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[oota-llvm.git] / docs / Vectorizers.rst
index b4c5458953b37a5dbb437811c16e2bc801bfe760..65c19aa2bc0cbfa4f7c0c9f88a91c2b2779a7368 100644 (file)
@@ -6,12 +6,14 @@ Auto-Vectorization in LLVM
    :local:
 
 LLVM has two vectorizers: The :ref:`Loop Vectorizer <loop-vectorizer>`,
    :local:
 
 LLVM has two vectorizers: The :ref:`Loop Vectorizer <loop-vectorizer>`,
-which operates on Loops, and the :ref:`Basic Block Vectorizer
-<bb-vectorizer>`, which optimizes straight-line code. These vectorizers
+which operates on Loops, and the :ref:`SLP Vectorizer
+<slp-vectorizer>`. These vectorizers
 focus on different optimization opportunities and use different techniques.
 focus on different optimization opportunities and use different techniques.
-The BB vectorizer merges multiple scalars that are found in the code into
-vectors while the Loop Vectorizer widens instructions in the original loop
-to operate on multiple consecutive loop iterations.
+The SLP vectorizer merges multiple scalars that are found in the code into
+vectors while the Loop Vectorizer widens instructions in loops
+to operate on multiple consecutive iterations.
+
+Both the Loop Vectorizer and the SLP Vectorizer are enabled by default.
 
 .. _loop-vectorizer:
 
 
 .. _loop-vectorizer:
 
@@ -21,19 +23,116 @@ The Loop Vectorizer
 Usage
 -----
 
 Usage
 -----
 
-LLVM's Loop Vectorizer is now available and will be useful for many people.
-It is not enabled by default, but can be enabled through clang using the
-command line flag:
+The Loop Vectorizer is enabled by default, but it can be disabled
+through clang using the command line flag:
+
+.. code-block:: console
+
+   $ clang ... -fno-vectorize  file.c
+
+Command line flags
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+
+The loop vectorizer uses a cost model to decide on the optimal vectorization factor
+and unroll factor. However, users of the vectorizer can force the vectorizer to use
+specific values. Both 'clang' and 'opt' support the flags below.
+
+Users can control the vectorization SIMD width using the command line flag "-force-vector-width".
+
+.. code-block:: console
+
+  $ clang  -mllvm -force-vector-width=8 ...
+  $ opt -loop-vectorize -force-vector-width=8 ...
+
+Users can control the unroll factor using the command line flag "-force-vector-unroll"
+
+.. code-block:: console
+
+  $ clang  -mllvm -force-vector-unroll=2 ...
+  $ opt -loop-vectorize -force-vector-unroll=2 ...
+
+Pragma loop hint directives
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+
+The ``#pragma clang loop`` directive allows loop vectorization hints to be
+specified for the subsequent for, while, do-while, or c++11 range-based for
+loop. The directive allows vectorization and interleaving to be enabled or
+disabled. Vector width as well as interleave count can also be manually
+specified. The following example explicitly enables vectorization and
+interleaving:
+
+.. code-block:: c++
+
+  #pragma clang loop vectorize(enable) interleave(enable)
+  while(...) {
+    ...
+  }
+
+The following example implicitly enables vectorization and interleaving by
+specifying a vector width and interleaving count:
+
+.. code-block:: c++
+
+  #pragma clang loop vectorize_width(2) interleave_count(2)
+  for(...) {
+    ...
+  }
+
+See the Clang
+`language extensions
+<http://clang.llvm.org/docs/LanguageExtensions.html#extensions-for-loop-hint-optimizations>`_
+for details.
+
+Diagnostics
+-----------
+
+Many loops cannot be vectorized including loops with complicated control flow,
+unvectorizable types, and unvectorizable calls. The loop vectorizer generates
+optimization remarks which can be queried using command line options to identify
+and diagnose loops that are skipped by the loop-vectorizer.
+
+Optimization remarks are enabled using:
+
+``-Rpass=loop-vectorize`` identifies loops that were successfully vectorized.
+
+``-Rpass-missed=loop-vectorize`` identifies loops that failed vectorization and
+indicates if vectorization was specified.
+
+``-Rpass-analysis=loop-vectorize`` identifies the statements that caused
+vectorization to fail.
+
+Consider the following loop:
+
+.. code-block:: c++
+
+  #pragma clang loop vectorize(enable)
+  for (int i = 0; i < Length; i++) {
+    switch(A[i]) {
+    case 0: A[i] = i*2; break;
+    case 1: A[i] = i;   break;
+    default: A[i] = 0;
+    }
+  }
+
+The command line ``-Rpass-missed=loop-vectorized`` prints the remark:
 
