Distinquish stack slots from other stack objects. They (and fixed objects) get FixedS...
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / RegAllocLocal.cpp
1 //===-- RegAllocLocal.cpp - A BasicBlock generic register allocator -------===//
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 register allocator allocates registers to a basic block at a time,
11 // attempting to keep values in registers and reusing registers as appropriate.
12 //
13 //===----------------------------------------------------------------------===//
14
15 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
16 #include "llvm/BasicBlock.h"
17 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
18 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
19 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
20 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
21 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
22 #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
23 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
24 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
25 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
26 #include "llvm/Support/Debug.h"
27 #include "llvm/Support/Compiler.h"
28 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
29 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
30 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
31 #include "llvm/ADT/IndexedMap.h"
32 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
33 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
36 #include <algorithm>
37 using namespace llvm;
38
39 STATISTIC(NumStores, "Number of stores added");
40 STATISTIC(NumLoads , "Number of loads added");
41
42 static RegisterRegAlloc
43   localRegAlloc("local", "local register allocator",
44                 createLocalRegisterAllocator);
45
46 namespace {
47   class VISIBILITY_HIDDEN RALocal : public MachineFunctionPass {
48   public:
49     static char ID;
50     RALocal() : MachineFunctionPass(&ID), StackSlotForVirtReg(-1) {}
51   private:
52     const TargetMachine *TM;
53     MachineFunction *MF;
54     const TargetRegisterInfo *TRI;
55     const TargetInstrInfo *TII;
56
57     // StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
58     // values are spilled.
59     IndexedMap<int, VirtReg2IndexFunctor> StackSlotForVirtReg;
60
61     // Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
62     // that is currently available in a physical register.
63     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
64
65     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
66       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
67     }
68
69     // PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
70     // each physical register that currently has a value (ie, it is in
71     // Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
72     // corresponding to the physical register (the inverse of the
73     // Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
74     // because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
75     // allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
76     // physical register is "not in the map".
77     //
78     std::vector<int> PhysRegsUsed;
79
80     // PhysRegsUseOrder - This contains a list of the physical registers that
81     // currently have a virtual register value in them.  This list provides an
82     // ordering of registers, imposing a reallocation order.  This list is only
83     // used if all registers are allocated and we have to spill one, in which
84     // case we spill the least recently used register.  Entries at the front of
85     // the list are the least recently used registers, entries at the back are
86     // the most recently used.
87     //
88     std::vector<unsigned> PhysRegsUseOrder;
89
90     // Virt2LastUseMap - This maps each virtual register to its last use
91     // (MachineInstr*, operand index pair).
92     IndexedMap<std::pair<MachineInstr*, unsigned>, VirtReg2IndexFunctor>
93     Virt2LastUseMap;
94
95     std::pair<MachineInstr*,unsigned>& getVirtRegLastUse(unsigned Reg) {
96       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
97       return Virt2LastUseMap[Reg];
98     }
99
100     // VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
101     // registers need to be spilled back to memory when their registers are
102     // scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
103     // is no reason to spill it to memory when we need the register back.
104     //
105     BitVector VirtRegModified;
106     
107     // UsedInMultipleBlocks - Tracks whether a particular register is used in
108     // more than one block.
109     BitVector UsedInMultipleBlocks;
110
111     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
112       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
113       Reg -= TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
114       if (Val)
115         VirtRegModified.set(Reg);
116       else
117         VirtRegModified.reset(Reg);
118     }
119
120     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
121       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
122       assert(Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
123              && "Illegal virtual register!");
124       return VirtRegModified[Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
125     }
126
127     void AddToPhysRegsUseOrder(unsigned Reg) {
128       std::vector<unsigned>::iterator It =
129         std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), Reg);
130       if (It != PhysRegsUseOrder.end())
131         PhysRegsUseOrder.erase(It);
132       PhysRegsUseOrder.push_back(Reg);
133     }
134
135     void MarkPhysRegRecentlyUsed(unsigned Reg) {
136       if (PhysRegsUseOrder.empty() ||
137           PhysRegsUseOrder.back() == Reg) return;  // Already most recently used
138
139       for (unsigned i = PhysRegsUseOrder.size(); i != 0; --i)
140         if (areRegsEqual(Reg, PhysRegsUseOrder[i-1])) {
141           unsigned RegMatch = PhysRegsUseOrder[i-1];       // remove from middle
142           PhysRegsUseOrder.erase(PhysRegsUseOrder.begin()+i-1);
143           // Add it to the end of the list
144           PhysRegsUseOrder.push_back(RegMatch);
145           if (RegMatch == Reg)
146             return;    // Found an exact match, exit early
147         }
148     }
149
150   public:
151     virtual const char *getPassName() const {
152       return "Local Register Allocator";
153     }
154
155     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
156       AU.setPreservesCFG();
157       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
158       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
159       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
160     }
161
162   private:
163     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
164     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
165
166     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
167     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
168
169
170     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
171     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
172     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
173     ///
174     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
175       if (R1 == R2) return true;
176       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(R2);
177            *AliasSet; ++AliasSet) {
178         if (*AliasSet == R1) return true;
179       }
180       return false;
181     }
182
183     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
184     /// register on the stack, allocating space if necessary.
