New PBQP solver.
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / RegAllocPBQP.cpp
1 //===------ RegAllocPBQP.cpp ---- PBQP Register Allocator -------*- 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 contains a Partitioned Boolean Quadratic Programming (PBQP) based
11 // register allocator for LLVM. This allocator works by constructing a PBQP
12 // problem representing the register allocation problem under consideration,
13 // solving this using a PBQP solver, and mapping the solution back to a
14 // register assignment. If any variables are selected for spilling then spill
15 // code is inserted and the process repeated.
16 //
17 // The PBQP solver (pbqp.c) provided for this allocator uses a heuristic tuned
18 // for register allocation. For more information on PBQP for register
19 // allocation, see the following papers:
20 //
21 //   (1) Hames, L. and Scholz, B. 2006. Nearly optimal register allocation with
22 //   PBQP. In Proceedings of the 7th Joint Modular Languages Conference
23 //   (JMLC'06). LNCS, vol. 4228. Springer, New York, NY, USA. 346-361.
24 //
25 //   (2) Scholz, B., Eckstein, E. 2002. Register allocation for irregular
26 //   architectures. In Proceedings of the Joint Conference on Languages,
27 //   Compilers and Tools for Embedded Systems (LCTES'02), ACM Press, New York,
28 //   NY, USA, 139-148.
29 //
30 //===----------------------------------------------------------------------===//
31
32 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
33
34 #include "PBQP/HeuristicSolver.h"
35 #include "PBQP/Graph.h"
36 #include "PBQP/Heuristics/Briggs.h"
37 #include "VirtRegMap.h"
38 #include "VirtRegRewriter.h"
39 #include "llvm/CodeGen/CalcSpillWeights.h"
40 #include "llvm/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.h"
41 #include "llvm/CodeGen/LiveStackAnalysis.h"
42 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
43 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
44 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
45 #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
46 #include "llvm/CodeGen/RegisterCoalescer.h"
47 #include "llvm/Support/Debug.h"
48 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
49 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
50 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
51 #include <limits>
52 #include <map>
53 #include <memory>
54 #include <set>
55 #include <vector>
56
57 using namespace llvm;
58
59 static RegisterRegAlloc
60 registerPBQPRepAlloc("pbqp", "PBQP register allocator.",
61                        llvm::createPBQPRegisterAllocator);
62
63 static cl::opt<bool>
64 pbqpCoalescing("pbqp-coalescing",
65                 cl::desc("Attempt coalescing during PBQP register allocation."),
66                 cl::init(false), cl::Hidden);
67
68 namespace {
69
70   ///
71   /// PBQP based allocators solve the register allocation problem by mapping
72   /// register allocation problems to Partitioned Boolean Quadratic
73   /// Programming problems.
74   class PBQPRegAlloc : public MachineFunctionPass {
75   public:
76
77     static char ID;
78
79     /// Construct a PBQP register allocator.
80     PBQPRegAlloc() : MachineFunctionPass(&ID) {}
81
82     /// Return the pass name.
83     virtual const char* getPassName() const {
84       return "PBQP Register Allocator";
85     }
86
87     /// PBQP analysis usage.
88     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &au) const {
89       au.addRequired<SlotIndexes>();
90       au.addPreserved<SlotIndexes>();
91       au.addRequired<LiveIntervals>();
92       //au.addRequiredID(SplitCriticalEdgesID);
93       au.addRequired<RegisterCoalescer>();
94       au.addRequired<CalculateSpillWeights>();
95       au.addRequired<LiveStacks>();
96       au.addPreserved<LiveStacks>();
97       au.addRequired<MachineLoopInfo>();
98       au.addPreserved<MachineLoopInfo>();
99       au.addRequired<VirtRegMap>();
100       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(au);
101     }
102
103     /// Perform register allocation
104     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
105
106   private:
107     typedef std::map<const LiveInterval*, unsigned> LI2NodeMap;
108     typedef std::vector<const LiveInterval*> Node2LIMap;
109     typedef std::vector<unsigned> AllowedSet;
110     typedef std::vector<AllowedSet> AllowedSetMap;
111     typedef std::set<unsigned> RegSet;
112     typedef std::pair<unsigned, unsigned> RegPair;
113     typedef std::map<RegPair, PBQP::PBQPNum> CoalesceMap;
114
115     typedef std::set<LiveInterval*> LiveIntervalSet;
116
117     typedef std::vector<PBQP::Graph::NodeItr> NodeVector;
118
119     MachineFunction *mf;
120     const TargetMachine *tm;
121     const TargetRegisterInfo *tri;
122     const TargetInstrInfo *tii;
123     const MachineLoopInfo *loopInfo;
124     MachineRegisterInfo *mri;
125
126     LiveIntervals *lis;
127     LiveStacks *lss;
128     VirtRegMap *vrm;
129
130     LI2NodeMap li2Node;
131     Node2LIMap node2LI;
132     AllowedSetMap allowedSets;
133     LiveIntervalSet vregIntervalsToAlloc,
134                     emptyVRegIntervals;
135     NodeVector problemNodes;
136
137
138     /// Builds a PBQP cost vector.
