lib/Target/X86/X86CallFrameOptimization.cpp

   1 //===----- X86CallFrameOptimization.cpp - Optimize x86 call sequences -----===//
   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 defines a pass that optimizes call sequences on x86.
  11 // Currently, it converts movs of function parameters onto the stack into
  12 // pushes. This is beneficial for two main reasons:
  13 // 1) The push instruction encoding is much smaller than an esp-relative mov
  14 // 2) It is possible to push memory arguments directly. So, if the
  15 //    the transformation is preformed pre-reg-alloc, it can help relieve
  16 //    register pressure.
  17 //
  18 //===----------------------------------------------------------------------===//
  19
  20 #include <algorithm>
  21
  22 #include "X86.h"
  23 #include "X86InstrInfo.h"
  24 #include "X86Subtarget.h"
  25 #include "X86MachineFunctionInfo.h"
  26 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  27 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.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/Debug.h"
  33 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  34 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  35
  36 using namespace llvm;
  37
  38 #define DEBUG_TYPE "x86-cf-opt"
  39
  40 static cl::opt<bool>
  41     NoX86CFOpt("no-x86-call-frame-opt",
  42                cl::desc("Avoid optimizing x86 call frames for size"),
  43                cl::init(false), cl::Hidden);
  44
  45 namespace {
  46 class X86CallFrameOptimization : public MachineFunctionPass {
  47 public:
  48   X86CallFrameOptimization() : MachineFunctionPass(ID) {}
  49
  50   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
  51
  52 private:
  53   // Information we know about a particular call site
  54   struct CallContext {
  55     CallContext()
  56         : FrameSetup(nullptr), Call(nullptr), SPCopy(nullptr), ExpectedDist(0),
  57           MovVector(4, nullptr), NoStackParams(false), UsePush(false){}
  58
  59     // Iterator referring to the frame setup instruction
  60     MachineBasicBlock::iterator FrameSetup;
  61
  62     // Actual call instruction
  63     MachineInstr *Call;
  64
  65     // A copy of the stack pointer
  66     MachineInstr *SPCopy;
  67
  68     // The total displacement of all passed parameters
  69     int64_t ExpectedDist;
  70
  71     // The sequence of movs used to pass the parameters
  72     SmallVector<MachineInstr *, 4> MovVector;
  73
  74     // True if this call site has no stack parameters
  75     bool NoStackParams;
  76
  77     // True of this callsite can use push instructions
  78     bool UsePush;
  79   };
  80
  81   typedef SmallVector<CallContext, 8> ContextVector;
  82
  83   bool isLegal(MachineFunction &MF);
  84
  85   bool isProfitable(MachineFunction &MF, ContextVector &CallSeqMap);
  86
  87   void collectCallInfo(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB,
  88                        MachineBasicBlock::iterator I, CallContext &Context);
  89
  90   bool adjustCallSequence(MachineFunction &MF, const CallContext &Context);
  91
  92   MachineInstr *canFoldIntoRegPush(MachineBasicBlock::iterator FrameSetup,
  93                                    unsigned Reg);
  94
  95   enum InstClassification { Convert, Skip, Exit };
  96
  97   InstClassification classifyInstruction(MachineBasicBlock &MBB,
  98                                          MachineBasicBlock::iterator MI,
  99                                          const X86RegisterInfo &RegInfo,
 100                                          DenseSet<unsigned int> &UsedRegs);
 101
 102   const char *getPassName() const override { return "X86 Optimize Call Frame"; }
 103
 104   const TargetInstrInfo *TII;
 105   const TargetFrameLowering *TFL;
 106   const MachineRegisterInfo *MRI;
 107   static char ID;
 108 };
 109
 110 char X86CallFrameOptimization::ID = 0;
 111 }
 112
 113 FunctionPass *llvm::createX86CallFrameOptimization() {
 114   return new X86CallFrameOptimization();
 115 }
 116
 117 // This checks whether the transformation is legal.
 118 // Also returns false in cases where it's potentially legal, but
 119 // we don't even want to try.
 120 bool X86CallFrameOptimization::isLegal(MachineFunction &MF) {
 121   if (NoX86CFOpt.getValue())
 122     return false;
 123
 124   // We currently only support call sequences where *all* parameters.
 125   // are passed on the stack.
 126   // No point in running this in 64-bit mode, since some arguments are
 127   // passed in-register in all common calling conventions, so the pattern
 128   // we're looking for will never match.
