lib/CodeGen/VirtRegMap.cpp

   1 //===-- llvm/CodeGen/VirtRegMap.cpp - Virtual Register Map ----------------===//
   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 implements the VirtRegMap class.
  11 //
  12 // It also contains implementations of the Spiller interface, which, given a
  13 // virtual register map and a machine function, eliminates all virtual
  14 // references by replacing them with physical register references - adding spill
  15 // code as necessary.
  16 //
  17 //===----------------------------------------------------------------------===//
  18
  19 #include "llvm/CodeGen/VirtRegMap.h"
  20 #include "LiveDebugVariables.h"
  21 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  22 #include "llvm/ADT/SparseSet.h"
  23 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  24 #include "llvm/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.h"
  25 #include "llvm/CodeGen/LiveStackAnalysis.h"
  26 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
  27 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  28 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
  29 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  30 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  31 #include "llvm/IR/Function.h"
  32 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  33 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  34 #include "llvm/Support/Debug.h"
  35 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  36 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  37 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  38 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  39 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
  40 #include <algorithm>
  41 using namespace llvm;
  42
  43 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
  44
  45 STATISTIC(NumSpillSlots, "Number of spill slots allocated");
  46 STATISTIC(NumIdCopies,   "Number of identity moves eliminated after rewriting");
  47
  48 //===----------------------------------------------------------------------===//
  49 //  VirtRegMap implementation
  50 //===----------------------------------------------------------------------===//
  51
  52 char VirtRegMap::ID = 0;
  53
  54 INITIALIZE_PASS(VirtRegMap, "virtregmap", "Virtual Register Map", false, false)
  55
  56 bool VirtRegMap::runOnMachineFunction(MachineFunction &mf) {
  57   MRI = &mf.getRegInfo();
  58   TII = mf.getSubtarget().getInstrInfo();
  59   TRI = mf.getSubtarget().getRegisterInfo();
  60   MF = &mf;
  61
  62   Virt2PhysMap.clear();
  63   Virt2StackSlotMap.clear();
  64   Virt2SplitMap.clear();
  65
  66   grow();
  67   return false;
  68 }
  69
  70 void VirtRegMap::grow() {
  71   unsigned NumRegs = MF->getRegInfo().getNumVirtRegs();
  72   Virt2PhysMap.resize(NumRegs);
  73   Virt2StackSlotMap.resize(NumRegs);
  74   Virt2SplitMap.resize(NumRegs);
  75 }
  76
  77 unsigned VirtRegMap::createSpillSlot(const TargetRegisterClass *RC) {
  78   int SS = MF->getFrameInfo()->CreateSpillStackObject(RC->getSize(),
  79                                                       RC->getAlignment());
  80   ++NumSpillSlots;
  81   return SS;
  82 }
  83
  84 bool VirtRegMap::hasPreferredPhys(unsigned VirtReg) {
  85   unsigned Hint = MRI->getSimpleHint(VirtReg);
  86   if (!Hint)
  87     return 0;
  88   if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Hint))
  89     Hint = getPhys(Hint);
  90   return getPhys(VirtReg) == Hint;
  91 }
  92
  93 bool VirtRegMap::hasKnownPreference(unsigned VirtReg) {
  94   std::pair<unsigned, unsigned> Hint = MRI->getRegAllocationHint(VirtReg);
  95   if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Hint.second))
  96     return true;
  97   if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Hint.second))
  98     return hasPhys(Hint.second);
  99   return false;
 100 }
 101
 102 int VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(unsigned virtReg) {
 103   assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(virtReg));
 104   assert(Virt2StackSlotMap[virtReg] == NO_STACK_SLOT &&
 105          "attempt to assign stack slot to already spilled register");
 106   const TargetRegisterClass* RC = MF->getRegInfo().getRegClass(virtReg);
 107   return Virt2StackSlotMap[virtReg] = createSpillSlot(RC);
 108 }
 109
 110 void VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(unsigned virtReg, int SS) {
 111   assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(virtReg));
