Reformat the rst text.
[oota-llvm.git] / docs / Vectorizers.rst
1 ==========================
2 Auto-Vectorization in LLVM
3 ==========================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 LLVM has two vectorizers: The :ref:`Loop Vectorizer <loop-vectorizer>`,
9 which operates on Loops, and the :ref:`Basic Block Vectorizer
10 <bb-vectorizer>`, which optimizes straight-line code. These vectorizers
11 focus on different optimization opportunities and use different techniques.
12 The BB vectorizer merges multiple scalars that are found in the code into
13 vectors while the Loop Vectorizer widens instructions in the original loop
14 to operate on multiple consecutive loop iterations.
15
16 .. _loop-vectorizer:
17
18 The Loop Vectorizer
19 ===================
20
21 Usage
22 -----
23
24 LLVM's Loop Vectorizer is now available and will be useful for many people.
25 It is not enabled by default, but can be enabled through clang using the
26 command line flag:
27
28 .. code-block:: console
29
30    $ clang -fvectorize -O3 file.c
31
32 If the ``-fvectorize`` flag is used then the loop vectorizer will be enabled
33 when running with ``-O3``, ``-O2``. When ``-Os`` is used, the loop vectorizer
34 will only vectorize loops that do not require a major increase in code size.
35
36 We plan to enable the Loop Vectorizer by default as part of the LLVM 3.3 release.
37
38 Features
39 --------
40
41 The LLVM Loop Vectorizer has a number of features that allow it to vectorize
42 complex loops.
43
44 Loops with unknown trip count
45 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
46
47 The Loop Vectorizer supports loops with an unknown trip count.
48 In the loop below, the iteration ``start`` and ``finish`` points are unknown,
49 and the Loop Vectorizer has a mechanism to vectorize loops that do not start
50 at zero. In this example, 'n' may not be a multiple of the vector width, and
51 the vectorizer has to execute the last few iterations as scalar code. Keeping
52 a scalar copy of the loop increases the code size.
53
54 .. code-block:: c++
55
56   void bar(float *A, float* B, float K, int start, int end) {
57     for (int i = start; i < end; ++i)
58       A[i] *= B[i] + K;
59   }
60
61 Runtime Checks of Pointers
62 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
63
64 In the example below, if the pointers A and B point to consecutive addresses,
65 then it is illegal to vectorize the code because some elements of A will be
66 written before they are read from array B.
67
68 Some programmers use the 'restrict' keyword to notify the compiler that the
69 pointers are disjointed, but in our example, the Loop Vectorizer has no way of
70 knowing that the pointers A and B are unique. The Loop Vectorizer handles this
71 loop by placing code that checks, at runtime, if the arrays A and B point to
72 disjointed memory locations. If arrays A and B overlap, then the scalar version
73 of the loop is executed.
74
75 .. code-block:: c++
76
77   void bar(float *A, float* B, float K, int n) {
78     for (int i = 0; i < n; ++i)
79       A[i] *= B[i] + K;
80   }
81
82
83 Reductions
84 ^^^^^^^^^^
85
86 In this example the ``sum`` variable is used by consecutive iterations of
87 the loop. Normally, this would prevent vectorization, but the vectorizer can
88 detect that 'sum' is a reduction variable. The variable 'sum' becomes a vector
89 of integers, and at the end of the loop the elements of the array are added
90 together to create the correct result. We support a number of different
91 reduction operations, such as addition, multiplication, XOR, AND and OR.
92
93 .. code-block:: c++
94
95   int foo(int *A, int *B, int n) {
96     unsigned sum = 0;
97     for (int i = 0; i < n; ++i)
98       sum += A[i] + 5;
99     return sum;
100   }
101
102 Inductions
103 ^^^^^^^^^^
104
105 In this example the value of the induction variable ``i`` is saved into an
106 array. The Loop Vectorizer knows to vectorize induction variables.
107
108 .. code-block:: c++
109
110   void bar(float *A, float* B, float K, int n) {
111     for (int i = 0; i < n; ++i)
112       A[i] = i;
113   }
114
115 If Conversion
116 ^^^^^^^^^^^^^
117
118 The Loop Vectorizer is able to "flatten" the IF statement in the code and
119 generate a single stream of instructions. The Loop Vectorizer supports any
120 control flow in the innermost loop. The innermost loop may contain complex
121 nesting of IFs, ELSEs and even GOTOs.
122
123 .. code-block:: c++
124
125   int foo(int *A, int *B, int n) {
126     unsigned sum = 0;
127     for (int i = 0; i < n; ++i)
128       if (A[i] > B[i])
129         sum += A[i] + 5;
130     return sum;
131   }
132
133 Pointer Induction Variables
134 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
135
136 This example uses the "accumulate" function of the standard c++ library. This
137 loop uses C++ iterators, which are pointers, and not integer indices.
