lib/CodeGen/MachineCSE.cpp

   1 //===-- MachineCSE.cpp - Machine Common Subexpression Elimination Pass ----===//
   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 pass performs global common subexpression elimination on machine
  11 // instructions using a scoped hash table based value numbering scheme. It
  12 // must be run while the machine function is still in SSA form.
  13 //
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15
  16 #define DEBUG_TYPE "machine-cse"
  17 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  18 #include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
  20 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  21 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  22 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  23 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  24 #include "llvm/ADT/ScopedHashTable.h"
  25 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
  26 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  27 #include "llvm/Support/Debug.h"
  28 #include "llvm/Support/RecyclingAllocator.h"
  29
  30 using namespace llvm;
  31
  32 STATISTIC(NumCoalesces, "Number of copies coalesced");
  33 STATISTIC(NumCSEs,      "Number of common subexpression eliminated");
  34 STATISTIC(NumPhysCSEs,
  35           "Number of physreg referencing common subexpr eliminated");
  36 STATISTIC(NumCommutes,  "Number of copies coalesced after commuting");
  37
  38 namespace {
  39   class MachineCSE : public MachineFunctionPass {
  40     const TargetInstrInfo *TII;
  41     const TargetRegisterInfo *TRI;
  42     AliasAnalysis *AA;
  43     MachineDominatorTree *DT;
  44     MachineRegisterInfo *MRI;
  45   public:
  46     static char ID; // Pass identification
  47     MachineCSE() : MachineFunctionPass(ID), LookAheadLimit(5), CurrVN(0) {
  48       initializeMachineCSEPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  49     }
  50
  51     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
  52
  53     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  54       AU.setPreservesCFG();
  55       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
  56       AU.addRequired<AliasAnalysis>();
  57       AU.addPreservedID(MachineLoopInfoID);
  58       AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
  59       AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
  60     }
  61
  62     virtual void releaseMemory() {
  63       ScopeMap.clear();
  64       Exps.clear();
  65     }
  66
  67   private:
  68     const unsigned LookAheadLimit;
  69     typedef RecyclingAllocator<BumpPtrAllocator,
  70         ScopedHashTableVal<MachineInstr*, unsigned> > AllocatorTy;
  71     typedef ScopedHashTable<MachineInstr*, unsigned,
  72         MachineInstrExpressionTrait, AllocatorTy> ScopedHTType;
  73     typedef ScopedHTType::ScopeTy ScopeType;
  74     DenseMap<MachineBasicBlock*, ScopeType*> ScopeMap;
  75     ScopedHTType VNT;
  76     SmallVector<MachineInstr*, 64> Exps;
  77     unsigned CurrVN;
  78
  79     bool PerformTrivialCoalescing(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB);
  80     bool isPhysDefTriviallyDead(unsigned Reg,
  81                                 MachineBasicBlock::const_iterator I,
  82                                 MachineBasicBlock::const_iterator E) const ;
  83     bool hasLivePhysRegDefUses(const MachineInstr *MI,
  84                                const MachineBasicBlock *MBB,
  85                                SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs) const;
  86     bool PhysRegDefsReach(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
  87                           SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs) const;
  88     bool isCSECandidate(MachineInstr *MI);
  89     bool isProfitableToCSE(unsigned CSReg, unsigned Reg,
  90                            MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI);
  91     void EnterScope(MachineBasicBlock *MBB);
  92     void ExitScope(MachineBasicBlock *MBB);
  93     bool ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB);
  94     void ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
  95                  DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren,
  96                  DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> &ParentMap);
  97     bool PerformCSE(MachineDomTreeNode *Node);
  98   };
  99 } // end anonymous namespace
 100
 101 char MachineCSE::ID = 0;
 102 INITIALIZE_PASS_BEGIN(MachineCSE, "machine-cse",
 103                 "Machine Common Subexpression Elimination", false, false)
 104 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineDominatorTree)
 105 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
 106 INITIALIZE_PASS_END(MachineCSE, "machine-cse",
 107                 "Machine Common Subexpression Elimination", false, false)
 108
 109 FunctionPass *llvm::createMachineCSEPass() { return new MachineCSE(); }
 110
 111 bool MachineCSE::PerformTrivialCoalescing(MachineInstr *MI,
 112                                           MachineBasicBlock *MBB) {
 113   bool Changed = false;
 114   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 115     MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 116     if (!MO.isReg() || !MO.isUse())
 117       continue;
 118     unsigned Reg = MO.getReg();
 119     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 120       continue;
 121     if (!MRI->hasOneNonDBGUse(Reg))
 122       // Only coalesce single use copies. This ensure the copy will be
 123       // deleted.