139     template <typename RegContainer>
140     PBQP::Vector buildCostVector(unsigned vReg,
141                                  const RegContainer &allowed,
142                                  const CoalesceMap &cealesces,
143                                  PBQP::PBQPNum spillCost) const;
144
145     /// \brief Builds a PBQP interference matrix.
146     ///
147     /// @return Either a pointer to a non-zero PBQP matrix representing the
148     ///         allocation option costs, or a null pointer for a zero matrix.
149     ///
150     /// Expects allowed sets for two interfering LiveIntervals. These allowed
151     /// sets should contain only allocable registers from the LiveInterval's
152     /// register class, with any interfering pre-colored registers removed.
153     template <typename RegContainer>
154     PBQP::Matrix* buildInterferenceMatrix(const RegContainer &allowed1,
155                                           const RegContainer &allowed2) const;
156
157     ///
158     /// Expects allowed sets for two potentially coalescable LiveIntervals,
159     /// and an estimated benefit due to coalescing. The allowed sets should
160     /// contain only allocable registers from the LiveInterval's register
161     /// classes, with any interfering pre-colored registers removed.
162     template <typename RegContainer>
163     PBQP::Matrix* buildCoalescingMatrix(const RegContainer &allowed1,
164                                         const RegContainer &allowed2,
165                                         PBQP::PBQPNum cBenefit) const;
166
167     /// \brief Finds coalescing opportunities and returns them as a map.
168     ///
169     /// Any entries in the map are guaranteed coalescable, even if their
170     /// corresponding live intervals overlap.
171     CoalesceMap findCoalesces();
172
173     /// \brief Finds the initial set of vreg intervals to allocate.
174     void findVRegIntervalsToAlloc();
175
176     /// \brief Constructs a PBQP problem representation of the register
177     /// allocation problem for this function.
178     ///
179     /// @return a PBQP solver object for the register allocation problem.
180     PBQP::Graph constructPBQPProblem();
181
182     /// \brief Adds a stack interval if the given live interval has been
183     /// spilled. Used to support stack slot coloring.
184     void addStackInterval(const LiveInterval *spilled,MachineRegisterInfo* mri);
185
186     /// \brief Given a solved PBQP problem maps this solution back to a register
187     /// assignment.
188     bool mapPBQPToRegAlloc(const PBQP::Solution &solution);
189
190     /// \brief Postprocessing before final spilling. Sets basic block "live in"
191     /// variables.
192     void finalizeAlloc() const;
193
194   };
195
196   char PBQPRegAlloc::ID = 0;
197 }
198
199
200 template <typename RegContainer>
201 PBQP::Vector PBQPRegAlloc::buildCostVector(unsigned vReg,
202                                            const RegContainer &allowed,
203                                            const CoalesceMap &coalesces,
204                                            PBQP::PBQPNum spillCost) const {
205
206   typedef typename RegContainer::const_iterator AllowedItr;
207
208   // Allocate vector. Additional element (0th) used for spill option
209   PBQP::Vector v(allowed.size() + 1, 0);
210
211   v[0] = spillCost;
212
213   // Iterate over the allowed registers inserting coalesce benefits if there
214   // are any.