185     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
186
187     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
188     /// longer being in use.
189     ///
190     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
191
192     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
193     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
194     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
195     ///
196     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
197                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
198
199     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
200     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
201     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
202     /// contain a virtual register.
203     ///
204     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
205                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
206
207     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
208     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
209     /// register must not be used for anything else when this is called.
210     ///
211     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
212
213     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
214     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
215     /// aliased registers are all free...
216     ///
217     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
218
219     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
220     /// specified register class.  If not, return 0.
221     ///
222     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
223
224     /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
225     /// register.  If all compatible physical registers are used, this method
226     /// spills the last used virtual register to the stack, and uses that
227     /// register. If NoFree is true, that means the caller knows there isn't
228     /// a free register, do not call getFreeReg().
229     unsigned getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
230                     unsigned VirtReg, bool NoFree = false);
231
232     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified virtual
233     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
234     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
235     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
236     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
237     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
238     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
239     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
240     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
241     /// value.  This method returns the modified instruction.
242     ///
243     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
244                                 unsigned OpNum, SmallSet<unsigned, 4> &RRegs);
245
246     /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
247     /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
248     void ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB);
249
250     void reloadPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator &I,
251                        unsigned PhysReg);
252   };
253   char RALocal::ID = 0;
254 }
255
256 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
257 /// to be held on the stack.
258 int RALocal::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
259   // Find the location Reg would belong...
260   int SS = StackSlotForVirtReg[VirtReg];
261   if (SS != -1)
262     return SS;          // Already has space allocated?
263
264   // Allocate a new stack object for this spill location...
265   int FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
266                                                        RC->getAlignment(),true);
267
268   // Assign the slot...
269   StackSlotForVirtReg[VirtReg] = FrameIdx;
270   return FrameIdx;
271 }
272
273
274 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
275 /// longer being in use.
276 ///
277 void RALocal::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
278   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
279
280   std::vector<unsigned>::iterator It =
281     std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), PhysReg);
282   if (It != PhysRegsUseOrder.end())
283     PhysRegsUseOrder.erase(It);
284 }
285
286
287 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
288 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
289 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
290 ///
291 void RALocal::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
292                            MachineBasicBlock::iterator I,
293                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
294   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
295          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
296          " the intended one.");
297   DEBUG(errs() << "  Spilling register " << TRI->getName(PhysReg)
298                << " containing %reg" << VirtReg);
299   
300   if (!isVirtRegModified(VirtReg)) {
301     DEBUG(errs() << " which has not been modified, so no store necessary!");
302     std::pair<MachineInstr*, unsigned> &LastUse = getVirtRegLastUse(VirtReg);
303     if (LastUse.first)
304       LastUse.first->getOperand(LastUse.second).setIsKill();
305   } else {
306     // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
307     // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
308     // modified.
309     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
310     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
311     DEBUG(errs() << " to stack slot #" << FrameIndex);
312     // If the instruction reads the register that's spilled, (e.g. this can
313     // happen if it is a move to a physical register), then the spill
314     // instruction is not a kill.
315     bool isKill = !(I != MBB.end() && I->readsRegister(PhysReg));
316     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, isKill, FrameIndex, RC);
317     ++NumStores;   // Update statistics
318   }
319
320   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
321
322   DEBUG(errs() << '\n');
323   removePhysReg(PhysReg);
324 }
325
326
327 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
328 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
329 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
330 /// virtual register.
