Taints the non-acquire RMW's store address with the load part
[oota-llvm.git] / include / llvm / CodeGen / MachineTraceMetrics.h
1 //===- lib/CodeGen/MachineTraceMetrics.h - Super-scalar metrics -*- C++ -*-===//
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 the interface for the MachineTraceMetrics analysis pass
11 // that estimates CPU resource usage and critical data dependency paths through
12 // preferred traces. This is useful for super-scalar CPUs where execution speed
13 // can be limited both by data dependencies and by limited execution resources.
14 //
15 // Out-of-order CPUs will often be executing instructions from multiple basic
16 // blocks at the same time. This makes it difficult to estimate the resource
17 // usage accurately in a single basic block. Resources can be estimated better
18 // by looking at a trace through the current basic block.
19 //
20 // For every block, the MachineTraceMetrics pass will pick a preferred trace
21 // that passes through the block. The trace is chosen based on loop structure,
22 // branch probabilities, and resource usage. The intention is to pick likely
23 // traces that would be the most affected by code transformations.
24 //
25 // It is expensive to compute a full arbitrary trace for every block, so to
26 // save some computations, traces are chosen to be convergent. This means that
27 // if the traces through basic blocks A and B ever cross when moving away from
28 // A and B, they never diverge again. This applies in both directions - If the
29 // traces meet above A and B, they won't diverge when going further back.
30 //
31 // Traces tend to align with loops. The trace through a block in an inner loop
32 // will begin at the loop entry block and end at a back edge. If there are
33 // nested loops, the trace may begin and end at those instead.
34 //
35 // For each trace, we compute the critical path length, which is the number of
36 // cycles required to execute the trace when execution is limited by data
37 // dependencies only. We also compute the resource height, which is the number
38 // of cycles required to execute all instructions in the trace when ignoring
39 // data dependencies.
40 //
41 // Every instruction in the current block has a slack - the number of cycles
42 // execution of the instruction can be delayed without extending the critical
43 // path.
44 //
45 //===----------------------------------------------------------------------===//
46
47 #ifndef LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H
48 #define LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H
49
50 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
51 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
52 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
53 #include "llvm/CodeGen/TargetSchedule.h"
54
55 namespace llvm {
56
57 class InstrItineraryData;
58 class MachineBasicBlock;
59 class MachineInstr;
60 class MachineLoop;
61 class MachineLoopInfo;
62 class MachineRegisterInfo;
63 class TargetInstrInfo;
64 class TargetRegisterInfo;
65 class raw_ostream;
66
67 class MachineTraceMetrics : public MachineFunctionPass {
68   const MachineFunction *MF;
69   const TargetInstrInfo *TII;
70   const TargetRegisterInfo *TRI;
71   const MachineRegisterInfo *MRI;
72   const MachineLoopInfo *Loops;
73   TargetSchedModel SchedModel;
74
75 public:
76   class Ensemble;
77   class Trace;
78   static char ID;
79   MachineTraceMetrics();
80   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage&) const override;
81   bool runOnMachineFunction(MachineFunction&) override;
82   void releaseMemory() override;
83   void verifyAnalysis() const override;
84
85   friend class Ensemble;
86   friend class Trace;
87
88   /// Per-basic block information that doesn't depend on the trace through the
89   /// block.
90   struct FixedBlockInfo {
91     /// The number of non-trivial instructions in the block.
92     /// Doesn't count PHI and COPY instructions that are likely to be removed.
93     unsigned InstrCount;
94
95     /// True when the block contains calls.
96     bool HasCalls;
97
98     FixedBlockInfo() : InstrCount(~0u), HasCalls(false) {}
99
100     /// Returns true when resource information for this block has been computed.
101     bool hasResources() const { return InstrCount != ~0u; }
102
103     /// Invalidate resource information.
104     void invalidate() { InstrCount = ~0u; }
105   };
106
107   /// Get the fixed resource information about MBB. Compute it on demand.
108   const FixedBlockInfo *getResources(const MachineBasicBlock*);
109
110   /// Get the scaled number of cycles used per processor resource in MBB.