 129   const X86Subtarget &STI = MF.getSubtarget<X86Subtarget>();
 130   if (STI.is64Bit())
 131     return false;
 132
 133   // You would expect straight-line code between call-frame setup and
 134   // call-frame destroy. You would be wrong. There are circumstances (e.g.
 135   // CMOV_GR8 expansion of a select that feeds a function call!) where we can
 136   // end up with the setup and the destroy in different basic blocks.
 137   // This is bad, and breaks SP adjustment.
 138   // So, check that all of the frames in the function are closed inside
 139   // the same block, and, for good measure, that there are no nested frames.
 140   unsigned FrameSetupOpcode = TII->getCallFrameSetupOpcode();
 141   unsigned FrameDestroyOpcode = TII->getCallFrameDestroyOpcode();
 142   for (MachineBasicBlock &BB : MF) {
 143     bool InsideFrameSequence = false;
 144     for (MachineInstr &MI : BB) {
 145       if (MI.getOpcode() == FrameSetupOpcode) {
 146         if (InsideFrameSequence)
 147           return false;
 148         InsideFrameSequence = true;
 149       } else if (MI.getOpcode() == FrameDestroyOpcode) {
 150         if (!InsideFrameSequence)
 151           return false;
 152         InsideFrameSequence = false;
 153       }
 154     }
 155
 156     if (InsideFrameSequence)
 157       return false;
 158   }
 159
 160   return true;
 161 }
 162
 163 // Check whether this trasnformation is profitable for a particular
 164 // function - in terms of code size.
 165 bool X86CallFrameOptimization::isProfitable(MachineFunction &MF,
 166   ContextVector &CallSeqVector) {
 167   // This transformation is always a win when we do not expect to have
 168   // a reserved call frame. Under other circumstances, it may be either
 169   // a win or a loss, and requires a heuristic.
 170   bool CannotReserveFrame = MF.getFrameInfo()->hasVarSizedObjects();
 171   if (CannotReserveFrame)
 172     return true;
 173
 174   // Don't do this when not optimizing for size.
 175   if (!MF.getFunction()->optForSize())
 176     return false;
 177
 178   unsigned StackAlign = TFL->getStackAlignment();
 179
 180   int64_t Advantage = 0;
 181   for (auto CC : CallSeqVector) {
 182     // Call sites where no parameters are passed on the stack
 183     // do not affect the cost, since there needs to be no
 184     // stack adjustment.
 185     if (CC.NoStackParams)
 186       continue;
 187
 188     if (!CC.UsePush) {
 189       // If we don't use pushes for a particular call site,
 190       // we pay for not having a reserved call frame with an
 191       // additional sub/add esp pair. The cost is ~3 bytes per instruction,
 192       // depending on the size of the constant.
 193       // TODO: Callee-pop functions should have a smaller penalty, because
 194       // an add is needed even with a reserved call frame.
 195       Advantage -= 6;
 196     } else {
 197       // We can use pushes. First, account for the fixed costs.
 198       // We'll need a add after the call.
 199       Advantage -= 3;
 200       // If we have to realign the stack, we'll also need and sub before
 201       if (CC.ExpectedDist % StackAlign)
 202         Advantage -= 3;
 203       // Now, for each push, we save ~3 bytes. For small constants, we actually,
 204       // save more (up to 5 bytes), but 3 should be a good approximation.
 205       Advantage += (CC.ExpectedDist / 4) * 3;
 206     }
 207   }
 208
 209   return (Advantage >= 0);
 210 }
 211
 212 bool X86CallFrameOptimization::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 213   TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
 214   TFL = MF.getSubtarget().getFrameLowering();
 215   MRI = &MF.getRegInfo();
 216
 217   if (!isLegal(MF))
 218     return false;
 219
 220   unsigned FrameSetupOpcode = TII->getCallFrameSetupOpcode();
 221
 222   bool Changed = false;
 223
 224   ContextVector CallSeqVector;
 225
 226   for (MachineFunction::iterator BB = MF.begin(), E = MF.end(); BB != E; ++BB)
 227     for (MachineBasicBlock::iterator I = BB->begin(); I != BB->end(); ++I)
 228       if (I->getOpcode() == FrameSetupOpcode) {
 229         CallContext Context;
 230         collectCallInfo(MF, *BB, I, Context);
 231         CallSeqVector.push_back(Context);
 232       }
 233
 234   if (!isProfitable(MF, CallSeqVector))
 235     return false;
 236
 237   for (auto CC : CallSeqVector)
 238     if (CC.UsePush)
 239       Changed |= adjustCallSequence(MF, CC);
 240
 241   return Changed;
 242 }
 243
 244 X86CallFrameOptimization::InstClassification
 245 X86CallFrameOptimization::classifyInstruction(
 246     MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
 247     const X86RegisterInfo &RegInfo, DenseSet<unsigned int> &UsedRegs) {
 248   if (MI == MBB.end())
 249     return Exit;
 250
 251   // The instructions we actually care about are movs onto the stack
 252   int Opcode = MI->getOpcode();
 253   if (Opcode == X86::MOV32mi || Opcode == X86::MOV32mr)
 254     return Convert;
 255
 256   // Not all calling conventions have only stack MOVs between the stack
 257   // adjust and the call.