331 ///
332 void RALocal::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
333                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
334   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
335     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
336     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
337       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
338   } else {
339     // If the selected register aliases any other registers, we must make
340     // sure that one of the aliases isn't alive.
341     for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
342          *AliasSet; ++AliasSet)
343       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
344           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
345           if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
346             spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
347   }
348 }
349
350
351 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
352 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
353 /// register must not be used for anything else when this is called.
354 ///
355 void RALocal::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
356   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
357   // Update information to note the fact that this register was just used, and
358   // it holds VirtReg.
359   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
360   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
361   AddToPhysRegsUseOrder(PhysReg);   // New use of PhysReg
362 }
363
364
365 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
366 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
367 /// registers are all free...
368 ///
369 bool RALocal::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
370   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
371
372   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
373   // not free!
374   for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
375        *AliasSet; ++AliasSet)
376     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] >= 0) // Aliased register in use?
377       return false;                    // Can't use this reg then.
378   return true;
379 }
380
381
382 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
383 /// specified register class.  If not, return 0.
384 ///
385 unsigned RALocal::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
386   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
387   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
388   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
389   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
390
391   for (; RI != RE; ++RI)
392     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
393       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
394       return *RI; // Found an unused register!
395     }
396   return 0;
397 }
398
399
400 /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
401 /// register.  If all compatible physical registers are used, this method spills
402 /// the last used virtual register to the stack, and uses that register.
403 ///
404 unsigned RALocal::getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
405                          unsigned VirtReg, bool NoFree) {
406   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
407
408   // First check to see if we have a free register of the requested type...
409   unsigned PhysReg = NoFree ? 0 : getFreeReg(RC);
410
411   // If we didn't find an unused register, scavenge one now!
412   if (PhysReg == 0) {
413     assert(!PhysRegsUseOrder.empty() && "No allocated registers??");
414
415     // Loop over all of the preallocated registers from the least recently used
416     // to the most recently used.  When we find one that is capable of holding
417     // our register, use it.
418     for (unsigned i = 0; PhysReg == 0; ++i) {
419       assert(i != PhysRegsUseOrder.size() &&
420              "Couldn't find a register of the appropriate class!");
421
422       unsigned R = PhysRegsUseOrder[i];
423
424       // We can only use this register if it holds a virtual register (ie, it
425       // can be spilled).  Do not use it if it is an explicitly allocated
426       // physical register!
427       assert(PhysRegsUsed[R] != -1 &&
428              "PhysReg in PhysRegsUseOrder, but is not allocated?");
429       if (PhysRegsUsed[R] && PhysRegsUsed[R] != -2) {
430         // If the current register is compatible, use it.
431         if (RC->contains(R)) {
432           PhysReg = R;
433           break;
434         } else {
435           // If one of the registers aliased to the current register is
436           // compatible, use it.
437           for (const unsigned *AliasIt = TRI->getAliasSet(R);
438                *AliasIt; ++AliasIt) {
439             if (RC->contains(*AliasIt) &&
440                 // If this is pinned down for some reason, don't use it.  For
441                 // example, if CL is pinned, and we run across CH, don't use
442                 // CH as justification for using scavenging ECX (which will
443                 // fail).
444                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != 0 &&
445                 
446                 // Make sure the register is allocatable.  Don't allocate SIL on
447                 // x86-32.
448                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != -2) {
449               PhysReg = *AliasIt;    // Take an aliased register
450               break;
451             }
452           }
453         }
454       }
455     }
456
457     assert(PhysReg && "Physical register not assigned!?!?");
458
459     // At this point PhysRegsUseOrder[i] is the least recently used register of
460     // compatible register class.  Spill it to memory and reap its remains.
461     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
462   }
463
464   // Now that we know which register we need to assign this to, do it now!
465   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
466   return PhysReg;
467 }
468
469
470 /// reloadVirtReg - This method transforms the specified virtual
471 /// register use to refer to a physical register.  This method may do this in
472 /// one of several ways: if the register is available in a physical register
473 /// already, it uses that physical register.  If the value is not in a physical
474 /// register, and if there are physical registers available, it loads it into a
475 /// register.  If register pressure is high, and it is possible, it tries to
476 /// fold the load of the virtual register into the instruction itself.  It
477 /// avoids doing this if register pressure is low to improve the chance that
478 /// subsequent instructions can use the reloaded value.  This method returns the
479 /// modified instruction.