215   unsigned ai = 0;
216   for (AllowedItr itr = allowed.begin(), end = allowed.end();
217        itr != end; ++itr, ++ai) {
218
219     unsigned pReg = *itr;
220
221     CoalesceMap::const_iterator cmItr =
222       coalesces.find(RegPair(vReg, pReg));
223
224     // No coalesce - on to the next preg.
225     if (cmItr == coalesces.end())
226       continue;
227
228     // We have a coalesce - insert the benefit.
229     v[ai + 1] = -cmItr->second;
230   }
231
232   return v;
233 }
234
235 template <typename RegContainer>
236 PBQP::Matrix* PBQPRegAlloc::buildInterferenceMatrix(
237       const RegContainer &allowed1, const RegContainer &allowed2) const {
238
239   typedef typename RegContainer::const_iterator RegContainerIterator;
240
241   // Construct a PBQP matrix representing the cost of allocation options. The
242   // rows and columns correspond to the allocation options for the two live
243   // intervals.  Elements will be infinite where corresponding registers alias,
244   // since we cannot allocate aliasing registers to interfering live intervals.
245   // All other elements (non-aliasing combinations) will have zero cost. Note
246   // that the spill option (element 0,0) has zero cost, since we can allocate
247   // both intervals to memory safely (the cost for each individual allocation
248   // to memory is accounted for by the cost vectors for each live interval).
249   PBQP::Matrix *m =
250     new PBQP::Matrix(allowed1.size() + 1, allowed2.size() + 1, 0);
251
252   // Assume this is a zero matrix until proven otherwise.  Zero matrices occur
253   // between interfering live ranges with non-overlapping register sets (e.g.
254   // non-overlapping reg classes, or disjoint sets of allowed regs within the
255   // same class). The term "overlapping" is used advisedly: sets which do not
256   // intersect, but contain registers which alias, will have non-zero matrices.
257   // We optimize zero matrices away to improve solver speed.
258   bool isZeroMatrix = true;
259
260
261   // Row index. Starts at 1, since the 0th row is for the spill option, which
262   // is always zero.
263   unsigned ri = 1;
264
265   // Iterate over allowed sets, insert infinities where required.
266   for (RegContainerIterator a1Itr = allowed1.begin(), a1End = allowed1.end();
267        a1Itr != a1End; ++a1Itr) {
268
269     // Column index, starts at 1 as for row index.
270     unsigned ci = 1;
271     unsigned reg1 = *a1Itr;
272
273     for (RegContainerIterator a2Itr = allowed2.begin(), a2End = allowed2.end();
274          a2Itr != a2End; ++a2Itr) {
275
276       unsigned reg2 = *a2Itr;
277
278       // If the row/column regs are identical or alias insert an infinity.
279       if (tri->regsOverlap(reg1, reg2)) {
280         (*m)[ri][ci] = std::numeric_limits<PBQP::PBQPNum>::infinity();
281         isZeroMatrix = false;
282       }
283
284       ++ci;
285     }
286
287     ++ri;
288   }
289
290   // If this turns out to be a zero matrix...
291   if (isZeroMatrix) {
292     // free it and return null.
293     delete m;
294     return 0;
295   }
296
297   // ...otherwise return the cost matrix.
298   return m;
299 }
300
301 template <typename RegContainer>
302 PBQP::Matrix* PBQPRegAlloc::buildCoalescingMatrix(
303       const RegContainer &allowed1, const RegContainer &allowed2,
304       PBQP::PBQPNum cBenefit) const {
305
306   typedef typename RegContainer::const_iterator RegContainerIterator;
307
308   // Construct a PBQP Matrix representing the benefits of coalescing. As with
309   // interference matrices the rows and columns represent allowed registers
310   // for the LiveIntervals which are (potentially) to be coalesced. The amount
311   // -cBenefit will be placed in any element representing the same register
312   // for both intervals.
313   PBQP::Matrix *m =
314     new PBQP::Matrix(allowed1.size() + 1, allowed2.size() + 1, 0);
315
316   // Reset costs to zero.
317   m->reset(0);
318
319   // Assume the matrix is zero till proven otherwise. Zero matrices will be
320   // optimized away as in the interference case.
321   bool isZeroMatrix = true;
322
323   // Row index. Starts at 1, since the 0th row is for the spill option, which
324   // is always zero.