 .. code-block:: console
 
 
 .. code-block:: console
 
-   $ clang -fvectorize -O3 file.c
+  no_switch.cpp:4:5: remark: loop not vectorized: vectorization is explicitly enabled [-Rpass-missed=loop-vectorize]
 
 
-If the ``-fvectorize`` flag is used then the loop vectorizer will be enabled
-when running with ``-O3``, ``-O2``. When ``-Os`` is used, the loop vectorizer
-will only vectorize loops that do not require a major increase in code size.
+And the command line ``-Rpass-analysis=loop-vectorize`` indicates that the
+switch statement cannot be vectorized.
 
 
-We plan to enable the Loop Vectorizer by default as part of the LLVM 3.3 release.
+.. code-block:: console
+
+  no_switch.cpp:4:5: remark: loop not vectorized: loop contains a switch statement [-Rpass-analysis=loop-vectorize]
+    switch(A[i]) {
+    ^
+
+To ensure line and column numbers are produced include the command line options
+``-gline-tables-only`` and ``-gcolumn-info``. See the Clang `user manual
+<http://clang.llvm.org/docs/UsersManual.html#options-to-emit-optimization-reports>`_
+for details
 
 Features
 --------
 
 Features
 --------
@@ -99,6 +198,8 @@ reduction operations, such as addition, multiplication, XOR, AND and OR.
     return sum;
   }
 
     return sum;
   }
 
+We support floating point reduction operations when `-ffast-math` is used.
+
 Inductions
 ^^^^^^^^^^
 
 Inductions
 ^^^^^^^^^^
 
@@ -164,11 +265,14 @@ that scatter/gathers memory.
 
 .. code-block:: c++
 
 
 .. code-block:: c++
 
-  int foo(int *A, int *B, int n, int k) {
-    for (int i = 0; i < n; ++i)
-      A[i*7] += B[i*k];
+  int foo(int * A, int * B, int n) {
+    for (intptr_t i = 0; i < n; ++i)
+        A[i] += B[i * 4];
   }
 
   }
 
+In many situations the cost model will inform LLVM that this is not beneficial
+and LLVM will only vectorize such code if forced with "-mllvm -force-vector-width=#".
+
 Vectorization of Mixed Types
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 
 Vectorization of Mixed Types
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 
@@ -183,6 +287,25 @@ vectorization is profitable.
       A[i] += 4 * B[i];
   }
 
       A[i] += 4 * B[i];
   }
 
+Global Structures Alias Analysis
+^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
+
+Access to global structures can also be vectorized, with alias analysis being
+used to make sure accesses don't alias. Run-time checks can also be added on
+pointer access to structure members.
+
+Many variations are supported, but some that rely on undefined behaviour being
+ignored (as other compilers do) are still being left un-vectorized.
+
+.. code-block:: c++
+
+  struct { int A[100], K, B[100]; } Foo;
+
+  int foo() {
+    for (int i = 0; i < 100; ++i)
+      Foo.A[i] = Foo.B[i] + 100;
+  }
+
 Vectorization of function calls
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 
 Vectorization of function calls
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 
@@ -203,20 +326,30 @@ See the table below for a list of these functions.
 |     |     | fmuladd |
 +-----+-----+---------+
 
 |     |     | fmuladd |
 +-----+-----+---------+
 
+The loop vectorizer knows about special instructions on the target and will
+vectorize a loop containing a function call that maps to the instructions. For
+example, the loop below will be vectorized on Intel x86 if the SSE4.1 roundps
+instruction is available.
+
+.. code-block:: c++
+
+  void foo(float *f) {
+    for (int i = 0; i != 1024; ++i)
+      f[i] = floorf(f[i]);
+  }
 
 Partial unrolling during vectorization
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 
 Modern processors feature multiple execution units, and only programs that contain a
 
 Partial unrolling during vectorization
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 
 Modern processors feature multiple execution units, and only programs that contain a
-high degree of parallelism can fully utilize the entire width of the machine.
-
+high degree of parallelism can fully utilize the entire width of the machine. 
 The Loop Vectorizer increases the instruction level parallelism (ILP) by 
 performing partial-unrolling of loops.
 
 In the example below the entire array is accumulated into the variable 'sum'.
 The Loop Vectorizer increases the instruction level parallelism (ILP) by 
 performing partial-unrolling of loops.
 