138 The Loop Vectorizer detects pointer induction variables and can vectorize
139 this loop. This feature is important because many C++ programs use iterators.
140
141 .. code-block:: c++
142
143   int baz(int *A, int n) {
144     return std::accumulate(A, A + n, 0);
145   }
146
147 Reverse Iterators
148 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
149
150 The Loop Vectorizer can vectorize loops that count backwards.
151
152 .. code-block:: c++
153
154   int foo(int *A, int *B, int n) {
155     for (int i = n; i > 0; --i)
156       A[i] +=1;
157   }
158
159 Scatter / Gather
160 ^^^^^^^^^^^^^^^^
161
162 The Loop Vectorizer can vectorize code that becomes a sequence of scalar instructions 
163 that scatter/gathers memory.
164
165 .. code-block:: c++
166
167   int foo(int *A, int *B, int n, int k) {
168     for (int i = 0; i < n; ++i)
169       A[i*7] += B[i*k];
170   }
171
172 Vectorization of Mixed Types
173 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
174
175 The Loop Vectorizer can vectorize programs with mixed types. The Vectorizer
176 cost model can estimate the cost of the type conversion and decide if
177 vectorization is profitable.
178
179 .. code-block:: c++
180
181   int foo(int *A, char *B, int n, int k) {
182     for (int i = 0; i < n; ++i)
183       A[i] += 4 * B[i];
184   }
185
186 Vectorization of function calls
187 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
188
189 The Loop Vectorize can vectorize intrinsic math functions.
190 See the table below for a list of these functions.
191
192 +-----+-----+---------+
193 | pow | exp |  exp2   |
194 +-----+-----+---------+
195 | sin | cos |  sqrt   |
196 +-----+-----+---------+
197 | log |log2 |  log10  |
198 +-----+-----+---------+
199 |fabs |floor|  ceil   |
200 +-----+-----+---------+
201 |fma  |trunc|nearbyint|
202 +-----+-----+---------+
203 |     |     | fmuladd |
204 +-----+-----+---------+
205
206
207 Partial unrolling during vectorization
208 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
209
210 Modern processors feature multiple execution units, and only programs that contain a
211 high degree of parallelism can fully utilize the entire width of the machine. 
212 The Loop Vectorizer increases the instruction level parallelism (ILP) by 
213 performing partial-unrolling of loops.
214
215 In the example below the entire array is accumulated into the variable 'sum'.
216 This is inefficient because only a single execution port can be used by the processor.
217 By unrolling the code the Loop Vectorizer allows two or more execution ports
218 to be used simultaneously.
219
220 .. code-block:: c++
221
222   int foo(int *A, int *B, int n) {
223     unsigned sum = 0;
224     for (int i = 0; i < n; ++i)
225         sum += A[i];
226     return sum;
227   }
228
229 At the moment the unrolling feature is not enabled by default and needs to be enabled
230 in opt or clang using the following flag:
231
232 .. code-block:: console
233
234   -force-vector-unroll=2 
235
236
237 Performance
238 -----------
239
240 This section shows the the execution time of Clang on a simple benchmark:
241 `gcc-loops <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/test-suite/trunk/SingleSource/UnitTests/Vectorizer/>`_.
242 This benchmarks is a collection of loops from the GCC autovectorization
243 `page <http://gcc.gnu.org/projects/tree-ssa/vectorization.html>`_ by Dorit Nuzman.
244
245 The chart below compares GCC-4.7, ICC-13, and Clang-SVN with and without loop vectorization at -O3, tuned for "corei7-avx", running on a Sandybridge iMac.
246 The Y-axis shows the time in msec. Lower is better. The last column shows the geomean of all the kernels.
247
248 .. image:: gcc-loops.png
249
250 .. _bb-vectorizer:
251
252 The Basic Block Vectorizer
253 ==========================
254
255 Usage
256 ------
257
258 The Basic Block Vectorizer is not enabled by default, but it can be enabled
259 through clang using the command line flag:
260
261 .. code-block:: console
262
263    $ clang -fslp-vectorize file.c
264
265 Details
266 -------
267
268 The goal of basic-block vectorization (a.k.a. superword-level parallelism) is
269 to combine similar independent instructions within simple control-flow regions
270 into vector instructions. Memory accesses, arithemetic operations, comparison
271 operations and some math functions can all be vectorized using this technique
272 (subject to the capabilities of the target architecture).
273
274 For example, the following function performs very similar operations on its
275 inputs (a1, b1) and (a2, b2). The basic-block vectorizer may combine these
276 into vector operations.
277
278 .. code-block:: c++
279
280   int foo(int a1, int a2, int b1, int b2) {
281     int r1 = a1*(a1 + b1)/b1 + 50*b1/a1;
282     int r2 = a2*(a2 + b2)/b2 + 50*b2/a2;
283     return r1 + r2;
284   }
285
286