111   /// This is an array with SchedModel.getNumProcResourceKinds() entries.
112   /// The getResources() function above must have been called first.
113   ///
114   /// These numbers have already been scaled by SchedModel.getResourceFactor().
115   ArrayRef<unsigned> getProcResourceCycles(unsigned MBBNum) const;
116
117   /// A virtual register or regunit required by a basic block or its trace
118   /// successors.
119   struct LiveInReg {
120     /// The virtual register required, or a register unit.
121     unsigned Reg;
122
123     /// For virtual registers: Minimum height of the defining instruction.
124     /// For regunits: Height of the highest user in the trace.
125     unsigned Height;
126
127     LiveInReg(unsigned Reg, unsigned Height = 0) : Reg(Reg), Height(Height) {}
128   };
129
130   /// Per-basic block information that relates to a specific trace through the
131   /// block. Convergent traces means that only one of these is required per
132   /// block in a trace ensemble.
133   struct TraceBlockInfo {
134     /// Trace predecessor, or NULL for the first block in the trace.
135     /// Valid when hasValidDepth().
136     const MachineBasicBlock *Pred;
137
138     /// Trace successor, or NULL for the last block in the trace.
139     /// Valid when hasValidHeight().
140     const MachineBasicBlock *Succ;
141
142     /// The block number of the head of the trace. (When hasValidDepth()).
143     unsigned Head;
144
145     /// The block number of the tail of the trace. (When hasValidHeight()).
146     unsigned Tail;
147
148     /// Accumulated number of instructions in the trace above this block.
149     /// Does not include instructions in this block.
150     unsigned InstrDepth;
151
152     /// Accumulated number of instructions in the trace below this block.
153     /// Includes instructions in this block.
154     unsigned InstrHeight;
155
156     TraceBlockInfo() :
157       Pred(nullptr), Succ(nullptr),
158       InstrDepth(~0u), InstrHeight(~0u),
159       HasValidInstrDepths(false), HasValidInstrHeights(false) {}
160
161     /// Returns true if the depth resources have been computed from the trace
162     /// above this block.
163     bool hasValidDepth() const { return InstrDepth != ~0u; }
164
165     /// Returns true if the height resources have been computed from the trace
166     /// below this block.
167     bool hasValidHeight() const { return InstrHeight != ~0u; }
168
169     /// Invalidate depth resources when some block above this one has changed.
170     void invalidateDepth() { InstrDepth = ~0u; HasValidInstrDepths = false; }
171
172     /// Invalidate height resources when a block below this one has changed.
173     void invalidateHeight() { InstrHeight = ~0u; HasValidInstrHeights = false; }
174
175     /// Assuming that this is a dominator of TBI, determine if it contains
176     /// useful instruction depths. A dominating block can be above the current
177     /// trace head, and any dependencies from such a far away dominator are not
178     /// expected to affect the critical path.
179     ///
180     /// Also returns true when TBI == this.
181     bool isUsefulDominator(const TraceBlockInfo &TBI) const {
182       // The trace for TBI may not even be calculated yet.
183       if (!hasValidDepth() || !TBI.hasValidDepth())
184         return false;
185       // Instruction depths are only comparable if the traces share a head.
186       if (Head != TBI.Head)
187         return false;
188       // It is almost always the case that TBI belongs to the same trace as
189       // this block, but rare convoluted cases involving irreducible control
190       // flow, a dominator may share a trace head without actually being on the
191       // same trace as TBI. This is not a big problem as long as it doesn't
192       // increase the instruction depth.
193       return HasValidInstrDepths && InstrDepth <= TBI.InstrDepth;
194     }
195
196     // Data-dependency-related information. Per-instruction depth and height
197     // are computed from data dependencies in the current trace, using
198     // itinerary data.
199
200     /// Instruction depths have been computed. This implies hasValidDepth().
201     bool HasValidInstrDepths;
202
203     /// Instruction heights have been computed. This implies hasValidHeight().