325   unsigned ri = 1;
326
327   // Iterate over the allowed sets, insert coalescing benefits where
328   // appropriate.
329   for (RegContainerIterator a1Itr = allowed1.begin(), a1End = allowed1.end();
330        a1Itr != a1End; ++a1Itr) {
331
332     // Column index, starts at 1 as for row index.
333     unsigned ci = 1;
334     unsigned reg1 = *a1Itr;
335
336     for (RegContainerIterator a2Itr = allowed2.begin(), a2End = allowed2.end();
337          a2Itr != a2End; ++a2Itr) {
338
339       // If the row and column represent the same register insert a beneficial
340       // cost to preference this allocation - it would allow us to eliminate a
341       // move instruction.
342       if (reg1 == *a2Itr) {
343         (*m)[ri][ci] = -cBenefit;
344         isZeroMatrix = false;
345       }
346
347       ++ci;
348     }
349
350     ++ri;
351   }
352
353   // If this turns out to be a zero matrix...
354   if (isZeroMatrix) {
355     // ...free it and return null.
356     delete m;
357     return 0;
358   }
359
360   return m;
361 }
362
363 PBQPRegAlloc::CoalesceMap PBQPRegAlloc::findCoalesces() {
364
365   typedef MachineFunction::const_iterator MFIterator;
366   typedef MachineBasicBlock::const_iterator MBBIterator;
367   typedef LiveInterval::const_vni_iterator VNIIterator;
368
369   CoalesceMap coalescesFound;
370
371   // To find coalesces we need to iterate over the function looking for
372   // copy instructions.
373   for (MFIterator bbItr = mf->begin(), bbEnd = mf->end();
374        bbItr != bbEnd; ++bbItr) {
375
376     const MachineBasicBlock *mbb = &*bbItr;
377
378     for (MBBIterator iItr = mbb->begin(), iEnd = mbb->end();
379          iItr != iEnd; ++iItr) {
380
381       const MachineInstr *instr = &*iItr;
382       unsigned srcReg, dstReg, srcSubReg, dstSubReg;
383
384       // If this isn't a copy then continue to the next instruction.
385       if (!tii->isMoveInstr(*instr, srcReg, dstReg, srcSubReg, dstSubReg))
386         continue;
387
388       // If the registers are already the same our job is nice and easy.
389       if (dstReg == srcReg)
390         continue;
391
392       bool srcRegIsPhysical = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(srcReg),
393            dstRegIsPhysical = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(dstReg);
394
395       // If both registers are physical then we can't coalesce.
396       if (srcRegIsPhysical && dstRegIsPhysical)
397         continue;
398
399       // If it's a copy that includes a virtual register but the source and
400       // destination classes differ then we can't coalesce, so continue with
401       // the next instruction.
402       const TargetRegisterClass *srcRegClass = srcRegIsPhysical ?
403           tri->getPhysicalRegisterRegClass(srcReg) : mri->getRegClass(srcReg);
404
405       const TargetRegisterClass *dstRegClass = dstRegIsPhysical ?
406           tri->getPhysicalRegisterRegClass(dstReg) : mri->getRegClass(dstReg);
407
408       if (srcRegClass != dstRegClass)
409         continue;
410
411       // We also need any physical regs to be allocable, coalescing with
412       // a non-allocable register is invalid.
413       if (srcRegIsPhysical) {
414         if (std::find(srcRegClass->allocation_order_begin(*mf),
415                       srcRegClass->allocation_order_end(*mf), srcReg) ==
416             srcRegClass->allocation_order_end(*mf))
417           continue;
418       }
419
420       if (dstRegIsPhysical) {
421         if (std::find(dstRegClass->allocation_order_begin(*mf),
422                       dstRegClass->allocation_order_end(*mf), dstReg) ==
423             dstRegClass->allocation_order_end(*mf))
424           continue;
425       }
426
427       // If we've made it here we have a copy with compatible register classes.
428       // We can probably coalesce, but we need to consider overlap.
429       const LiveInterval *srcLI = &lis->getInterval(srcReg),
430                          *dstLI = &lis->getInterval(dstReg);
431
432       if (srcLI->overlaps(*dstLI)) {
433         // Even in the case of an overlap we might still be able to coalesce,
434         // but we need to make sure that no definition of either range occurs
435         // while the other range is live.