480 ///
481 MachineInstr *RALocal::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
482                                      unsigned OpNum,
483                                      SmallSet<unsigned, 4> &ReloadedRegs) {
484   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
485
486   // If the virtual register is already available, just update the instruction
487   // and return.
488   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
489     MarkPhysRegRecentlyUsed(PR);       // Already have this value available!
490     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);  // Assign the input register
491     getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
492     return MI;
493   }
494
495   // Otherwise, we need to fold it into the current instruction, or reload it.
496   // If we have registers available to hold the value, use them.
497   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
498   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
499   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
500
501   if (PhysReg) {   // Register is available, allocate it!
502     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
503   } else {         // No registers available.
504     // Force some poor hapless value out of the register file to
505     // make room for the new register, and reload it.
506     PhysReg = getReg(MBB, MI, VirtReg, true);
507   }
508
509   markVirtRegModified(VirtReg, false);   // Note that this reg was just reloaded
510
511   DEBUG(errs() << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
512                << TRI->getName(PhysReg) << "\n");
513
514   // Add move instruction(s)
515   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
516   ++NumLoads;    // Update statistics
517
518   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
519   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
520   getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
521
522   if (!ReloadedRegs.insert(PhysReg)) {
523     std::string msg;
524     raw_string_ostream Msg(msg);
525     Msg << "Ran out of registers during register allocation!";
526     if (MI->getOpcode() == TargetInstrInfo::INLINEASM) {
527       Msg << "\nPlease check your inline asm statement for invalid "
528            << "constraints:\n";
529       MI->print(Msg, TM);
530     }
531     llvm_report_error(Msg.str());
532   }
533   for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
534        *SubRegs; ++SubRegs) {
535     if (!ReloadedRegs.insert(*SubRegs)) {
536       std::string msg;
537       raw_string_ostream Msg(msg);
538       Msg << "Ran out of registers during register allocation!";
539       if (MI->getOpcode() == TargetInstrInfo::INLINEASM) {
540         Msg << "\nPlease check your inline asm statement for invalid "
541              << "constraints:\n";
542         MI->print(Msg, TM);
543       }
544       llvm_report_error(Msg.str());
545     }
546   }
547
548   return MI;
549 }
550
551 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
552 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
553 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
554   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
555     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
556     if (MO.isReg() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
557         MO.isDef() && !MO.isDead())
558       return true;
559   }
560   return false;
561 }
562
563 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
564 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
565 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
566   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
567     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
568     if (MO.isReg() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
569         !MO.isDef() && MO.isKill())
570       return true;
571   }
572   return false;
573 }
574
575 // precedes - Helper function to determine with MachineInstr A
576 // precedes MachineInstr B within the same MBB.
577 static bool precedes(MachineBasicBlock::iterator A,
578                      MachineBasicBlock::iterator B) {
579   if (A == B)
580     return false;
581   
582   MachineBasicBlock::iterator I = A->getParent()->begin();
583   while (I != A->getParent()->end()) {
584     if (I == A)
585       return true;
586     else if (I == B)
587       return false;
588     
589     ++I;
590   }
591   
592   return false;
593 }
594
595 /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
596 /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
597 void RALocal::ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB) {
598   MachineRegisterInfo& MRI = MBB.getParent()->getRegInfo();
599   // Keep track of the most recently seen previous use or def of each reg, 
600   // so that we can update them with dead/kill markers.
601   DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> > LastUseDef;
602   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB.begin(), E = MBB.end();
603        I != E; ++I) {
604     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
605       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
606       // Uses don't trigger any flags, but we need to save
607       // them for later.  Also, we have to process these
608       // _before_ processing the defs, since an instr
609       // uses regs before it defs them.
610       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isUse()) {
611         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
612         
613         
614         if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) continue;
615         
616         const unsigned* Aliases = TRI->getAliasSet(MO.getReg());
617         if (Aliases) {
618           while (*Aliases) {
619             DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
620               alias = LastUseDef.find(*Aliases);
621             
622             if (alias != LastUseDef.end() && alias->second.first != I)
623               LastUseDef[*Aliases] = std::make_pair(I, i);
624             
625             ++Aliases;
626           }
627         }
628       }
629     }
630     
631     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
632       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
633       // Defs others than 2-addr redefs _do_ trigger flag changes:
634       //   - A def followed by a def is dead
635       //   - A use followed by a def is a kill
636       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isDef()) {
637         DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
638           last = LastUseDef.find(MO.getReg());
639         if (last != LastUseDef.end()) {
640           // Check if this is a two address instruction.  If so, then
641           // the def does not kill the use.