 In the example below the entire array is accumulated into the variable 'sum'.
-This is inefficient because only a single 'adder' can be used by the processor.
+This is inefficient because only a single execution port can be used by the processor.
 By unrolling the code the Loop Vectorizer allows two or more execution ports
 By unrolling the code the Loop Vectorizer allows two or more execution ports
-to be used.
+to be used simultaneously.
 
 .. code-block:: c++
 
 
 .. code-block:: c++
 
@@ -227,18 +360,13 @@ to be used.
     return sum;
   }
 
     return sum;
   }
 
-At the moment the unrolling feature is not enabled by default and needs to be enabled
-in opt or clang using the following flag:
-
-.. code-block:: console
-
-  -force-vector-unroll=2 
-
+The Loop Vectorizer uses a cost model to decide when it is profitable to unroll loops.
+The decision to unroll the loop depends on the register pressure and the generated code size. 
 
 Performance
 -----------
 
 
 Performance
 -----------
 
-This section shows the the execution time of Clang on a simple benchmark:
+This section shows the execution time of Clang on a simple benchmark:
 `gcc-loops <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/test-suite/trunk/SingleSource/UnitTests/Vectorizer/>`_.
 This benchmarks is a collection of loops from the GCC autovectorization
 `page <http://gcc.gnu.org/projects/tree-ssa/vectorization.html>`_ by Dorit Nuzman.
 `gcc-loops <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/test-suite/trunk/SingleSource/UnitTests/Vectorizer/>`_.
 This benchmarks is a collection of loops from the GCC autovectorization
 `page <http://gcc.gnu.org/projects/tree-ssa/vectorization.html>`_ by Dorit Nuzman.
@@ -248,29 +376,22 @@ The Y-axis shows the time in msec. Lower is better. The last column shows the ge
 
 .. image:: gcc-loops.png
 
 
 .. image:: gcc-loops.png
 
-.. _bb-vectorizer:
-
-The Basic Block Vectorizer
-==========================
-
-Usage
-------
+And Linpack-pc with the same configuration. Result is Mflops, higher is better.
 
 
-The Basic Block Vectorizer is not enabled by default, but it can be enabled
-through clang using the command line flag:
+.. image:: linpack-pc.png
 
 
-.. code-block:: console
+.. _slp-vectorizer:
 
 
-   $ clang -fslp-vectorize file.c
+The SLP Vectorizer
+==================
 
 Details
 -------
 
 
 Details
 -------
 
-The goal of basic-block vectorization (a.k.a. superword-level parallelism) is
-to combine similar independent instructions within simple control-flow regions
-into vector instructions. Memory accesses, arithemetic operations, comparison
-operations and some math functions can all be vectorized using this technique
-(subject to the capabilities of the target architecture).
+The goal of SLP vectorization (a.k.a. superword-level parallelism) is
+to combine similar independent instructions
+into vector instructions. Memory accesses, arithmetic operations, comparison
+operations, PHI-nodes, can all be vectorized using this technique.
 
 For example, the following function performs very similar operations on its
 inputs (a1, b1) and (a2, b2). The basic-block vectorizer may combine these
 
 For example, the following function performs very similar operations on its
 inputs (a1, b1) and (a2, b2). The basic-block vectorizer may combine these
@@ -278,10 +399,28 @@ into vector operations.
 
 .. code-block:: c++
 
 
 .. code-block:: c++
 
-  int foo(int a1, int a2, int b1, int b2) {
-    int r1 = a1*(a1 + b1)/b1 + 50*b1/a1;
-    int r2 = a2*(a2 + b2)/b2 + 50*b2/a2;
-    return r1 + r2;
+  void foo(int a1, int a2, int b1, int b2, int *A) {
+    A[0] = a1*(a1 + b1)/b1 + 50*b1/a1;
+    A[1] = a2*(a2 + b2)/b2 + 50*b2/a2;
   }
 
   }
 
+The SLP-vectorizer processes the code bottom-up, across basic blocks, in search of scalars to combine.
+
+Usage
+------
+
+The SLP Vectorizer is enabled by default, but it can be disabled
+through clang using the command line flag:
+
+.. code-block:: console
+
+   $ clang -fno-slp-vectorize file.c
+
+LLVM has a second basic block vectorization phase
+which is more compile-time intensive (The BB vectorizer). This optimization
+can be enabled through clang using the command line flag:
+
+.. code-block:: console
+
+   $ clang -fslp-vectorize-aggressive file.c