436
437         // Otherwise start by assuming we're ok.
438         bool badDef = false;
439
440         // Test all defs of the source range.
441         for (VNIIterator
442                vniItr = srcLI->vni_begin(), vniEnd = srcLI->vni_end();
443                vniItr != vniEnd; ++vniItr) {
444
445           // If we find a def that kills the coalescing opportunity then
446           // record it and break from the loop.
447           if (dstLI->liveAt((*vniItr)->def)) {
448             badDef = true;
449             break;
450           }
451         }
452
453         // If we have a bad def give up, continue to the next instruction.
454         if (badDef)
455           continue;
456
457         // Otherwise test definitions of the destination range.
458         for (VNIIterator
459                vniItr = dstLI->vni_begin(), vniEnd = dstLI->vni_end();
460                vniItr != vniEnd; ++vniItr) {
461
462           // We want to make sure we skip the copy instruction itself.
463           if ((*vniItr)->getCopy() == instr)
464             continue;
465
466           if (srcLI->liveAt((*vniItr)->def)) {
467             badDef = true;
468             break;
469           }
470         }
471
472         // As before a bad def we give up and continue to the next instr.
473         if (badDef)
474           continue;
475       }
476
477       // If we make it to here then either the ranges didn't overlap, or they
478       // did, but none of their definitions would prevent us from coalescing.
479       // We're good to go with the coalesce.
480
481       float cBenefit = powf(10.0f, loopInfo->getLoopDepth(mbb)) / 5.0;
482
483       coalescesFound[RegPair(srcReg, dstReg)] = cBenefit;
484       coalescesFound[RegPair(dstReg, srcReg)] = cBenefit;
485     }
486
487   }
488
489   return coalescesFound;
490 }
491
492 void PBQPRegAlloc::findVRegIntervalsToAlloc() {
493
494   // Iterate over all live ranges.
495   for (LiveIntervals::iterator itr = lis->begin(), end = lis->end();
496        itr != end; ++itr) {
497
498     // Ignore physical ones.
499     if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(itr->first))
500       continue;
501
502     LiveInterval *li = itr->second;
503
504     // If this live interval is non-empty we will use pbqp to allocate it.
505     // Empty intervals we allocate in a simple post-processing stage in
506     // finalizeAlloc.
507     if (!li->empty()) {
508       vregIntervalsToAlloc.insert(li);
509     }
510     else {
511       emptyVRegIntervals.insert(li);
512     }
513   }
514 }
515
516 PBQP::Graph PBQPRegAlloc::constructPBQPProblem() {
517
518   typedef std::vector<const LiveInterval*> LIVector;
519   typedef std::vector<unsigned> RegVector;
520
521   // This will store the physical intervals for easy reference.
522   LIVector physIntervals;
523
524   // Start by clearing the old node <-> live interval mappings & allowed sets
525   li2Node.clear();
526   node2LI.clear();
527   allowedSets.clear();
528
529   // Populate physIntervals, update preg use:
530   for (LiveIntervals::iterator itr = lis->begin(), end = lis->end();
531        itr != end; ++itr) {
532
533     if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(itr->first)) {
534       physIntervals.push_back(itr->second);
535       mri->setPhysRegUsed(itr->second->reg);
536     }
537   }
538
539   // Iterate over vreg intervals, construct live interval <-> node number
540   //  mappings.
541   for (LiveIntervalSet::const_iterator
542        itr = vregIntervalsToAlloc.begin(), end = vregIntervalsToAlloc.end();
543        itr != end; ++itr) {
544     const LiveInterval *li = *itr;
545
546     li2Node[li] = node2LI.size();
547     node2LI.push_back(li);
548   }
549
550   // Get the set of potential coalesces.
551   CoalesceMap coalesces;
552
553   if (pbqpCoalescing) {
554     coalesces = findCoalesces();
555   }
556
557   // Construct a PBQP solver for this problem
558   PBQP::Graph problem;
559   problemNodes.resize(vregIntervalsToAlloc.size());
560
561   // Resize allowedSets container appropriately.
562   allowedSets.resize(vregIntervalsToAlloc.size());
563
564   // Iterate over virtual register intervals to compute allowed sets...