642           if (last->second.first == I &&
643               I->isRegTiedToUseOperand(i))
644             continue;
645           
646           MachineOperand& lastUD =
647                       last->second.first->getOperand(last->second.second);
648           if (lastUD.isDef())
649             lastUD.setIsDead(true);
650           else
651             lastUD.setIsKill(true);
652         }
653         
654         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
655       }
656     }
657   }
658   
659   // Live-out (of the function) registers contain return values of the function,
660   // so we need to make sure they are alive at return time.
661   if (!MBB.empty() && MBB.back().getDesc().isReturn()) {
662     MachineInstr* Ret = &MBB.back();
663     for (MachineRegisterInfo::liveout_iterator
664          I = MF->getRegInfo().liveout_begin(),
665          E = MF->getRegInfo().liveout_end(); I != E; ++I)
666       if (!Ret->readsRegister(*I)) {
667         Ret->addOperand(MachineOperand::CreateReg(*I, false, true));
668         LastUseDef[*I] = std::make_pair(Ret, Ret->getNumOperands()-1);
669       }
670   }
671   
672   // Finally, loop over the final use/def of each reg 
673   // in the block and determine if it is dead.
674   for (DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
675        I = LastUseDef.begin(), E = LastUseDef.end(); I != E; ++I) {
676     MachineInstr* MI = I->second.first;
677     unsigned idx = I->second.second;
678     MachineOperand& MO = MI->getOperand(idx);
679     
680     bool isPhysReg = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg());
681     
682     // A crude approximation of "live-out" calculation
683     bool usedOutsideBlock = isPhysReg ? false :   
684           UsedInMultipleBlocks.test(MO.getReg() -  
685                                     TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
686     if (!isPhysReg && !usedOutsideBlock)
687       for (MachineRegisterInfo::reg_iterator UI = MRI.reg_begin(MO.getReg()),
688            UE = MRI.reg_end(); UI != UE; ++UI)
689         // Two cases:
690         // - used in another block
691         // - used in the same block before it is defined (loop)
692         if (UI->getParent() != &MBB ||
693             (MO.isDef() && UI.getOperand().isUse() && precedes(&*UI, MI))) {
694           UsedInMultipleBlocks.set(MO.getReg() - 
695                                    TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
696           usedOutsideBlock = true;
697           break;
698         }
699     
700     // Physical registers and those that are not live-out of the block
701     // are killed/dead at their last use/def within this block.
702     if (isPhysReg || !usedOutsideBlock) {
703       if (MO.isUse()) {
704         // Don't mark uses that are tied to defs as kills.
705         if (!MI->isRegTiedToDefOperand(idx))
706           MO.setIsKill(true);
707       } else
708         MO.setIsDead(true);
709     }
710   }
711 }
712
713 void RALocal::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
714   // loop over each instruction
715   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
716   
717   DEBUG({
718       const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
719       if (LBB)
720         errs() << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName();
721     });
722
723   // Add live-in registers as active.
724   for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = MBB.livein_begin(),
725          E = MBB.livein_end(); I != E; ++I) {
726     unsigned Reg = *I;
727     MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
728     PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
729     AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
730     for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
731          *SubRegs; ++SubRegs) {
732       if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
733         AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
734         PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
735         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
736       }
737     }
738   }
739   
740   ComputeLocalLiveness(MBB);
741   
742   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
743   while (MII != MBB.end()) {
744     MachineInstr *MI = MII++;
745     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
746     DEBUG({
747         errs() << "\nStarting RegAlloc of: " << *MI;
748         errs() << "  Regs have values: ";
749         for (unsigned i = 0; i != TRI->getNumRegs(); ++i)
750           if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
751             errs() << "[" << TRI->getName(i)
752                    << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
753         errs() << '\n';
754       });
755
756     // Loop over the implicit uses, making sure that they are at the head of the
757     // use order list, so they don't get reallocated.
