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