 124       continue;
 125     MachineInstr *DefMI = MRI->getVRegDef(Reg);
 126     if (DefMI->getParent() != MBB)
 127       continue;
 128     if (!DefMI->isCopy())
 129       continue;
 130     unsigned SrcReg = DefMI->getOperand(1).getReg();
 131     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(SrcReg))
 132       continue;
 133     if (DefMI->getOperand(0).getSubReg() || DefMI->getOperand(1).getSubReg())
 134       continue;
 135     if (!MRI->constrainRegClass(SrcReg, MRI->getRegClass(Reg)))
 136       continue;
 137     DEBUG(dbgs() << "Coalescing: " << *DefMI);
 138     DEBUG(dbgs() << "***     to: " << *MI);
 139     MO.setReg(SrcReg);
 140     MRI->clearKillFlags(SrcReg);
 141     DefMI->eraseFromParent();
 142     ++NumCoalesces;
 143     Changed = true;
 144   }
 145
 146   return Changed;
 147 }
 148
 149 bool
 150 MachineCSE::isPhysDefTriviallyDead(unsigned Reg,
 151                                    MachineBasicBlock::const_iterator I,
 152                                    MachineBasicBlock::const_iterator E) const {
 153   unsigned LookAheadLeft = LookAheadLimit;
 154   while (LookAheadLeft) {
 155     // Skip over dbg_value's.
 156     while (I != E && I->isDebugValue())
 157       ++I;
 158
 159     if (I == E)
 160       // Reached end of block, register is obviously dead.
 161       return true;
 162
 163     bool SeenDef = false;
 164     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 165       const MachineOperand &MO = I->getOperand(i);
 166       if (!MO.isReg() || !MO.getReg())
 167         continue;
 168       if (!TRI->regsOverlap(MO.getReg(), Reg))
 169         continue;
 170       if (MO.isUse())
 171         // Found a use!
 172         return false;
 173       SeenDef = true;
 174     }
 175     if (SeenDef)
 176       // See a def of Reg (or an alias) before encountering any use, it's
 177       // trivially dead.
 178       return true;
 179
 180     --LookAheadLeft;
 181     ++I;
 182   }
 183   return false;
 184 }
 185
 186 /// hasLivePhysRegDefUses - Return true if the specified instruction read/write
 187 /// physical registers (except for dead defs of physical registers). It also
 188 /// returns the physical register def by reference if it's the only one and the
 189 /// instruction does not uses a physical register.
 190 bool MachineCSE::hasLivePhysRegDefUses(const MachineInstr *MI,
 191                                        const MachineBasicBlock *MBB,
 192                                        SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs) const {
 193   MachineBasicBlock::const_iterator I = MI; I = llvm::next(I);
 194   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 195     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 196     if (!MO.isReg())
 197       continue;
 198     unsigned Reg = MO.getReg();
 199     if (!Reg)
 200       continue;
 201     if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 202       continue;
 203     // If the def is dead, it's ok. But the def may not marked "dead". That's
 204     // common since this pass is run before livevariables. We can scan
 205     // forward a few instructions and check if it is obviously dead.
 206     if (MO.isDef() &&
 207         (MO.isDead() || isPhysDefTriviallyDead(Reg, I, MBB->end())))
 208       continue;
 209     PhysRefs.insert(Reg);
 210     for (const unsigned *Alias = TRI->getAliasSet(Reg); *Alias; ++Alias)
 211       PhysRefs.insert(*Alias);
 212   }
 213
 214   return !PhysRefs.empty();
 215 }
 216
 217 bool MachineCSE::PhysRegDefsReach(MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI,
 218                                   SmallSet<unsigned,8> &PhysRefs) const {
 219   // For now conservatively returns false if the common subexpression is
 220   // not in the same basic block as the given instruction.