758     if (TID.ImplicitUses) {
759       for (const unsigned *ImplicitUses = TID.ImplicitUses;
760            *ImplicitUses; ++ImplicitUses)
761         MarkPhysRegRecentlyUsed(*ImplicitUses);
762     }
763
764     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
765     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
766       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
767       if (MO.isReg() && MO.isKill()) {
768         if (!MO.isImplicit())
769           Kills.push_back(MO.getReg());
770         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
771           // These are extra physical register kills when a sub-register
772           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
773           // larger registers). Ignore.
774           Kills.push_back(MO.getReg());
775       }
776     }
777
778     // If any physical regs are earlyclobber, spill any value they might
779     // have in them, then mark them unallocatable.
780     // If any virtual regs are earlyclobber, allocate them now (before
781     // freeing inputs that are killed).
782     if (MI->getOpcode()==TargetInstrInfo::INLINEASM) {
783       for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
784         MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
785         if (MO.isReg() && MO.isDef() && MO.isEarlyClobber() &&
786             MO.getReg()) {
787           if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
788             unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
789             unsigned DestPhysReg;
790
791             // If DestVirtReg already has a value, use it.
792             if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
793               DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
794             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
795             markVirtRegModified(DestVirtReg);
796             getVirtRegLastUse(DestVirtReg) =
797                    std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
798             DEBUG(errs() << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
799                          << " to %reg" << DestVirtReg << "\n");
800             MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the earlyclobber register
801           } else {
802             unsigned Reg = MO.getReg();
803             if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
804             // These are extra physical register defs when a sub-register
805             // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
806             // larger registers). Ignore.
807             if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
808
809             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
810             spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
811             PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
812             AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
813
814             for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
815                  *SubRegs; ++SubRegs) {
816               if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
817                 MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
818                 PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
819                 AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
820               }
821             }
822           }
823         }
824       }
825     }
826
827     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
828     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
829     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
830     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
831     // to be live-in, or the input is badly hosed.
832     //
833     SmallSet<unsigned, 4> ReloadedRegs;
834     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
835       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
836       // here we are looking for only used operands (never def&use)
837       if (MO.isReg() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
838           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
839         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i, ReloadedRegs);
840     }
841
842     // If this instruction is the last user of this register, kill the
843     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
844     // spilled to memory.
845     //
846     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
847       unsigned VirtReg = Kills[i];
848       unsigned PhysReg = VirtReg;
849       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
850         // If the virtual register was never materialized into a register, it
851         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
852         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
853         PhysReg = PhysRegSlot;
854         PhysRegSlot = 0;
855       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
856         // Unallocatable register dead, ignore.
857         continue;
858       } else {
859         assert((!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1) &&
860                "Silently clearing a virtual register?");
861       }
862
863       if (PhysReg) {
864         DEBUG(errs() << "  Last use of " << TRI->getName(PhysReg)
865                      << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n");
866         removePhysReg(PhysReg);
867         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
868              *SubRegs; ++SubRegs) {
869           if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
870             DEBUG(errs()  << "  Last use of "
871                           << TRI->getName(*SubRegs) << "[%reg" << VirtReg
872                           <<"], removing it from live set\n");
873             removePhysReg(*SubRegs);
874           }
875         }
876       }
877     }
878
879     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
880     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
881     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
882       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
883       if (MO.isReg() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
884           !MO.isEarlyClobber() &&
885           TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
886         unsigned Reg = MO.getReg();
887         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
888         // These are extra physical register defs when a sub-register
889         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
890         // larger registers). Ignore.
891         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
892
893         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
894         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
895         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
896         AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
897
898         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
899              *SubRegs; ++SubRegs) {
900           if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
901             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
902             PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
903             AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
904           }
905         }
906       }
907     }
908
909     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
910     if (TID.ImplicitDefs) {
911       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
912            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
913         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
914         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
915           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
916           AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
917           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
918         }
919         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
920         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
921              *SubRegs; ++SubRegs) {
922           if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
923             AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
924             PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
925             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
926           }
927         }
928       }
929     }
930
931     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
932     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
933       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
934       if (MO.isReg() && MO.isDead())
935         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
936     }
937
938     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
939     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
940     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
941     // we need to scavenge a register.
