg << "\n";
850         MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
851       }
852     }
853
854     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
855     // kill them now.
856     //
857     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
858       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
859       unsigned PhysReg = VirtReg;
860       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
861         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
862         PhysReg = PhysRegSlot;
863         assert(PhysReg != 0);
864         PhysRegSlot = 0;
865       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
866         // Unallocatable register dead, ignore.
867         continue;
868       }
869
870       if (PhysReg) {
871         DOUT  << "  Register " << TRI->getName(PhysReg)
872               << " [%reg" << VirtReg
873               << "] is never used, removing it frame live list\n";
874         removePhysReg(PhysReg);
875         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
876              *AliasSet; ++AliasSet) {
877           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
878             DOUT  << "  Register " << TRI->getName(*AliasSet)
879                   << " [%reg" << *AliasSet
880                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
881             removePhysReg(*AliasSet);
882           }
883         }
884       }
885     }
886     
887     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
888     unsigned SrcReg, DstReg;
889     if (TII->isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg)
890       MBB.erase(MI);
891   }
892
893   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
894
895   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
896   for (unsigned i = 0, e = TRI->getNumRegs(); i != e; ++i)
897     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2) {
898       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
899         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
900       else
901         removePhysReg(i);
902     }
903
904 #if 0
905   // This checking code is very expensive.
906   bool AllOk = true;
907   for (unsigned i = TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister,
908            e = MF->getRegInfo().getLastVirtReg(); i <= e; ++i)
909     if (unsigned PR = Virt2PhysRegMap[i]) {
910       cerr << "Register still mapped: " << i << " -> " << PR << "\n";
911       AllOk = false;
912     }
913   assert(AllOk && "Virtual registers still in phys regs?");
914 #endif
915
916   // Clear any physical register which appear live at the end of the basic
917   // block, but which do not hold any virtual registers.  e.g., the stack
918   // pointer.
919   PhysRegsUseOrder.clear();
920 }
921
922 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
923 ///
924 bool RALocal::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
925   DOUT << "Machine Function " << "\n";
926   MF = &Fn;
927   TM = &Fn.getTarget();
928   TRI = TM->getRegisterInfo();
929   TII = TM->getInstrInfo();
930
931   PhysRegsUsed.assign(TRI->getNumRegs(), -1);
932   
933   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
934   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
935   // being pinned down, permanently.
936   {
937     BitVector Allocable = TRI->getAllocatableSet(Fn);
938     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
939       if (!Allocable[i])
940         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
941   }
942
943   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
944   // mapping for all virtual registers
945   unsigned LastVirtReg = MF->getRegInfo().getLastVirtReg();
946   Virt2PhysRegMap.grow(LastVirtReg);
947   Virt2LastUseMap.grow(LastVirtReg);
948   VirtRegModified.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
949   UsedInMultipleBlocks.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
950  
951   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
952   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
953        MBB != MBBe; ++MBB)
954     AllocateBasicBlock(*MBB);
955
956   StackSlotForVirtReg.clear();
957   PhysRegsUsed.clear();
958   VirtRegModified.clear();
959   UsedInMultipleBlocks.clear();
960   Virt2PhysRegMap.clear();
961   Virt2LastUseMap.clear();
962   return true;
963 }
964
965 FunctionPass *llvm::createLocalRegisterAllocator() {
966   return new RALocal();
967 }