Revert r53367, which was breaking things.
[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/ADT/IndexedMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include <algorithm>
33 #include <map>
34 using namespace llvm;
35
36 STATISTIC(NumStores, "Number of stores added");
37 STATISTIC(NumLoads , "Number of loads added");
38
39 static RegisterRegAlloc
40   localRegAlloc("local", "  local register allocator",
41                 createLocalRegisterAllocator);
42
43 namespace {
44   class VISIBILITY_HIDDEN RALocal : public MachineFunctionPass {
45   public:
46     static char ID;
47     RALocal() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
48   private:
49     const TargetMachine *TM;
50     MachineFunction *MF;
51     const TargetRegisterInfo *TRI;
52     const TargetInstrInfo *TII;
53
54     // StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
55     // values are spilled.
56     std::map<unsigned, int> StackSlotForVirtReg;
57
58     // Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
59     // that is currently available in a physical register.
60     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
61
62     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
63       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
64     }
65
66     // PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
67     // each physical register that currently has a value (ie, it is in
68     // Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
69     // corresponding to the physical register (the inverse of the
70     // Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
71     // because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
72     // allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
73     // physical register is "not in the map".
74     //
75     std::vector<int> PhysRegsUsed;
76
77     // PhysRegsUseOrder - This contains a list of the physical registers that
78     // currently have a virtual register value in them.  This list provides an
79     // ordering of registers, imposing a reallocation order.  This list is only
80     // used if all registers are allocated and we have to spill one, in which
81     // case we spill the least recently used register.  Entries at the front of
82     // the list are the least recently used registers, entries at the back are
83     // the most recently used.
84     //
85     std::vector<unsigned> PhysRegsUseOrder;
86
87     // Virt2LastUseMap - This maps each virtual register to its last use
88     // (MachineInstr*, operand index pair).
89     IndexedMap<std::pair<MachineInstr*, unsigned>, VirtReg2IndexFunctor>
90     Virt2LastUseMap;
91
92     std::pair<MachineInstr*,unsigned>& getVirtRegLastUse(unsigned Reg) {
93       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
94       return Virt2LastUseMap[Reg];
95     }
96
97     // VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
98     // registers need to be spilled back to memory when their registers are
99     // scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
100     // is no reason to spill it to memory when we need the register back.
101     //
102     BitVector VirtRegModified;
103     
104     // UsedInMultipleBlocks - Tracks whether a particular register is used in
105     // more than one block.
106     BitVector UsedInMultipleBlocks;
107
108     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
109       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
110       Reg -= TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
111       if (Val)
112         VirtRegModified.set(Reg);
113       else
114         VirtRegModified.reset(Reg);
115     }
116
117     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
118       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
119       assert(Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
120              && "Illegal virtual register!");
121       return VirtRegModified[Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
122     }
123
124     void AddToPhysRegsUseOrder(unsigned Reg) {
125       std::vector<unsigned>::iterator It =
126         std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), Reg);
127       if (It != PhysRegsUseOrder.end())
128         PhysRegsUseOrder.erase(It);
129       PhysRegsUseOrder.push_back(Reg);
130     }
131
132     void MarkPhysRegRecentlyUsed(unsigned Reg) {
133       if (PhysRegsUseOrder.empty() ||
134           PhysRegsUseOrder.back() == Reg) return;  // Already most recently used
135
136       for (unsigned i = PhysRegsUseOrder.size(); i != 0; --i)
137         if (areRegsEqual(Reg, PhysRegsUseOrder[i-1])) {
138           unsigned RegMatch = PhysRegsUseOrder[i-1];       // remove from middle
139           PhysRegsUseOrder.erase(PhysRegsUseOrder.begin()+i-1);
140           // Add it to the end of the list
141           PhysRegsUseOrder.push_back(RegMatch);
142           if (RegMatch == Reg)
143             return;    // Found an exact match, exit early
144         }
145     }
146
147   public:
148     virtual const char *getPassName() const {
149       return "Local Register Allocator";
150     }
151
152     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
153       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
154       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
155       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
156     }
157
158   private:
159     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
160     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
161
162     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
163     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
164
165
166     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
167     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
168     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
169     ///
170     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
171       if (R1 == R2) return true;
172       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(R2);
173            *AliasSet; ++AliasSet) {
174         if (*AliasSet == R1) return true;
175       }
176       return false;
177     }
178
179     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
180     /// register on the stack, allocating space if necessary.