565   for (unsigned node = 0; node < node2LI.size(); ++node) {
566
567     // Grab pointers to the interval and its register class.
568     const LiveInterval *li = node2LI[node];
569     const TargetRegisterClass *liRC = mri->getRegClass(li->reg);
570
571     // Start by assuming all allocable registers in the class are allowed...
572     RegVector liAllowed(liRC->allocation_order_begin(*mf),
573                         liRC->allocation_order_end(*mf));
574
575     // Eliminate the physical registers which overlap with this range, along
576     // with all their aliases.
577     for (LIVector::iterator pItr = physIntervals.begin(),
578        pEnd = physIntervals.end(); pItr != pEnd; ++pItr) {
579
580       if (!li->overlaps(**pItr))
581         continue;
582
583       unsigned pReg = (*pItr)->reg;
584
585       // If we get here then the live intervals overlap, but we're still ok
586       // if they're coalescable.
587       if (coalesces.find(RegPair(li->reg, pReg)) != coalesces.end())
588         continue;
589
590       // If we get here then we have a genuine exclusion.
591
592       // Remove the overlapping reg...
593       RegVector::iterator eraseItr =
594         std::find(liAllowed.begin(), liAllowed.end(), pReg);
595
596       if (eraseItr != liAllowed.end())
597         liAllowed.erase(eraseItr);
598
599       const unsigned *aliasItr = tri->getAliasSet(pReg);
600
601       if (aliasItr != 0) {
602         // ...and its aliases.
603         for (; *aliasItr != 0; ++aliasItr) {
604           RegVector::iterator eraseItr =
605             std::find(liAllowed.begin(), liAllowed.end(), *aliasItr);
606
607           if (eraseItr != liAllowed.end()) {
608             liAllowed.erase(eraseItr);
609           }
610         }
611       }
612     }
613
614     // Copy the allowed set into a member vector for use when constructing cost
615     // vectors & matrices, and mapping PBQP solutions back to assignments.
616     allowedSets[node] = AllowedSet(liAllowed.begin(), liAllowed.end());
617
618     // Set the spill cost to the interval weight, or epsilon if the
619     // interval weight is zero
620     PBQP::PBQPNum spillCost = (li->weight != 0.0) ?
621         li->weight : std::numeric_limits<PBQP::PBQPNum>::min();
622
623     // Build a cost vector for this interval.
624     problemNodes[node] =
625       problem.addNode(
626         buildCostVector(li->reg, allowedSets[node], coalesces, spillCost));
627
628   }
629
630
631   // Now add the cost matrices...
632   for (unsigned node1 = 0; node1 < node2LI.size(); ++node1) {
633     const LiveInterval *li = node2LI[node1];
634
635     // Test for live range overlaps and insert interference matrices.
636     for (unsigned node2 = node1 + 1; node2 < node2LI.size(); ++node2) {
637       const LiveInterval *li2 = node2LI[node2];
638
639       CoalesceMap::const_iterator cmItr =
640         coalesces.find(RegPair(li->reg, li2->reg));
641
642       PBQP::Matrix *m = 0;
643
644       if (cmItr != coalesces.end()) {
645         m = buildCoalescingMatrix(allowedSets[node1], allowedSets[node2],
646                                   cmItr->second);
647       }
648       else if (li->overlaps(*li2)) {
649         m = buildInterferenceMatrix(allowedSets[node1], allowedSets[node2]);
650       }
651
652       if (m != 0) {
653         problem.addEdge(problemNodes[node1],
654                         problemNodes[node2],
655                         *m);
656
657         delete m;
658       }
659     }
660   }
661
662   assert(problem.getNumNodes() == allowedSets.size());
663 /*
664   std::cerr << "Allocating for " << problem.getNumNodes() << " nodes, "
665             << problem.getNumEdges() << " edges.\n";
666
667   problem.printDot(std::cerr);
668 */
669   // We're done, PBQP problem constructed - return it.