 112   assert(Virt2StackSlotMap[virtReg] == NO_STACK_SLOT &&
 113          "attempt to assign stack slot to already spilled register");
 114   assert((SS >= 0 ||
 115           (SS >= MF->getFrameInfo()->getObjectIndexBegin())) &&
 116          "illegal fixed frame index");
 117   Virt2StackSlotMap[virtReg] = SS;
 118 }
 119
 120 void VirtRegMap::print(raw_ostream &OS, const Module*) const {
 121   OS << "********** REGISTER MAP **********\n";
 122   for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
 123     unsigned Reg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
 124     if (Virt2PhysMap[Reg] != (unsigned)VirtRegMap::NO_PHYS_REG) {
 125       OS << '[' << PrintReg(Reg, TRI) << " -> "
 126          << PrintReg(Virt2PhysMap[Reg], TRI) << "] "
 127          << TRI->getRegClassName(MRI->getRegClass(Reg)) << "\n";
 128     }
 129   }
 130
 131   for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
 132     unsigned Reg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
 133     if (Virt2StackSlotMap[Reg] != VirtRegMap::NO_STACK_SLOT) {
 134       OS << '[' << PrintReg(Reg, TRI) << " -> fi#" << Virt2StackSlotMap[Reg]
 135          << "] " << TRI->getRegClassName(MRI->getRegClass(Reg)) << "\n";
 136     }
 137   }
 138   OS << '\n';
 139 }
 140
 141 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
 142 void VirtRegMap::dump() const {
 143   print(dbgs());
 144 }
 145 #endif
 146
 147 //===----------------------------------------------------------------------===//
 148 //                              VirtRegRewriter
 149 //===----------------------------------------------------------------------===//
 150 //
 151 // The VirtRegRewriter is the last of the register allocator passes.
 152 // It rewrites virtual registers to physical registers as specified in the
 153 // VirtRegMap analysis. It also updates live-in information on basic blocks
 154 // according to LiveIntervals.
 155 //
 156 namespace {
 157 class VirtRegRewriter : public MachineFunctionPass {
 158   MachineFunction *MF;
 159   const TargetMachine *TM;
 160   const TargetRegisterInfo *TRI;
 161   const TargetInstrInfo *TII;
 162   MachineRegisterInfo *MRI;
 163   SlotIndexes *Indexes;
 164   LiveIntervals *LIS;
 165   VirtRegMap *VRM;
 166   SparseSet<unsigned> PhysRegs;
 167
 168   void rewrite();
 169   void addMBBLiveIns();
 170 public:
 171   static char ID;
 172   VirtRegRewriter() : MachineFunctionPass(ID) {}
 173
 174   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
 175
 176   bool runOnMachineFunction(MachineFunction&) override;
 177 };
 178 } // end anonymous namespace
 179
 180 char &llvm::VirtRegRewriterID = VirtRegRewriter::ID;
 181
 182 INITIALIZE_PASS_BEGIN(VirtRegRewriter, "virtregrewriter",
 183                       "Virtual Register Rewriter", false, false)
 184 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(SlotIndexes)
 185 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveIntervals)
 186 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveDebugVariables)
 187 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveStacks)
 188 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(VirtRegMap)
 189 INITIALIZE_PASS_END(VirtRegRewriter, "virtregrewriter",
 190                     "Virtual Register Rewriter", false, false)
 191
 192 char VirtRegRewriter::ID = 0;
 193
 194 void VirtRegRewriter::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 195   AU.setPreservesCFG();
 196   AU.addRequired<LiveIntervals>();
 197   AU.addRequired<SlotIndexes>();
 198   AU.addPreserved<SlotIndexes>();
 199   AU.addRequired<LiveDebugVariables>();
 200   AU.addRequired<LiveStacks>();
 201   AU.addPreserved<LiveStacks>();
 202   AU.addRequired<VirtRegMap>();
 203   MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 204 }
 205
 206 bool VirtRegRewriter::runOnMachineFunction(MachineFunction &fn) {
 207   MF = &fn;
 208   TM = &MF->getTarget();
 209   TRI = MF->getSubtarget().getRegisterInfo();
 210   TII = MF->getSubtarget().getInstrInfo();
 211   MRI = &MF->getRegInfo();
 212   Indexes = &getAnalysis<SlotIndexes>();
 213   LIS = &getAnalysis<LiveIntervals>();
 214   VRM = &getAnalysis<VirtRegMap>();
 215   DEBUG(dbgs() << "********** REWRITE VIRTUAL REGISTERS **********\n"
 216                << "********** Function: "
 217                << MF->getName() << '\n');
 218   DEBUG(VRM->dump());
 219
 220   // Add kill flags while we still have virtual registers.