181     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
182
183     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
184     /// longer being in use.
185     ///
186     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
187
188     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
189     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
190     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
191     ///
192     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
193                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
194
195     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
196     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
197     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
198     /// contain a virtual register.
199     ///
200     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
201                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
202
203     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
204     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
205     /// register must not be used for anything else when this is called.
206     ///
207     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
208
209     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
210     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
211     /// aliased registers are all free...
212     ///
213     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
214
215     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
216     /// specified register class.  If not, return 0.
217     ///
218     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
219
220     /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
221     /// register.  If all compatible physical registers are used, this method
222     /// spills the last used virtual register to the stack, and uses that
223     /// register.
224     ///
225     unsigned getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
226                     unsigned VirtReg);
227
228     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
229     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
230     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
231     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
232     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
233     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
234     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
235     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
236     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
237     /// value.  This method returns the modified instruction.
238     ///
239     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
240                                 unsigned OpNum);
241
242     /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
243     /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
244     void ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB);
245
246     void reloadPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator &I,
247                        unsigned PhysReg);
248   };
249   char RALocal::ID = 0;
250 }
251
252 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
253 /// to be held on the stack.
254 int RALocal::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
255   // Find the location Reg would belong...
256   std::map<unsigned, int>::iterator I = StackSlotForVirtReg.find(VirtReg);
257
258   if (I != StackSlotForVirtReg.end())
259     return I->second;          // Already has space allocated?
260
261   // Allocate a new stack object for this spill location...
262   int FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
263                                                        RC->getAlignment());
264
265   // Assign the slot...
266   StackSlotForVirtReg.insert(I, std::make_pair(VirtReg, FrameIdx));
267   return FrameIdx;
268 }
269
270
271 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
272 /// longer being in use.
273 ///
274 void RALocal::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
275   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
276
277   std::vector<unsigned>::iterator It =
278     std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), PhysReg);
279   if (It != PhysRegsUseOrder.end())
280     PhysRegsUseOrder.erase(It);
281 }
282
283
284 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
285 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
286 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
287 ///
288 void RALocal::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
289                            MachineBasicBlock::iterator I,
290                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
291   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
292          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
293          " the intended one.");
294   DOUT << "  Spilling register " << TRI->getName(PhysReg)
295        << " containing %reg" << VirtReg;
296   
297   if (!isVirtRegModified(VirtReg)) {
298     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
299     std::pair<MachineInstr*, unsigned> &LastUse = getVirtRegLastUse(VirtReg);
300     if (LastUse.first)
301       LastUse.first->getOperand(LastUse.second).setIsKill();
302   } else {
303     // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
304     // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
305     // modified.
306     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
307     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
308     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
309     // If the instruction reads the register that's spilled, (e.g. this can
310     // happen if it is a move to a physical register), then the spill
311     // instruction is not a kill.
312     bool isKill = !(I != MBB.end() && I->readsRegister(PhysReg));
313     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, isKill, FrameIndex, RC);
314     ++NumStores;   // Update statistics
315   }
316
317   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
318
319   DOUT << "\n";
320   removePhysReg(PhysReg);
321 }
322
323
324 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
325 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
326 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
327 /// virtual register.
328 ///
329 void RALocal::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
330                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
331   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
332     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
333     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
334       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
335   } else {
336     // If the selected register aliases any other registers, we must make
337     // sure that one of the aliases isn't alive.
338     for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
339          *AliasSet; ++AliasSet)
340       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
341           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
342           if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
343             spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
344   }
345 }
346
347
348 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
349 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
350 /// register must not be used for anything else when this is called.
351 ///
352 void RALocal::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
353   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
354   // Update information to note the fact that this register was just used, and
355   // it holds VirtReg.
356   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
357   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
358   AddToPhysRegsUseOrder(PhysReg);   // New use of PhysReg
359 }
360
361
362 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
363 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
364 /// registers are all free...
365 ///
366 bool RALocal::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
367   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
368
369   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
370   // not free!
371   for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
372        *AliasSet; ++AliasSet)
373     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] >= 0) // Aliased register in use?
374       return false;                    // Can't use this reg then.
375   return true;
376 }
377
378
379 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
380 /// specified register class.  If not, return 0.
381 ///
382 unsigned RALocal::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
383   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
384   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
385   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
386   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
387
388   for (; RI != RE; ++RI)
389     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
390       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
391       return *RI; // Found an unused register!