670   return problem;
671 }
672
673 void PBQPRegAlloc::addStackInterval(const LiveInterval *spilled,
674                                     MachineRegisterInfo* mri) {
675   int stackSlot = vrm->getStackSlot(spilled->reg);
676
677   if (stackSlot == VirtRegMap::NO_STACK_SLOT)
678     return;
679
680   const TargetRegisterClass *RC = mri->getRegClass(spilled->reg);
681   LiveInterval &stackInterval = lss->getOrCreateInterval(stackSlot, RC);
682
683   VNInfo *vni;
684   if (stackInterval.getNumValNums() != 0)
685     vni = stackInterval.getValNumInfo(0);
686   else
687     vni = stackInterval.getNextValue(
688       SlotIndex(), 0, false, lss->getVNInfoAllocator());
689
690   LiveInterval &rhsInterval = lis->getInterval(spilled->reg);
691   stackInterval.MergeRangesInAsValue(rhsInterval, vni);
692 }
693
694 bool PBQPRegAlloc::mapPBQPToRegAlloc(const PBQP::Solution &solution) {
695
696   // Set to true if we have any spills
697   bool anotherRoundNeeded = false;
698
699   // Clear the existing allocation.
700   vrm->clearAllVirt();
701
702   // Iterate over the nodes mapping the PBQP solution to a register assignment.
703   for (unsigned node = 0; node < node2LI.size(); ++node) {
704     unsigned virtReg = node2LI[node]->reg,
705              allocSelection = solution.getSelection(problemNodes[node]);
706
707
708     // If the PBQP solution is non-zero it's a physical register...
709     if (allocSelection != 0) {
710       // Get the physical reg, subtracting 1 to account for the spill option.
711       unsigned physReg = allowedSets[node][allocSelection - 1];
712
713       DEBUG(dbgs() << "VREG " << virtReg << " -> "
714                    << tri->getName(physReg) << "\n");
715
716       assert(physReg != 0);
717
718       // Add to the virt reg map and update the used phys regs.
719       vrm->assignVirt2Phys(virtReg, physReg);
720     }
721     // ...Otherwise it's a spill.
722     else {
723
724       // Make sure we ignore this virtual reg on the next round
725       // of allocation
726       vregIntervalsToAlloc.erase(&lis->getInterval(virtReg));
727
728       // Insert spill ranges for this live range
729       const LiveInterval *spillInterval = node2LI[node];
730       double oldSpillWeight = spillInterval->weight;
731       SmallVector<LiveInterval*, 8> spillIs;
732       std::vector<LiveInterval*> newSpills =
733         lis->addIntervalsForSpills(*spillInterval, spillIs, loopInfo, *vrm);
734       addStackInterval(spillInterval, mri);
735
736       (void) oldSpillWeight;
737       DEBUG(dbgs() << "VREG " << virtReg << " -> SPILLED (Cost: "
738                    << oldSpillWeight << ", New vregs: ");
739
740       // Copy any newly inserted live intervals into the list of regs to
741       // allocate.
742       for (std::vector<LiveInterval*>::const_iterator
743            itr = newSpills.begin(), end = newSpills.end();
744            itr != end; ++itr) {
745
746         assert(!(*itr)->empty() && "Empty spill range.");
747
748         DEBUG(dbgs() << (*itr)->reg << " ");
749
750         vregIntervalsToAlloc.insert(*itr);
751       }
752
753       DEBUG(dbgs() << ")\n");
754
755       // We need another round if spill intervals were added.
756       anotherRoundNeeded |= !newSpills.empty();
757     }
758   }
759
760   return !anotherRoundNeeded;
761 }
762
763 void PBQPRegAlloc::finalizeAlloc() const {
764   typedef LiveIntervals::iterator LIIterator;
765   typedef LiveInterval::Ranges::const_iterator LRIterator;
766
767   // First allocate registers for the empty intervals.
768   for (LiveIntervalSet::const_iterator
769          itr = emptyVRegIntervals.begin(), end = emptyVRegIntervals.end();
770          itr != end; ++itr) {
771     LiveInterval *li = *itr;
772
773     unsigned physReg = vrm->getRegAllocPref(li->reg);
774
775     if (physReg == 0) {
776       const TargetRegisterClass *liRC = mri->getRegClass(li->reg);
777       physReg = *liRC->allocation_order_begin(*mf);
778     }
779
780     vrm->assignVirt2Phys(li->reg, physReg);
781   }
782
783   // Finally iterate over the basic blocks to compute and set the live-in sets.