 221   MachineBasicBlock *MBB = MI->getParent();
 222   if (CSMI->getParent() != MBB)
 223     return false;
 224   MachineBasicBlock::const_iterator I = CSMI; I = llvm::next(I);
 225   MachineBasicBlock::const_iterator E = MI;
 226   unsigned LookAheadLeft = LookAheadLimit;
 227   while (LookAheadLeft) {
 228     // Skip over dbg_value's.
 229     while (I != E && I->isDebugValue())
 230       ++I;
 231
 232     if (I == E)
 233       return true;
 234
 235     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 236       const MachineOperand &MO = I->getOperand(i);
 237       if (!MO.isReg() || !MO.isDef())
 238         continue;
 239       unsigned MOReg = MO.getReg();
 240       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MOReg))
 241         continue;
 242       if (PhysRefs.count(MOReg))
 243         return false;
 244     }
 245
 246     --LookAheadLeft;
 247     ++I;
 248   }
 249
 250   return false;
 251 }
 252
 253 bool MachineCSE::isCSECandidate(MachineInstr *MI) {
 254   if (MI->isLabel() || MI->isPHI() || MI->isImplicitDef() ||
 255       MI->isKill() || MI->isInlineAsm() || MI->isDebugValue())
 256     return false;
 257
 258   // Ignore copies.
 259   if (MI->isCopyLike())
 260     return false;
 261
 262   // Ignore stuff that we obviously can't move.
 263   if (MI->mayStore() || MI->isCall() || MI->isTerminator() ||
 264       MI->hasUnmodeledSideEffects())
 265     return false;
 266
 267   if (MI->mayLoad()) {
 268     // Okay, this instruction does a load. As a refinement, we allow the target
 269     // to decide whether the loaded value is actually a constant. If so, we can
 270     // actually use it as a load.
 271     if (!MI->isInvariantLoad(AA))
 272       // FIXME: we should be able to hoist loads with no other side effects if
 273       // there are no other instructions which can change memory in this loop.
 274       // This is a trivial form of alias analysis.
 275       return false;
 276   }
 277   return true;
 278 }
 279
 280 /// isProfitableToCSE - Return true if it's profitable to eliminate MI with a
 281 /// common expression that defines Reg.
 282 bool MachineCSE::isProfitableToCSE(unsigned CSReg, unsigned Reg,
 283                                    MachineInstr *CSMI, MachineInstr *MI) {
 284   // FIXME: Heuristics that works around the lack the live range splitting.
 285
 286   // Heuristics #1: Don't CSE "cheap" computation if the def is not local or in
 287   // an immediate predecessor. We don't want to increase register pressure and
 288   // end up causing other computation to be spilled.
 289   if (MI->isAsCheapAsAMove()) {
 290     MachineBasicBlock *CSBB = CSMI->getParent();
 291     MachineBasicBlock *BB = MI->getParent();
 292     if (CSBB != BB && !CSBB->isSuccessor(BB))
 293       return false;
 294   }
 295
 296   // Heuristics #2: If the expression doesn't not use a vr and the only use
 297   // of the redundant computation are copies, do not cse.
 298   bool HasVRegUse = false;
 299   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 300     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 301     if (MO.isReg() && MO.isUse() &&
 302         TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
 303       HasVRegUse = true;
 304       break;
 305     }
 306   }
 307   if (!HasVRegUse) {
 308     bool HasNonCopyUse = false;
 309     for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator I =  MRI->use_nodbg_begin(Reg),
 310            E = MRI->use_nodbg_end(); I != E; ++I) {
 311       MachineInstr *Use = &*I;
 312       // Ignore copies.
 313       if (!Use->isCopyLike()) {
 314         HasNonCopyUse = true;
 315         break;
 316       }
 317     }
 318     if (!HasNonCopyUse)
 319       return false;
 320   }
 321
 322   // Heuristics #3: If the common subexpression is used by PHIs, do not reuse
 323   // it unless the defined value is already used in the BB of the new use.