204     bool HasValidInstrHeights;
205
206     /// Critical path length. This is the number of cycles in the longest data
207     /// dependency chain through the trace. This is only valid when both
208     /// HasValidInstrDepths and HasValidInstrHeights are set.
209     unsigned CriticalPath;
210
211     /// Live-in registers. These registers are defined above the current block
212     /// and used by this block or a block below it.
213     /// This does not include PHI uses in the current block, but it does
214     /// include PHI uses in deeper blocks.
215     SmallVector<LiveInReg, 4> LiveIns;
216
217     void print(raw_ostream&) const;
218   };
219
220   /// InstrCycles represents the cycle height and depth of an instruction in a
221   /// trace.
222   struct InstrCycles {
223     /// Earliest issue cycle as determined by data dependencies and instruction
224     /// latencies from the beginning of the trace. Data dependencies from
225     /// before the trace are not included.
226     unsigned Depth;
227
228     /// Minimum number of cycles from this instruction is issued to the of the
229     /// trace, as determined by data dependencies and instruction latencies.
230     unsigned Height;
231   };
232
233   /// A trace represents a plausible sequence of executed basic blocks that
234   /// passes through the current basic block one. The Trace class serves as a
235   /// handle to internal cached data structures.
236   class Trace {
237     Ensemble &TE;
238     TraceBlockInfo &TBI;
239
240     unsigned getBlockNum() const { return &TBI - &TE.BlockInfo[0]; }
241
242   public:
243     explicit Trace(Ensemble &te, TraceBlockInfo &tbi) : TE(te), TBI(tbi) {}
244     void print(raw_ostream&) const;
245
246     /// Compute the total number of instructions in the trace.
247     unsigned getInstrCount() const {
248       return TBI.InstrDepth + TBI.InstrHeight;
249     }
250
251     /// Return the resource depth of the top/bottom of the trace center block.
252     /// This is the number of cycles required to execute all instructions from
253     /// the trace head to the trace center block. The resource depth only
254     /// considers execution resources, it ignores data dependencies.
255     /// When Bottom is set, instructions in the trace center block are included.
256     unsigned getResourceDepth(bool Bottom) const;
257
258     /// Return the resource length of the trace. This is the number of cycles
259     /// required to execute the instructions in the trace if they were all
260     /// independent, exposing the maximum instruction-level parallelism.
261     ///
262     /// Any blocks in Extrablocks are included as if they were part of the
263     /// trace. Likewise, extra resources required by the specified scheduling
264     /// classes are included. For the caller to account for extra machine
265     /// instructions, it must first resolve each instruction's scheduling class.
266     unsigned getResourceLength(
267         ArrayRef<const MachineBasicBlock *> Extrablocks = None,
268         ArrayRef<const MCSchedClassDesc *> ExtraInstrs = None,
269         ArrayRef<const MCSchedClassDesc *> RemoveInstrs = None) const;
270
271     /// Return the length of the (data dependency) critical path through the
272     /// trace.
273     unsigned getCriticalPath() const { return TBI.CriticalPath; }
274
275     /// Return the depth and height of MI. The depth is only valid for
276     /// instructions in or above the trace center block. The height is only
277     /// valid for instructions in or below the trace center block.
278     InstrCycles getInstrCycles(const MachineInstr *MI) const {
279       return TE.Cycles.lookup(MI);
280     }
281
282     /// Return the slack of MI. This is the number of cycles MI can be delayed
283     /// before the critical path becomes longer.
284     /// MI must be an instruction in the trace center block.
285     unsigned getInstrSlack(const MachineInstr *MI) const;
286
287     /// Return the Depth of a PHI instruction in a trace center block successor.
288     /// The PHI does not have to be part of the trace.
289     unsigned getPHIDepth(const MachineInstr *PHI) const;
290
291     /// A dependence is useful if the basic block of the defining instruction
292     /// is part of the trace of the user instruction. It is assumed that DefMI
293     /// dominates UseMI (see also isUsefulDominator).
294     bool isDepInTrace(const MachineInstr *DefMI,
295                       const MachineInstr *UseMI) const;
296   };
297
298   /// A trace ensemble is a collection of traces selected using the same
299   /// strategy, for example 'minimum resource height'. There is one trace for
300   /// every block in the function.
