Add global structure vectorization to docs
[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 Command line flags
39 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
40
41 The loop vectorizer uses a cost model to decide on the optimal vectorization factor
42 and unroll factor. However, users of the vectorizer can force the vectorizer to use
43 specific values. Both 'clang' and 'opt' support the flags below.
44
45 Users can control the vectorization SIMD width using the command line flag "-force-vector-width".
46
47 .. code-block:: console
48
49   $ clang  -mllvm -force-vector-width=8 ...
50   $ opt -loop-vectorize -force-vector-width=8 ...
51
52 Users can control the unroll factor using the command line flag "-force-vector-unroll"
53
54 .. code-block:: console
55
56   $ clang  -mllvm -force-vector-unroll=2 ...
57   $ opt -loop-vectorize -force-vector-unroll=2 ...
58
59 Features
60 --------
61
62 The LLVM Loop Vectorizer has a number of features that allow it to vectorize
63 complex loops.
64
65 Loops with unknown trip count
66 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
67
68 The Loop Vectorizer supports loops with an unknown trip count.
69 In the loop below, the iteration ``start`` and ``finish`` points are unknown,
70 and the Loop Vectorizer has a mechanism to vectorize loops that do not start
71 at zero. In this example, 'n' may not be a multiple of the vector width, and
72 the vectorizer has to execute the last few iterations as scalar code. Keeping
73 a scalar copy of the loop increases the code size.
74
75 .. code-block:: c++
76
77   void bar(float *A, float* B, float K, int start, int end) {
78     for (int i = start; i < end; ++i)
79       A[i] *= B[i] + K;
80   }
81
82 Runtime Checks of Pointers
83 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
84
85 In the example below, if the pointers A and B point to consecutive addresses,
86 then it is illegal to vectorize the code because some elements of A will be
87 written before they are read from array B.
88
89 Some programmers use the 'restrict' keyword to notify the compiler that the
90 pointers are disjointed, but in our example, the Loop Vectorizer has no way of
91 knowing that the pointers A and B are unique. The Loop Vectorizer handles this
92 loop by placing code that checks, at runtime, if the arrays A and B point to
93 disjointed memory locations. If arrays A and B overlap, then the scalar version
94 of the loop is executed.
95
96 .. code-block:: c++
97
98   void bar(float *A, float* B, float K, int n) {
99     for (int i = 0; i < n; ++i)
100       A[i] *= B[i] + K;
101   }
102
103
104 Reductions
105 ^^^^^^^^^^
106
107 In this example the ``sum`` variable is used by consecutive iterations of
108 the loop. Normally, this would prevent vectorization, but the vectorizer can
109 detect that 'sum' is a reduction variable. The variable 'sum' becomes a vector
110 of integers, and at the end of the loop the elements of the array are added
111 together to create the correct result. We support a number of different
112 reduction operations, such as addition, multiplication, XOR, AND and OR.
113
114 .. code-block:: c++
115
116   int foo(int *A, int *B, int n) {
117     unsigned sum = 0;
118     for (int i = 0; i < n; ++i)
119       sum += A[i] + 5;
120     return sum;
121   }
122
123 We support floating point reduction operations when `-ffast-math` is used.
124
125 Inductions
126 ^^^^^^^^^^
127
128 In this example the value of the induction variable ``i`` is saved into an
129 array. The Loop Vectorizer knows to vectorize induction variables.
130
131 .. code-block:: c++
132
133   void bar(float *A, float* B, float K, int n) {
134     for (int i = 0; i < n; ++i)
135       A[i] = i;
136   }
137
138 If Conversion
139 ^^^^^^^^^^^^^
140
141 The Loop Vectorizer is able to "flatten" the IF statement in the code and
142 generate a single stream of instructions. The Loop Vectorizer supports any
143 control flow in the innermost loop. The innermost loop may contain complex
144 nesting of IFs, ELSEs and even GOTOs.
145
146 .. code-block:: c++
147
148   int foo(int *A, int *B, int n) {
149     unsigned sum = 0;
150     for (int i = 0; i < n; ++i)
151       if (A[i] > B[i])
152         sum += A[i] + 5;
153     return sum;
154   }
155
156 Pointer Induction Variables
157 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
158
159 This example uses the "accumulate" function of the standard c++ library. This
160 loop uses C++ iterators, which are pointers, and not integer indices.
161 The Loop Vectorizer detects pointer induction variables and can vectorize
162 this loop. This feature is important because many C++ programs use iterators.
163
164 .. code-block:: c++
165
166   int baz(int *A, int n) {
167     return std::accumulate(A, A + n, 0);
168   }
169
170 Reverse Iterators
171 ^^^^^^^^^^^^^^^^^
172
173 The Loop Vectorizer can vectorize loops that count backwards.
174
175 .. code-block:: c++
176
177   int foo(int *A, int *B, int n) {
178     for (int i = n; i > 0; --i)
179       A[i] +=1;
180   }
181
182 Scatter / Gather
183 ^^^^^^^^^^^^^^^^
184
185 The Loop Vectorizer can vectorize code that becomes a sequence of scalar instructions 
186 that scatter/gathers memory.