 221   LIS->addKillFlags(VRM);
 222
 223   // Live-in lists on basic blocks are required for physregs.
 224   addMBBLiveIns();
 225
 226   // Rewrite virtual registers.
 227   rewrite();
 228
 229   // Write out new DBG_VALUE instructions.
 230   getAnalysis<LiveDebugVariables>().emitDebugValues(VRM);
 231
 232   // All machine operands and other references to virtual registers have been
 233   // replaced. Remove the virtual registers and release all the transient data.
 234   VRM->clearAllVirt();
 235   MRI->clearVirtRegs();
 236   return true;
 237 }
 238
 239 // Compute MBB live-in lists from virtual register live ranges and their
 240 // assignments.
 241 void VirtRegRewriter::addMBBLiveIns() {
 242   SmallVector<MachineBasicBlock*, 16> LiveIn;
 243   for (unsigned Idx = 0, IdxE = MRI->getNumVirtRegs(); Idx != IdxE; ++Idx) {
 244     unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(Idx);
 245     if (MRI->reg_nodbg_empty(VirtReg))
 246       continue;
 247     LiveInterval &LI = LIS->getInterval(VirtReg);
 248     if (LI.empty() || LIS->intervalIsInOneMBB(LI))
 249       continue;
 250     // This is a virtual register that is live across basic blocks. Its
 251     // assigned PhysReg must be marked as live-in to those blocks.
 252     unsigned PhysReg = VRM->getPhys(VirtReg);
 253     assert(PhysReg != VirtRegMap::NO_PHYS_REG && "Unmapped virtual register.");
 254
 255     if (LI.hasSubRanges()) {
 256       for (LiveInterval::subrange_iterator S = LI.subrange_begin(),
 257            SE = LI.subrange_end(); S != SE; ++S) {
 258         for (const auto &Seg : S->segments) {
 259           if (!Indexes->findLiveInMBBs(Seg.start, Seg.end, LiveIn))
 260             continue;
 261           for (MCSubRegIndexIterator SR(PhysReg, TRI); SR.isValid(); ++SR) {
 262             unsigned SubReg = SR.getSubReg();
 263             unsigned SubRegIndex = SR.getSubRegIndex();
 264             unsigned SubRegLaneMask = TRI->getSubRegIndexLaneMask(SubRegIndex);
 265             if ((SubRegLaneMask & S->LaneMask) == 0)
 266               continue;
 267             for (unsigned i = 0, e = LiveIn.size(); i != e; ++i) {
 268               if (!LiveIn[i]->isLiveIn(SubReg))
 269                 LiveIn[i]->addLiveIn(SubReg);
 270             }
 271           }
 272           LiveIn.clear();
 273         }
 274       }
 275     } else {
 276       // Scan the segments of LI.