784   SmallVector<MachineBasicBlock*, 8> liveInMBBs;
785   MachineBasicBlock *entryMBB = &*mf->begin();
786
787   for (LIIterator liItr = lis->begin(), liEnd = lis->end();
788        liItr != liEnd; ++liItr) {
789
790     const LiveInterval *li = liItr->second;
791     unsigned reg = 0;
792
793     // Get the physical register for this interval
794     if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(li->reg)) {
795       reg = li->reg;
796     }
797     else if (vrm->isAssignedReg(li->reg)) {
798       reg = vrm->getPhys(li->reg);
799     }
800     else {
801       // Ranges which are assigned a stack slot only are ignored.
802       continue;
803     }
804
805     if (reg == 0) {
806       // Filter out zero regs - they're for intervals that were spilled.
807       continue;
808     }
809
810     // Iterate over the ranges of the current interval...
811     for (LRIterator lrItr = li->begin(), lrEnd = li->end();
812          lrItr != lrEnd; ++lrItr) {
813
814       // Find the set of basic blocks which this range is live into...
815       if (lis->findLiveInMBBs(lrItr->start, lrItr->end,  liveInMBBs)) {
816         // And add the physreg for this interval to their live-in sets.
817         for (unsigned i = 0; i < liveInMBBs.size(); ++i) {
818           if (liveInMBBs[i] != entryMBB) {
819             if (!liveInMBBs[i]->isLiveIn(reg)) {
820               liveInMBBs[i]->addLiveIn(reg);
821             }
822           }
823         }
824         liveInMBBs.clear();
825       }
826     }
827   }
828
829 }
830
831 bool PBQPRegAlloc::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
832
833   mf = &MF;
834   tm = &mf->getTarget();
835   tri = tm->getRegisterInfo();
836   tii = tm->getInstrInfo();
837   mri = &mf->getRegInfo(); 
838
839   lis = &getAnalysis<LiveIntervals>();
840   lss = &getAnalysis<LiveStacks>();
841   loopInfo = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
842
843   vrm = &getAnalysis<VirtRegMap>();
844
845   DEBUG(dbgs() << "PBQP Register Allocating for " << mf->getFunction()->getName() << "\n");
846
847   // Allocator main loop:
848   //
849   // * Map current regalloc problem to a PBQP problem
850   // * Solve the PBQP problem
851   // * Map the solution back to a register allocation
852   // * Spill if necessary
853   //
854   // This process is continued till no more spills are generated.
855
856   // Find the vreg intervals in need of allocation.
857   findVRegIntervalsToAlloc();
858
859   // If there aren't any then we're done here.
860   if (vregIntervalsToAlloc.empty() && emptyVRegIntervals.empty())
861     return true;
862
863   // If there are non-empty intervals allocate them using pbqp.
864   if (!vregIntervalsToAlloc.empty()) {
865
866     bool pbqpAllocComplete = false;
867     unsigned round = 0;
868
869     while (!pbqpAllocComplete) {
870       DEBUG(dbgs() << "  PBQP Regalloc round " << round << ":\n");
871
872       PBQP::Graph problem = constructPBQPProblem();
873       PBQP::Solution solution =
874         PBQP::HeuristicSolver<PBQP::Heuristics::Briggs>::solve(problem);
875
876       pbqpAllocComplete = mapPBQPToRegAlloc(solution);
877
878       ++round;
879     }
880   }
881
882   // Finalise allocation, allocate empty ranges.
883   finalizeAlloc();
884
885   vregIntervalsToAlloc.clear();
886   emptyVRegIntervals.clear();
887   li2Node.clear();
888   node2LI.clear();
889   allowedSets.clear();
890   problemNodes.clear();
891
892   DEBUG(dbgs() << "Post alloc VirtRegMap:\n" << *vrm << "\n");
893
894   // Run rewriter
895   std::auto_ptr<VirtRegRewriter> rewriter(createVirtRegRewriter());
896
897   rewriter->runOnMachineFunction(*mf, *vrm, lis);
898
899   return true;
900 }
901
902 FunctionPass* llvm::createPBQPRegisterAllocator() {
903   return new PBQPRegAlloc();
904 }
905
906
907 #undef DEBUG_TYPE