 324   bool HasPHI = false;
 325   SmallPtrSet<MachineBasicBlock*, 4> CSBBs;
 326   for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator I =  MRI->use_nodbg_begin(CSReg),
 327        E = MRI->use_nodbg_end(); I != E; ++I) {
 328     MachineInstr *Use = &*I;
 329     HasPHI |= Use->isPHI();
 330     CSBBs.insert(Use->getParent());
 331   }
 332
 333   if (!HasPHI)
 334     return true;
 335   return CSBBs.count(MI->getParent());
 336 }
 337
 338 void MachineCSE::EnterScope(MachineBasicBlock *MBB) {
 339   DEBUG(dbgs() << "Entering: " << MBB->getName() << '\n');
 340   ScopeType *Scope = new ScopeType(VNT);
 341   ScopeMap[MBB] = Scope;
 342 }
 343
 344 void MachineCSE::ExitScope(MachineBasicBlock *MBB) {
 345   DEBUG(dbgs() << "Exiting: " << MBB->getName() << '\n');
 346   DenseMap<MachineBasicBlock*, ScopeType*>::iterator SI = ScopeMap.find(MBB);
 347   assert(SI != ScopeMap.end());
 348   ScopeMap.erase(SI);
 349   delete SI->second;
 350 }
 351
 352 bool MachineCSE::ProcessBlock(MachineBasicBlock *MBB) {
 353   bool Changed = false;
 354
 355   SmallVector<std::pair<unsigned, unsigned>, 8> CSEPairs;
 356   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB->begin(), E = MBB->end(); I != E; ) {
 357     MachineInstr *MI = &*I;
 358     ++I;
 359
 360     if (!isCSECandidate(MI))
 361       continue;
 362
 363     bool FoundCSE = VNT.count(MI);
 364     if (!FoundCSE) {
 365       // Look for trivial copy coalescing opportunities.
 366       if (PerformTrivialCoalescing(MI, MBB)) {
 367         Changed = true;
 368
 369         // After coalescing MI itself may become a copy.
 370         if (MI->isCopyLike())
 371           continue;
 372         FoundCSE = VNT.count(MI);
 373       }
 374     }
 375
 376     // Commute commutable instructions.
 377     bool Commuted = false;
 378     if (!FoundCSE && MI->isCommutable()) {
 379       MachineInstr *NewMI = TII->commuteInstruction(MI);
 380       if (NewMI) {
 381         Commuted = true;
 382         FoundCSE = VNT.count(NewMI);
 383         if (NewMI != MI) {
 384           // New instruction. It doesn't need to be kept.
 385           NewMI->eraseFromParent();
 386           Changed = true;
 387         } else if (!FoundCSE)
 388           // MI was changed but it didn't help, commute it back!
 389           (void)TII->commuteInstruction(MI);
 390       }
 391     }
 392
 393     // If the instruction defines physical registers and the values *may* be
 394     // used, then it's not safe to replace it with a common subexpression.
 395     // It's also not safe if the instruction uses physical registers.
 396     SmallSet<unsigned,8> PhysRefs;
 397     if (FoundCSE && hasLivePhysRegDefUses(MI, MBB, PhysRefs)) {
 398       FoundCSE = false;
 399
 400       // ... Unless the CS is local and it also defines the physical register
 401       // which is not clobbered in between and the physical register uses
 402       // were not clobbered.
 403       unsigned CSVN = VNT.lookup(MI);
 404       MachineInstr *CSMI = Exps[CSVN];
 405       if (PhysRegDefsReach(CSMI, MI, PhysRefs))
 406         FoundCSE = true;
 407     }
 408
 409     if (!FoundCSE) {
 410       VNT.insert(MI, CurrVN++);
 411       Exps.push_back(MI);
 412       continue;
 413     }
 414
 415     // Found a common subexpression, eliminate it.
 416     unsigned CSVN = VNT.lookup(MI);
 417     MachineInstr *CSMI = Exps[CSVN];
 418     DEBUG(dbgs() << "Examining: " << *MI);
 419     DEBUG(dbgs() << "*** Found a common subexpression: " << *CSMI);
 420
 421     // Check if it's profitable to perform this CSE.
 422     bool DoCSE = true;
 423     unsigned NumDefs = MI->getDesc().getNumDefs();
 424     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); NumDefs && i != e; ++i) {
 425       MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 426       if (!MO.isReg() || !MO.isDef())
 427         continue;
 428       unsigned OldReg = MO.getReg();
 429       unsigned NewReg = CSMI->getOperand(i).getReg();
 430       if (OldReg == NewReg)
 431         continue;
 432
 433       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(OldReg) &&
 434              TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(NewReg) &&
 435              "Do not CSE physical register defs!");
 436
 437       if (!isProfitableToCSE(NewReg, OldReg, CSMI, MI)) {
 438         DoCSE = false;
 439         break;
 440       }
 441
 442       // Don't perform CSE if the result of the old instruction cannot exist
 443       // within the register class of the new instruction.