 277       for (const auto &Seg : LI.segments) {
 278         if (!Indexes->findLiveInMBBs(Seg.start, Seg.end, LiveIn))
 279           continue;
 280         for (unsigned i = 0, e = LiveIn.size(); i != e; ++i)
 281           if (!LiveIn[i]->isLiveIn(PhysReg))
 282             LiveIn[i]->addLiveIn(PhysReg);
 283         LiveIn.clear();
 284       }
 285     }
 286   }
 287 }
 288
 289 void VirtRegRewriter::rewrite() {
 290   bool NoSubRegLiveness = !MRI->tracksSubRegLiveness();
 291   SmallVector<unsigned, 8> SuperDeads;
 292   SmallVector<unsigned, 8> SuperDefs;
 293   SmallVector<unsigned, 8> SuperKills;
 294   SmallPtrSet<const MachineInstr *, 4> NoReturnInsts;
 295
 296   // Here we have a SparseSet to hold which PhysRegs are actually encountered
 297   // in the MF we are about to iterate over so that later when we call
 298   // setPhysRegUsed, we are only doing it for physRegs that were actually found
 299   // in the program and not for all of the possible physRegs for the given
 300   // target architecture. If the target has a lot of physRegs, then for a small
 301   // program there will be a significant compile time reduction here.
 302   PhysRegs.clear();
 303   PhysRegs.setUniverse(TRI->getNumRegs());
 304
 305   // The function with uwtable should guarantee that the stack unwinder
 306   // can unwind the stack to the previous frame.  Thus, we can't apply the
 307   // noreturn optimization if the caller function has uwtable attribute.
 308   bool HasUWTable = MF->getFunction()->hasFnAttribute(Attribute::UWTable);
 309
 310   for (MachineFunction::iterator MBBI = MF->begin(), MBBE = MF->end();
 311        MBBI != MBBE; ++MBBI) {
 312     DEBUG(MBBI->print(dbgs(), Indexes));
 313     bool IsExitBB = MBBI->succ_empty();
 314     for (MachineBasicBlock::instr_iterator
 315            MII = MBBI->instr_begin(), MIE = MBBI->instr_end(); MII != MIE;) {
 316       MachineInstr *MI = MII;
 317       ++MII;
 318
 319       // Check if this instruction is a call to a noreturn function.  If this
 320       // is a call to noreturn function and we don't need the stack unwinding
 321       // functionality (i.e. this function does not have uwtable attribute and
 322       // the callee function has the nounwind attribute), then we can ignore
 323       // the definitions set by this instruction.
 324       if (!HasUWTable && IsExitBB && MI->isCall()) {
 325         for (MachineInstr::mop_iterator MOI = MI->operands_begin(),
 326                MOE = MI->operands_end(); MOI != MOE; ++MOI) {
 327           MachineOperand &MO = *MOI;
 328           if (!MO.isGlobal())
 329             continue;
 330           const Function *Func = dyn_cast<Function>(MO.getGlobal());
 331           if (!Func || !Func->hasFnAttribute(Attribute::NoReturn) ||
 332               // We need to keep correct unwind information
 333               // even if the function will not return, since the
 334               // runtime may need it.
 335               !Func->hasFnAttribute(Attribute::NoUnwind))
 336             continue;
 337           NoReturnInsts.insert(MI);
 338           break;
 339         }
 340       }
 341
 342       for (MachineInstr::mop_iterator MOI = MI->operands_begin(),
 343            MOE = MI->operands_end(); MOI != MOE; ++MOI) {
 344         MachineOperand &MO = *MOI;
 345
 346         // Make sure MRI knows about registers clobbered by regmasks.
 347         if (MO.isRegMask())
 348           MRI->addPhysRegsUsedFromRegMask(MO.getRegMask());
 349
 350         // If we encounter a VirtReg or PhysReg then get at the PhysReg and add
 351         // it to the physreg bitset.  Later we use only the PhysRegs that were
 352         // actually encountered in the MF to populate the MRI's used physregs.
 353         if (MO.isReg() && MO.getReg())
 354           PhysRegs.insert(
 355               TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()) ?
 356               VRM->getPhys(MO.getReg()) :
 357               MO.getReg());
 358
 359         if (!MO.isReg() || !TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
 360           continue;
 361         unsigned VirtReg = MO.getReg();
 362         unsigned PhysReg = VRM->getPhys(VirtReg);
 363         assert(PhysReg != VirtRegMap::NO_PHYS_REG &&
 364                "Instruction uses unmapped VirtReg");
 365         assert(!MRI->isReserved(PhysReg) && "Reserved register assignment");
 366
 367         // Preserve semantics of sub-register operands.