 258
 259   // We want to tolerate other instructions, to cover more cases.
 260   // In particular:
 261   // a) PCrel calls, where we expect an additional COPY of the basereg.
 262   // b) Passing frame-index addresses.
 263   // c) Calling conventions that have inreg parameters. These generate
 264   //    both copies and movs into registers.
 265   // To avoid creating lots of special cases, allow any instruction
 266   // that does not write into memory, does not def or use the stack
 267   // pointer, and does not def any register that was used by a preceding
 268   // push.
 269   // (Reading from memory is allowed, even if referenced through a
 270   // frame index, since these will get adjusted properly in PEI)
 271
 272   // The reason for the last condition is that the pushes can't replace
 273   // the movs in place, because the order must be reversed.
 274   // So if we have a MOV32mr that uses EDX, then an instruction that defs
 275   // EDX, and then the call, after the transformation the push will use
 276   // the modified version of EDX, and not the original one.
 277   // Since we are still in SSA form at this point, we only need to
 278   // make sure we don't clobber any *physical* registers that were
 279   // used by an earlier mov that will become a push.
 280
 281   if (MI->isCall() || MI->mayStore())
 282     return Exit;
 283
 284   for (const MachineOperand &MO : MI->operands()) {
 285     if (!MO.isReg())
 286       continue;
 287     unsigned int Reg = MO.getReg();
 288     if (!RegInfo.isPhysicalRegister(Reg))
 289       continue;
 290     if (RegInfo.regsOverlap(Reg, RegInfo.getStackRegister()))
 291       return Exit;
 292     if (MO.isDef()) {
 293       for (unsigned int U : UsedRegs)
 294         if (RegInfo.regsOverlap(Reg, U))
 295           return Exit;
 296     }
 297   }
 298
 299   return Skip;
 300 }
 301
 302 void X86CallFrameOptimization::collectCallInfo(MachineFunction &MF,
 303                                                MachineBasicBlock &MBB,
 304                                                MachineBasicBlock::iterator I,
 305                                                CallContext &Context) {
 306   // Check that this particular call sequence is amenable to the
 307   // transformation.
 308   const X86RegisterInfo &RegInfo = *static_cast<const X86RegisterInfo *>(
 309                                        MF.getSubtarget().getRegisterInfo());
 310   unsigned FrameDestroyOpcode = TII->getCallFrameDestroyOpcode();
 311
 312   // We expect to enter this at the beginning of a call sequence
 313   assert(I->getOpcode() == TII->getCallFrameSetupOpcode());
 314   MachineBasicBlock::iterator FrameSetup = I++;
 315   Context.FrameSetup = FrameSetup;
 316
 317   // How much do we adjust the stack? This puts an upper bound on
 318   // the number of parameters actually passed on it.
 319   unsigned int MaxAdjust = FrameSetup->getOperand(0).getImm() / 4;
 320
 321   // A zero adjustment means no stack parameters
 322   if (!MaxAdjust) {
 323     Context.NoStackParams = true;
 324     return;
 325   }
 326
 327   // For globals in PIC mode, we can have some LEAs here.
 328   // Ignore them, they don't bother us.
 329   // TODO: Extend this to something that covers more cases.
 330   while (I->getOpcode() == X86::LEA32r)
 331     ++I;
 332
 333   // We expect a copy instruction here.
 334   // TODO: The copy instruction is a lowering artifact.
 335   //       We should also support a copy-less version, where the stack
 336   //       pointer is used directly.
 337   if (!I->isCopy() || !I->getOperand(0).isReg())
 338     return;
 339   Context.SPCopy = I++;
 340
 341   unsigned StackPtr = Context.SPCopy->getOperand(0).getReg();
 342
 343   // Scan the call setup sequence for the pattern we're looking for.