187
188 .. code-block:: c++
189
190   int foo(int *A, int *B, int n, int k) {
191     for (int i = 0; i < n; ++i)
192       A[i*7] += B[i*k];
193   }
194
195 Vectorization of Mixed Types
196 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
197
198 The Loop Vectorizer can vectorize programs with mixed types. The Vectorizer
199 cost model can estimate the cost of the type conversion and decide if
200 vectorization is profitable.
201
202 .. code-block:: c++
203
204   int foo(int *A, char *B, int n, int k) {
205     for (int i = 0; i < n; ++i)
206       A[i] += 4 * B[i];
207   }
208
209 Global Structures Alias Analysis
210 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
211
212 Access to global structures can also be vectorized, with alias analysis being
213 used to make sure accesses don't alias. Run-time checks can also be added on
214 pointer access to structure members.
215
216 Many variations are supported, but some that rely on undefined behaviour being
217 ignored (as other compilers do) are still being left un-vectorized.
218
219 .. code-block:: c++
220
221   struct { int A[100], K, B[100]; } Foo;
222
223   int foo() {
224     for (int i = 0; i < 100; ++i)
225       Foo.A[i] = Foo.B[i] + 100;
226   }
227
228 Vectorization of function calls
229 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
230
231 The Loop Vectorize can vectorize intrinsic math functions.
232 See the table below for a list of these functions.
233
234 +-----+-----+---------+
235 | pow | exp |  exp2   |
236 +-----+-----+---------+
237 | sin | cos |  sqrt   |
238 +-----+-----+---------+
239 | log |log2 |  log10  |
240 +-----+-----+---------+
241 |fabs |floor|  ceil   |
242 +-----+-----+---------+
243 |fma  |trunc|nearbyint|
244 +-----+-----+---------+
245 |     |     | fmuladd |
246 +-----+-----+---------+
247
248
249 Partial unrolling during vectorization
250 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
251
252 Modern processors feature multiple execution units, and only programs that contain a
253 high degree of parallelism can fully utilize the entire width of the machine. 
254 The Loop Vectorizer increases the instruction level parallelism (ILP) by 
255 performing partial-unrolling of loops.
256
257 In the example below the entire array is accumulated into the variable 'sum'.
258 This is inefficient because only a single execution port can be used by the processor.
259 By unrolling the code the Loop Vectorizer allows two or more execution ports
260 to be used simultaneously.
261
262 .. code-block:: c++
263
264   int foo(int *A, int *B, int n) {
265     unsigned sum = 0;
266     for (int i = 0; i < n; ++i)
267         sum += A[i];
268     return sum;
269   }
270
271 The Loop Vectorizer uses a cost model to decide when it is profitable to unroll loops.
272 The decision to unroll the loop depends on the register pressure and the generated code size. 
273
274 Performance
275 -----------
276
277 This section shows the the execution time of Clang on a simple benchmark:
278 `gcc-loops <http://llvm.org/viewvc/llvm-project/test-suite/trunk/SingleSource/UnitTests/Vectorizer/>`_.
279 This benchmarks is a collection of loops from the GCC autovectorization
280 `page <http://gcc.gnu.org/projects/tree-ssa/vectorization.html>`_ by Dorit Nuzman.
281
282 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.
283 The Y-axis shows the time in msec. Lower is better. The last column shows the geomean of all the kernels.
284
285 .. image:: gcc-loops.png
286
287 And Linpack-pc with the same configuration. Result is Mflops, higher is better.
288
289 .. image:: linpack-pc.png
290
291 .. _bb-vectorizer:
292
293 The Basic Block Vectorizer
294 ==========================
295
296 Usage
297 ------
298
299 The Basic Block Vectorizer is not enabled by default, but it can be enabled
300 through clang using the command line flag:
301
302 .. code-block:: console
303
304    $ clang -fslp-vectorize file.c
305
306 Details
307 -------
308
309 The goal of basic-block vectorization (a.k.a. superword-level parallelism) is
310 to combine similar independent instructions within simple control-flow regions
311 into vector instructions. Memory accesses, arithemetic operations, comparison
312 operations and some math functions can all be vectorized using this technique
313 (subject to the capabilities of the target architecture).
314
315 For example, the following function performs very similar operations on its
316 inputs (a1, b1) and (a2, b2). The basic-block vectorizer may combine these
317 into vector operations.
318
319 .. code-block:: c++
320
321   int foo(int a1, int a2, int b1, int b2) {
322     int r1 = a1*(a1 + b1)/b1 + 50*b1/a1;
323     int r2 = a2*(a2 + b2)/b2 + 50*b2/a2;
324     return r1 + r2;
325   }
326
327