392     }
393   return 0;
394 }
395
396
397 /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
398 /// register.  If all compatible physical registers are used, this method spills
399 /// the last used virtual register to the stack, and uses that register.
400 ///
401 unsigned RALocal::getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
402                          unsigned VirtReg) {
403   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
404
405   // First check to see if we have a free register of the requested type...
406   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
407
408   // If we didn't find an unused register, scavenge one now!
409   if (PhysReg == 0) {
410     assert(!PhysRegsUseOrder.empty() && "No allocated registers??");
411
412     // Loop over all of the preallocated registers from the least recently used
413     // to the most recently used.  When we find one that is capable of holding
414     // our register, use it.
415     for (unsigned i = 0; PhysReg == 0; ++i) {
416       assert(i != PhysRegsUseOrder.size() &&
417              "Couldn't find a register of the appropriate class!");
418
419       unsigned R = PhysRegsUseOrder[i];
420
421       // We can only use this register if it holds a virtual register (ie, it
422       // can be spilled).  Do not use it if it is an explicitly allocated
423       // physical register!
424       assert(PhysRegsUsed[R] != -1 &&
425              "PhysReg in PhysRegsUseOrder, but is not allocated?");
426       if (PhysRegsUsed[R] && PhysRegsUsed[R] != -2) {
427         // If the current register is compatible, use it.
428         if (RC->contains(R)) {
429           PhysReg = R;
430           break;
431         } else {
432           // If one of the registers aliased to the current register is
433           // compatible, use it.
434           for (const unsigned *AliasIt = TRI->getAliasSet(R);
435                *AliasIt; ++AliasIt) {
436             if (RC->contains(*AliasIt) &&
437                 // If this is pinned down for some reason, don't use it.  For
438                 // example, if CL is pinned, and we run across CH, don't use
439                 // CH as justification for using scavenging ECX (which will
440                 // fail).
441                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != 0 &&
442                 
443                 // Make sure the register is allocatable.  Don't allocate SIL on
444                 // x86-32.
445                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != -2) {
446               PhysReg = *AliasIt;    // Take an aliased register
447               break;
448             }
449           }
450         }
451       }
452     }
453
454     assert(PhysReg && "Physical register not assigned!?!?");
455
456     // At this point PhysRegsUseOrder[i] is the least recently used register of
457     // compatible register class.  Spill it to memory and reap its remains.
458     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
459   }
460
461   // Now that we know which register we need to assign this to, do it now!
462   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
463   return PhysReg;
464 }
465
466
467 /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
468 /// register use to refer to a physical register.  This method may do this in
469 /// one of several ways: if the register is available in a physical register
470 /// already, it uses that physical register.  If the value is not in a physical
471 /// register, and if there are physical registers available, it loads it into a
472 /// register.  If register pressure is high, and it is possible, it tries to
473 /// fold the load of the virtual register into the instruction itself.  It
474 /// avoids doing this if register pressure is low to improve the chance that
475 /// subsequent instructions can use the reloaded value.  This method returns the
476 /// modified instruction.
477 ///
478 MachineInstr *RALocal::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
479                                      unsigned OpNum) {
480   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
481
482   // If the virtual register is already available, just update the instruction
483   // and return.
484   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
485     MarkPhysRegRecentlyUsed(PR);       // Already have this value available!
486     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);  // Assign the input register
487     getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
488     return MI;
489   }
490
491   // Otherwise, we need to fold it into the current instruction, or reload it.
492   // If we have registers available to hold the value, use them.
493   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
494   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
495   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
496
497   if (PhysReg) {   // Register is available, allocate it!
498     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
499   } else {         // No registers available.
500     // Force some poor hapless value out of the register file to
501     // make room for the new register, and reload it.
502     PhysReg = getReg(MBB, MI, VirtReg);
503   }
504
505   markVirtRegModified(VirtReg, false);   // Note that this reg was just reloaded
506
507   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
508        << TRI->getName(PhysReg) << "\n";
509
510   // Add move instruction(s)
511   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
512   ++NumLoads;    // Update statistics
513
514   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
515   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
516   getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
517   return MI;
518 }
519
520 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
521 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
522 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
523   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
524     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
525     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
526         MO.isDef() && !MO.isDead())
527       return true;
528   }
529   return false;
530 }
531
532 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
533 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
534 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
535   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
536     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
537     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
538         !MO.isDef() && MO.isKill())
539       return true;
540   }
541   return false;
542 }
543
544 // precedes - Helper function to determine with MachineInstr A
545 // precedes MachineInstr B within the same MBB.