301   class Ensemble {
302     SmallVector<TraceBlockInfo, 4> BlockInfo;
303     DenseMap<const MachineInstr*, InstrCycles> Cycles;
304     SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceDepths;
305     SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceHeights;
306     friend class Trace;
307
308     void computeTrace(const MachineBasicBlock*);
309     void computeDepthResources(const MachineBasicBlock*);
310     void computeHeightResources(const MachineBasicBlock*);
311     unsigned computeCrossBlockCriticalPath(const TraceBlockInfo&);
312     void computeInstrDepths(const MachineBasicBlock*);
313     void computeInstrHeights(const MachineBasicBlock*);
314     void addLiveIns(const MachineInstr *DefMI, unsigned DefOp,
315                     ArrayRef<const MachineBasicBlock*> Trace);
316
317   protected:
318     MachineTraceMetrics &MTM;
319     virtual const MachineBasicBlock *pickTracePred(const MachineBasicBlock*) =0;
320     virtual const MachineBasicBlock *pickTraceSucc(const MachineBasicBlock*) =0;
321     explicit Ensemble(MachineTraceMetrics*);
322     const MachineLoop *getLoopFor(const MachineBasicBlock*) const;
323     const TraceBlockInfo *getDepthResources(const MachineBasicBlock*) const;
324     const TraceBlockInfo *getHeightResources(const MachineBasicBlock*) const;
325     ArrayRef<unsigned> getProcResourceDepths(unsigned MBBNum) const;
326     ArrayRef<unsigned> getProcResourceHeights(unsigned MBBNum) const;
327
328   public:
329     virtual ~Ensemble();
330     virtual const char *getName() const =0;
331     void print(raw_ostream&) const;
332     void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
333     void verify() const;
334
335     /// Get the trace that passes through MBB.
336     /// The trace is computed on demand.
337     Trace getTrace(const MachineBasicBlock *MBB);
338   };
339
340   /// Strategies for selecting traces.
341   enum Strategy {
342     /// Select the trace through a block that has the fewest instructions.
343     TS_MinInstrCount,
344
345     TS_NumStrategies
346   };
347
348   /// Get the trace ensemble representing the given trace selection strategy.
349   /// The returned Ensemble object is owned by the MachineTraceMetrics analysis,
350   /// and valid for the lifetime of the analysis pass.
351   Ensemble *getEnsemble(Strategy);
352
353   /// Invalidate cached information about MBB. This must be called *before* MBB
354   /// is erased, or the CFG is otherwise changed.
355   ///
356   /// This invalidates per-block information about resource usage for MBB only,
357   /// and it invalidates per-trace information for any trace that passes
358   /// through MBB.
359   ///
360   /// Call Ensemble::getTrace() again to update any trace handles.
361   void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
362
363 private:
364   // One entry per basic block, indexed by block number.
365   SmallVector<FixedBlockInfo, 4> BlockInfo;
366
367   // Cycles consumed on each processor resource per block.
368   // The number of processor resource kinds is constant for a given subtarget,
369   // but it is not known at compile time. The number of cycles consumed by
370   // block B on processor resource R is at ProcResourceCycles[B*Kinds + R]
371   // where Kinds = SchedModel.getNumProcResourceKinds().
372   SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceCycles;
373
374   // One ensemble per strategy.
375   Ensemble* Ensembles[TS_NumStrategies];
376
377   // Convert scaled resource usage to a cycle count that can be compared with
378   // latencies.
379   unsigned getCycles(unsigned Scaled) {
380     unsigned Factor = SchedModel.getLatencyFactor();
381     return (Scaled + Factor - 1) / Factor;
382   }
383 };
384
385 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
386                                const MachineTraceMetrics::Trace &Tr) {
387   Tr.print(OS);
388   return OS;
389 }
390
391 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
392                                const MachineTraceMetrics::Ensemble &En) {
393   En.print(OS);
394   return OS;
395 }
396 } // end namespace llvm
397
398 #endif