 444       const TargetRegisterClass *OldRC = MRI->getRegClass(OldReg);
 445       if (!MRI->constrainRegClass(NewReg, OldRC)) {
 446         DoCSE = false;
 447         break;
 448       }
 449
 450       CSEPairs.push_back(std::make_pair(OldReg, NewReg));
 451       --NumDefs;
 452     }
 453
 454     // Actually perform the elimination.
 455     if (DoCSE) {
 456       for (unsigned i = 0, e = CSEPairs.size(); i != e; ++i) {
 457         MRI->replaceRegWith(CSEPairs[i].first, CSEPairs[i].second);
 458         MRI->clearKillFlags(CSEPairs[i].second);
 459       }
 460       MI->eraseFromParent();
 461       ++NumCSEs;
 462       if (!PhysRefs.empty())
 463         ++NumPhysCSEs;
 464       if (Commuted)
 465         ++NumCommutes;
 466       Changed = true;
 467     } else {
 468       DEBUG(dbgs() << "*** Not profitable, avoid CSE!\n");
 469       VNT.insert(MI, CurrVN++);
 470       Exps.push_back(MI);
 471     }
 472     CSEPairs.clear();
 473   }
 474
 475   return Changed;
 476 }
 477
 478 /// ExitScopeIfDone - Destroy scope for the MBB that corresponds to the given
 479 /// dominator tree node if its a leaf or all of its children are done. Walk
 480 /// up the dominator tree to destroy ancestors which are now done.
 481 void
 482 MachineCSE::ExitScopeIfDone(MachineDomTreeNode *Node,
 483                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> &OpenChildren,
 484                 DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> &ParentMap) {
 485   if (OpenChildren[Node])
 486     return;
 487
 488   // Pop scope.
 489   ExitScope(Node->getBlock());
 490
 491   // Now traverse upwards to pop ancestors whose offsprings are all done.
 492   while (MachineDomTreeNode *Parent = ParentMap[Node]) {
 493     unsigned Left = --OpenChildren[Parent];
 494     if (Left != 0)
 495       break;
 496     ExitScope(Parent->getBlock());
 497     Node = Parent;
 498   }
 499 }
 500
 501 bool MachineCSE::PerformCSE(MachineDomTreeNode *Node) {
 502   SmallVector<MachineDomTreeNode*, 32> Scopes;
 503   SmallVector<MachineDomTreeNode*, 8> WorkList;
 504   DenseMap<MachineDomTreeNode*, MachineDomTreeNode*> ParentMap;
 505   DenseMap<MachineDomTreeNode*, unsigned> OpenChildren;
 506
 507   CurrVN = 0;
 508
 509   // Perform a DFS walk to determine the order of visit.
 510   WorkList.push_back(Node);
 511   do {
 512     Node = WorkList.pop_back_val();
 513     Scopes.push_back(Node);
 514     const std::vector<MachineDomTreeNode*> &Children = Node->getChildren();
 515     unsigned NumChildren = Children.size();
 516     OpenChildren[Node] = NumChildren;
 517     for (unsigned i = 0; i != NumChildren; ++i) {
 518       MachineDomTreeNode *Child = Children[i];
 519       ParentMap[Child] = Node;
 520       WorkList.push_back(Child);
 521     }
 522   } while (!WorkList.empty());
 523
 524   // Now perform CSE.
 525   bool Changed = false;
 526   for (unsigned i = 0, e = Scopes.size(); i != e; ++i) {
 527     MachineDomTreeNode *Node = Scopes[i];
 528     MachineBasicBlock *MBB = Node->getBlock();
 529     EnterScope(MBB);
 530     Changed |= ProcessBlock(MBB);
 531     // If it's a leaf node, it's done. Traverse upwards to pop ancestors.
 532     ExitScopeIfDone(Node, OpenChildren, ParentMap);
 533   }
 534
 535   return Changed;
 536 }
 537
 538 bool MachineCSE::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 539   TII = MF.getTarget().getInstrInfo();
 540   TRI = MF.getTarget().getRegisterInfo();
 541   MRI = &MF.getRegInfo();
 542   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
 543   DT = &getAnalysis<MachineDominatorTree>();
 544   return PerformCSE(DT->getRootNode());
 545 }