546 static bool precedes(MachineBasicBlock::iterator A,
547                      MachineBasicBlock::iterator B) {
548   if (A == B)
549     return false;
550   
551   MachineBasicBlock::iterator I = A->getParent()->begin();
552   while (I != A->getParent()->end()) {
553     if (I == A)
554       return true;
555     else if (I == B)
556       return false;
557     
558     ++I;
559   }
560   
561   return false;
562 }
563
564 /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
565 /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
566 void RALocal::ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB) {
567   MachineRegisterInfo& MRI = MBB.getParent()->getRegInfo();
568   // Keep track of the most recently seen previous use or def of each reg, 
569   // so that we can update them with dead/kill markers.
570   std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> > LastUseDef;
571   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB.begin(), E = MBB.end();
572        I != E; ++I) {
573     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
574       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
575       // Uses don't trigger any flags, but we need to save
576       // them for later.  Also, we have to process these
577       // _before_ processing the defs, since an instr
578       // uses regs before it defs them.
579       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isUse())
580         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
581     }
582     
583     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
584       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
585       // Defs others than 2-addr redefs _do_ trigger flag changes:
586       //   - A def followed by a def is dead
587       //   - A use followed by a def is a kill
588       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isDef()) {
589         std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
590           last = LastUseDef.find(MO.getReg());
591         if (last != LastUseDef.end()) {
592           
593           // If this is a two address instr, then we don't mark the def
594           // as killing the use.
595           if (last->second.first == I &&
596               I->getDesc().getOperandConstraint(last->second.second,
597                                                 TOI::TIED_TO) == (signed)i) {
598             LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
599             continue;
600           }
601             
602           
603           MachineOperand& lastUD =
604                       last->second.first->getOperand(last->second.second);
605           
606           if (lastUD.isDef())
607             lastUD.setIsDead(true);
608           else if (lastUD.isUse())
609             lastUD.setIsKill(true);
610         }
611         
612         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
613       }
614     }
615   }
616   
617   // Live-out (of the function) registers contain return values of the function,
618   // so we need to make sure they are alive at return time.
619   if (!MBB.empty() && MBB.back().getDesc().isReturn()) {
620     MachineInstr* Ret = &MBB.back();
621     for (MachineRegisterInfo::liveout_iterator
622          I = MF->getRegInfo().liveout_begin(),
623          E = MF->getRegInfo().liveout_end(); I != E; ++I)
624       if (!Ret->readsRegister(*I)) {
625         Ret->addOperand(MachineOperand::CreateReg(*I, false, true));
626         LastUseDef[*I] = std::make_pair(Ret, Ret->getNumOperands()-1);
627       }
628   }
629   
630   // Finally, loop over the final use/def of each reg 
631   // in the block and determine if it is dead.
632   for (std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
633        I = LastUseDef.begin(), E = LastUseDef.end(); I != E; ++I) {
634     MachineInstr* MI = I->second.first;
635     unsigned idx = I->second.second;
636     MachineOperand& MO = MI->getOperand(idx);
637     
638     bool isPhysReg = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg());
639     
640     // A crude approximation of "live-out" calculation
641     bool usedOutsideBlock = isPhysReg ? false :   
642           UsedInMultipleBlocks.test(MO.getReg() -  
643                                     TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
644     if (!isPhysReg && !usedOutsideBlock)
645       for (MachineRegisterInfo::reg_iterator UI = MRI.reg_begin(MO.getReg()),
646            UE = MRI.reg_end(); UI != UE; ++UI)
647         // Two cases:
648         // - used in another block
649         // - used in the same block before it is defined (loop)
650         if (UI->getParent() != &MBB ||
651             (MO.isDef() && UI.getOperand().isUse() && precedes(&*UI, MI))) {
652           UsedInMultipleBlocks.set(MO.getReg() - 
653                                    TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
654           usedOutsideBlock = true;
655           break;
656         }
657     
658     // Physical registers and those that are not live-out of the block
659     // are killed/dead at their last use/def within this block.
660     if (isPhysReg || !usedOutsideBlock) {
661       if (MO.isUse())
662         MO.setIsKill(true);
663       else if (MI->getOperand(idx).isDef())
664         MO.setIsDead(true);
665     }
666   }
667 }
668
669 void RALocal::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
670   // loop over each instruction
671   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
672   
673   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
674         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
675
676   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
677   // registers as active.