 344   // We only handle a simple case - a sequence of MOV32mi or MOV32mr
 345   // instructions, that push a sequence of 32-bit values onto the stack, with
 346   // no gaps between them.
 347   if (MaxAdjust > 4)
 348     Context.MovVector.resize(MaxAdjust, nullptr);
 349
 350   InstClassification Classification;
 351   DenseSet<unsigned int> UsedRegs;
 352
 353   while ((Classification = classifyInstruction(MBB, I, RegInfo, UsedRegs)) !=
 354          Exit) {
 355     if (Classification == Skip) {
 356       ++I;
 357       continue;
 358     }
 359
 360     // We know the instruction is a MOV32mi/MOV32mr.
 361     // We only want movs of the form:
 362     // movl imm/r32, k(%esp)
 363     // If we run into something else, bail.
 364     // Note that AddrBaseReg may, counter to its name, not be a register,
 365     // but rather a frame index.
 366     // TODO: Support the fi case. This should probably work now that we
 367     // have the infrastructure to track the stack pointer within a call
 368     // sequence.
 369     if (!I->getOperand(X86::AddrBaseReg).isReg() ||
 370         (I->getOperand(X86::AddrBaseReg).getReg() != StackPtr) ||
 371         !I->getOperand(X86::AddrScaleAmt).isImm() ||
 372         (I->getOperand(X86::AddrScaleAmt).getImm() != 1) ||
 373         (I->getOperand(X86::AddrIndexReg).getReg() != X86::NoRegister) ||
 374         (I->getOperand(X86::AddrSegmentReg).getReg() != X86::NoRegister) ||
 375         !I->getOperand(X86::AddrDisp).isImm())
 376       return;
 377
 378     int64_t StackDisp = I->getOperand(X86::AddrDisp).getImm();
 379     assert(StackDisp >= 0 &&
 380            "Negative stack displacement when passing parameters");
 381
 382     // We really don't want to consider the unaligned case.
 383     if (StackDisp % 4)
 384       return;
 385     StackDisp /= 4;
 386
 387     assert((size_t)StackDisp < Context.MovVector.size() &&
 388            "Function call has more parameters than the stack is adjusted for.");
 389
 390     // If the same stack slot is being filled twice, something's fishy.
 391     if (Context.MovVector[StackDisp] != nullptr)
 392       return;
 393     Context.MovVector[StackDisp] = I;
 394
 395     for (const MachineOperand &MO : I->uses()) {
 396       if (!MO.isReg())
 397         continue;
 398       unsigned int Reg = MO.getReg();
 399       if (RegInfo.isPhysicalRegister(Reg))
 400         UsedRegs.insert(Reg);
 401     }
 402
 403     ++I;
 404   }
 405
 406   // We now expect the end of the sequence. If we stopped early,
 407   // or reached the end of the block without finding a call, bail.
 408   if (I == MBB.end() || !I->isCall())
 409     return;
 410
 411   Context.Call = I;
 412   if ((++I)->getOpcode() != FrameDestroyOpcode)
 413     return;
 414
 415   // Now, go through the vector, and see that we don't have any gaps,
 416   // but only a series of 32-bit MOVs.
 417   auto MMI = Context.MovVector.begin(), MME = Context.MovVector.end();
 418   for (; MMI != MME; ++MMI, Context.ExpectedDist += 4)
 419     if (*MMI == nullptr)
 420       break;
 421
 422   // If the call had no parameters, do nothing
 423   if (MMI == Context.MovVector.begin())
 424     return;
 425
 426   // We are either at the last parameter, or a gap.
 427   // Make sure it's not a gap
 428   for (; MMI != MME; ++MMI)
 429     if (*MMI != nullptr)
 430       return;
 431
 432   Context.UsePush = true;
 433   return;
 434 }
 435
 436 bool X86CallFrameOptimization::adjustCallSequence(MachineFunction &MF,
 437                                                   const CallContext &Context) {
 438   // Ok, we can in fact do the transformation for this call.
 439   // Do not remove the FrameSetup instruction, but adjust the parameters.
 440   // PEI will end up finalizing the handling of this.
 441   MachineBasicBlock::iterator FrameSetup = Context.FrameSetup;
 442   MachineBasicBlock &MBB = *(FrameSetup->getParent());
 443   FrameSetup->getOperand(1).setImm(Context.ExpectedDist);
 444
 445   DebugLoc DL = FrameSetup->getDebugLoc();
 446   // Now, iterate through the vector in reverse order, and replace the movs
 447   // with pushes. MOVmi/MOVmr doesn't have any defs, so no need to
 448   // replace uses.