 368         if (MO.getSubReg()) {
 369           // A virtual register kill refers to the whole register, so we may
 370           // have to add <imp-use,kill> operands for the super-register.  A
 371           // partial redef always kills and redefines the super-register.
 372           if (NoSubRegLiveness && MO.readsReg()
 373               && (MO.isDef() || MO.isKill()))
 374             SuperKills.push_back(PhysReg);
 375
 376           if (MO.isDef()) {
 377             // The <def,undef> flag only makes sense for sub-register defs, and
 378             // we are substituting a full physreg.  An <imp-use,kill> operand
 379             // from the SuperKills list will represent the partial read of the
 380             // super-register.
 381             MO.setIsUndef(false);
 382
 383             // Also add implicit defs for the super-register.
 384             if (NoSubRegLiveness) {
 385               if (MO.isDead())
 386                 SuperDeads.push_back(PhysReg);
 387               else
 388                 SuperDefs.push_back(PhysReg);
 389             }
 390           }
 391
 392           // PhysReg operands cannot have subregister indexes.
 393           PhysReg = TRI->getSubReg(PhysReg, MO.getSubReg());
 394           assert(PhysReg && "Invalid SubReg for physical register");
 395           MO.setSubReg(0);
 396         }
 397         // Rewrite. Note we could have used MachineOperand::substPhysReg(), but
 398         // we need the inlining here.
 399         MO.setReg(PhysReg);
 400       }
 401
 402       // Add any missing super-register kills after rewriting the whole
 403       // instruction.
 404       while (!SuperKills.empty())
 405         MI->addRegisterKilled(SuperKills.pop_back_val(), TRI, true);
 406
 407       while (!SuperDeads.empty())
 408         MI->addRegisterDead(SuperDeads.pop_back_val(), TRI, true);
 409
 410       while (!SuperDefs.empty())
 411         MI->addRegisterDefined(SuperDefs.pop_back_val(), TRI);
 412
 413       DEBUG(dbgs() << "> " << *MI);
 414
 415       // Finally, remove any identity copies.
 416       if (MI->isIdentityCopy()) {
 417         ++NumIdCopies;
 418         if (MI->getNumOperands() == 2) {
 419           DEBUG(dbgs() << "Deleting identity copy.\n");
 420           if (Indexes)
 421             Indexes->removeMachineInstrFromMaps(MI);
 422           // It's safe to erase MI because MII has already been incremented.
 423           MI->eraseFromParent();
 424         } else {
 425           // Transform identity copy to a KILL to deal with subregisters.
 426           MI->setDesc(TII->get(TargetOpcode::KILL));
 427           DEBUG(dbgs() << "Identity copy: " << *MI);
 428         }
 429       }
 430     }
 431   }
 432
 433   // Tell MRI about physical registers in use.
 434   if (NoReturnInsts.empty()) {
 435     for (SparseSet<unsigned>::iterator
 436         RegI = PhysRegs.begin(), E = PhysRegs.end(); RegI != E; ++RegI)
 437       if (!MRI->reg_nodbg_empty(*RegI))
 438         MRI->setPhysRegUsed(*RegI);
 439   } else {
 440     for (SparseSet<unsigned>::iterator
 441         I = PhysRegs.begin(), E = PhysRegs.end(); I != E; ++I) {
 442       unsigned Reg = *I;
 443       if (MRI->reg_nodbg_empty(Reg))
 444         continue;
 445       // Check if this register has a use that will impact the rest of the
 446       // code. Uses in debug and noreturn instructions do not impact the
 447       // generated code.
 448       for (MachineInstr &It : MRI->reg_nodbg_instructions(Reg)) {
 449         if (!NoReturnInsts.count(&It)) {
 450           MRI->setPhysRegUsed(Reg);
 451           break;
 452         }
 453       }
 454     }
 455   }
 456 }
 457