942     //
943     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
944       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
945       if (MO.isReg() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
946           !MO.isEarlyClobber() &&
947           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
948         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
949         unsigned DestPhysReg;
950
951         // If DestVirtReg already has a value, use it.
952         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
953           DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
954         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
955         markVirtRegModified(DestVirtReg);
956         getVirtRegLastUse(DestVirtReg) = std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
957         DEBUG(errs() << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
958                      << " to %reg" << DestVirtReg << "\n");
959         MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
960       }
961     }
962
963     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
964     // kill them now.
965     //
966     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
967       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
968       unsigned PhysReg = VirtReg;
969       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
970         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
971         PhysReg = PhysRegSlot;
972         assert(PhysReg != 0);
973         PhysRegSlot = 0;
974       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
975         // Unallocatable register dead, ignore.
976         continue;
977       }
978
979       if (PhysReg) {
980         DEBUG(errs()  << "  Register " << TRI->getName(PhysReg)
981                       << " [%reg" << VirtReg
982                       << "] is never used, removing it from live set\n");
983         removePhysReg(PhysReg);
984         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
985              *AliasSet; ++AliasSet) {
986           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
987             DEBUG(errs()  << "  Register " << TRI->getName(*AliasSet)
988                           << " [%reg" << *AliasSet
989                           << "] is never used, removing it from live set\n");
990             removePhysReg(*AliasSet);
991           }
992         }
993       }
994     }
995     
996     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.  (Except that if
997     // the copy is dead, it must be kept to avoid messing up liveness info for
998     // the register scavenger.  See pr4100.)
999     unsigned SrcReg, DstReg, SrcSubReg, DstSubReg;
1000     if (TII->isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg, SrcSubReg, DstSubReg) &&
1001         SrcReg == DstReg && DeadDefs.empty())
1002       MBB.erase(MI);
1003   }
1004
1005   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
1006
1007   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
1008   for (unsigned i = 0, e = TRI->getNumRegs(); i != e; ++i)
1009     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2) {
1010       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
1011         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
1012       else
1013         removePhysReg(i);
1014     }
1015
1016 #if 0
1017   // This checking code is very expensive.
1018   bool AllOk = true;
1019   for (unsigned i = TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister,
1020            e = MF->getRegInfo().getLastVirtReg(); i <= e; ++i)
1021     if (unsigned PR = Virt2PhysRegMap[i]) {
1022       cerr << "Register still mapped: " << i << " -> " << PR << "\n";
1023       AllOk = false;
1024     }
1025   assert(AllOk && "Virtual registers still in phys regs?");
1026 #endif
1027
1028   // Clear any physical register which appear live at the end of the basic
1029   // block, but which do not hold any virtual registers.  e.g., the stack
1030   // pointer.
1031   PhysRegsUseOrder.clear();
1032 }
1033
1034 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
1035 ///
1036 bool RALocal::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
1037   DEBUG(errs() << "Machine Function\n");
1038   MF = &Fn;
1039   TM = &Fn.getTarget();
1040   TRI = TM->getRegisterInfo();
1041   TII = TM->getInstrInfo();
1042
1043   PhysRegsUsed.assign(TRI->getNumRegs(), -1);
1044   
1045   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
1046   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
1047   // being pinned down, permanently.
1048   {
1049     BitVector Allocable = TRI->getAllocatableSet(Fn);
1050     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
1051       if (!Allocable[i])
1052         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
1053   }
1054
1055   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
1056   // mapping for all virtual registers
1057   unsigned LastVirtReg = MF->getRegInfo().getLastVirtReg();
1058   StackSlotForVirtReg.grow(LastVirtReg);
1059   Virt2PhysRegMap.grow(LastVirtReg);
1060   Virt2LastUseMap.grow(LastVirtReg);
1061   VirtRegModified.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
1062   UsedInMultipleBlocks.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
1063  
1064   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
1065   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
1066        MBB != MBBe; ++MBB)
1067     AllocateBasicBlock(*MBB);
1068
1069   StackSlotForVirtReg.clear();
1070   PhysRegsUsed.clear();
1071   VirtRegModified.clear();
1072   UsedInMultipleBlocks.clear();
1073   Virt2PhysRegMap.clear();
1074   Virt2LastUseMap.clear();
1075   return true;
1076 }
1077
1078 FunctionPass *llvm::createLocalRegisterAllocator() {
1079   return new RALocal();
1080 }