 449   for (int Idx = (Context.ExpectedDist / 4) - 1; Idx >= 0; --Idx) {
 450     MachineBasicBlock::iterator MOV = *Context.MovVector[Idx];
 451     MachineOperand PushOp = MOV->getOperand(X86::AddrNumOperands);
 452     if (MOV->getOpcode() == X86::MOV32mi) {
 453       unsigned PushOpcode = X86::PUSHi32;
 454       // If the operand is a small (8-bit) immediate, we can use a
 455       // PUSH instruction with a shorter encoding.
 456       // Note that isImm() may fail even though this is a MOVmi, because
 457       // the operand can also be a symbol.
 458       if (PushOp.isImm()) {
 459         int64_t Val = PushOp.getImm();
 460         if (isInt<8>(Val))
 461           PushOpcode = X86::PUSH32i8;
 462       }
 463       BuildMI(MBB, Context.Call, DL, TII->get(PushOpcode)).addOperand(PushOp);
 464     } else {
 465       unsigned int Reg = PushOp.getReg();
 466
 467       // If PUSHrmm is not slow on this target, try to fold the source of the
 468       // push into the instruction.
 469       const X86Subtarget &ST = MF.getSubtarget<X86Subtarget>();
 470       bool SlowPUSHrmm = ST.isAtom() || ST.isSLM();
 471
 472       // Check that this is legal to fold. Right now, we're extremely
 473       // conservative about that.
 474       MachineInstr *DefMov = nullptr;
 475       if (!SlowPUSHrmm && (DefMov = canFoldIntoRegPush(FrameSetup, Reg))) {
 476         MachineInstr *Push =
 477             BuildMI(MBB, Context.Call, DL, TII->get(X86::PUSH32rmm));
 478
 479         unsigned NumOps = DefMov->getDesc().getNumOperands();
 480         for (unsigned i = NumOps - X86::AddrNumOperands; i != NumOps; ++i)
 481           Push->addOperand(DefMov->getOperand(i));
 482
 483         DefMov->eraseFromParent();
 484       } else {
 485         BuildMI(MBB, Context.Call, DL, TII->get(X86::PUSH32r))
 486             .addReg(Reg)
 487             .getInstr();
 488       }
 489     }
 490
 491     MBB.erase(MOV);
 492   }
 493
 494   // The stack-pointer copy is no longer used in the call sequences.
 495   // There should not be any other users, but we can't commit to that, so:
 496   if (MRI->use_empty(Context.SPCopy->getOperand(0).getReg()))
 497     Context.SPCopy->eraseFromParent();
 498
 499   // Once we've done this, we need to make sure PEI doesn't assume a reserved
 500   // frame.
 501   X86MachineFunctionInfo *FuncInfo = MF.getInfo<X86MachineFunctionInfo>();
 502   FuncInfo->setHasPushSequences(true);
 503
 504   return true;
 505 }
 506
 507 MachineInstr *X86CallFrameOptimization::canFoldIntoRegPush(
 508     MachineBasicBlock::iterator FrameSetup, unsigned Reg) {
 509   // Do an extremely restricted form of load folding.
 510   // ISel will often create patterns like:
 511   // movl    4(%edi), %eax
 512   // movl    8(%edi), %ecx
 513   // movl    12(%edi), %edx
 514   // movl    %edx, 8(%esp)
 515   // movl    %ecx, 4(%esp)
 516   // movl    %eax, (%esp)
 517   // call
 518   // Get rid of those with prejudice.
 519   if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 520     return nullptr;
 521
 522   // Make sure this is the only use of Reg.
 523   if (!MRI->hasOneNonDBGUse(Reg))
 524     return nullptr;
 525
 526   MachineBasicBlock::iterator DefMI = MRI->getVRegDef(Reg);
 527
 528   // Make sure the def is a MOV from memory.
 529   // If the def is an another block, give up.
 530   if (DefMI->getOpcode() != X86::MOV32rm ||
 531       DefMI->getParent() != FrameSetup->getParent())
 532     return nullptr;
 533
 534   // Make sure we don't have any instructions between DefMI and the
 535   // push that make folding the load illegal.
 536   for (auto I = DefMI; I != FrameSetup; ++I)
 537     if (I->isLoadFoldBarrier())
 538       return nullptr;
 539
 540   return DefMI;
 541 }