678   if (&MBB == &*MF->begin() || MBB.isLandingPad()) {
679     for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = MBB.livein_begin(),
680          E = MBB.livein_end(); I != E; ++I) {
681       unsigned Reg = *I;
682       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
683       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
684       AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
685       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
686            *AliasSet; ++AliasSet) {
687         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
688           AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
689           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
690           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
691         }
692       }
693     }    
694   }
695   
696   ComputeLocalLiveness(MBB);
697   
698   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
699   while (MII != MBB.end()) {
700     MachineInstr *MI = MII++;
701     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
702     DEBUG(DOUT << "\nStarting RegAlloc of: " << *MI;
703           DOUT << "  Regs have values: ";
704           for (unsigned i = 0; i != TRI->getNumRegs(); ++i)
705             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
706                DOUT << "[" << TRI->getName(i)
707                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
708           DOUT << "\n");
709
710     // Loop over the implicit uses, making sure that they are at the head of the
711     // use order list, so they don't get reallocated.
712     if (TID.ImplicitUses) {
713       for (const unsigned *ImplicitUses = TID.ImplicitUses;
714            *ImplicitUses; ++ImplicitUses)
715         MarkPhysRegRecentlyUsed(*ImplicitUses);
716     }
717
718     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
719     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
720       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
721       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
722         if (!MO.isImplicit())
723           Kills.push_back(MO.getReg());
724         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
725           // These are extra physical register kills when a sub-register
726           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
727           // larger registers). Ignore.
728           Kills.push_back(MO.getReg());
729       }
730     }
731
732     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
733     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
734     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
735     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
736     // to be live-in, or the input is badly hosed.
737     //
738     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
739       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
740       // here we are looking for only used operands (never def&use)
741       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
742           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
743         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
744     }
745
746     // If this instruction is the last user of this register, kill the
747     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
748     // spilled to memory.
749     //
750     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
751       unsigned VirtReg = Kills[i];
752       unsigned PhysReg = VirtReg;
753       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
754         // If the virtual register was never materialized into a register, it
755         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
756         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
757         PhysReg = PhysRegSlot;
758         PhysRegSlot = 0;
759       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
760         // Unallocatable register dead, ignore.
761         continue;
762       } else {
763         assert((!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1) &&
764                "Silently clearing a virtual register?");
765       }
766
767       if (PhysReg) {
768         DOUT << "  Last use of " << TRI->getName(PhysReg)
769              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
770         removePhysReg(PhysReg);
771         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
772              *AliasSet; ++AliasSet) {
773           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
774             DOUT  << "  Last use of "
775                   << TRI->getName(*AliasSet)
776                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
777             removePhysReg(*AliasSet);
778           }
779         }
780       }
781     }
782
783     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
784     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
785     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
786       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
787       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
788           TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
789         unsigned Reg = MO.getReg();
790         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
791         // These are extra physical register defs when a sub-register
792         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
793         // larger registers). Ignore.
794         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
795
796         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
797         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
798         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
799         AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
800
801         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
802              *AliasSet; ++AliasSet) {
803           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
804             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
805             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
806             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
807           }
808         }
809       }
810     }
811
812     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
813     if (TID.ImplicitDefs) {
814       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
815            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
816         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
817         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
818           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
819           AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
820           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
821         }
822         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
823         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
824              *AliasSet; ++AliasSet) {
825           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
826             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
827             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
828             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
829           }
830         }
831       }
832     }
833
834     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
835     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
836       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
837       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
838         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
839     }
840
841     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
842     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
843     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
844     // we need to scavenge a register.
845     //
846     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
847       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
848       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
849           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
850         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
851         unsigned DestPhysReg;
852
853         // If DestVirtReg already has a value, use it.
854         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
855           DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
856         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
857         markVirtRegModified(DestVirtReg);
858         getVirtRegLastUse(DestVirtReg) = std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
859         DOUT << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
860              << " to %reg" << DestVirtReg << "\n";
861         MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
862       }
863     }
864
865     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
866     // kill them now.
867     //
868     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
869       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
870       unsigned PhysReg = VirtReg;
871       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
872         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
873         PhysReg = PhysRegSlot;
874         assert(PhysReg != 0);
875         PhysRegSlot = 0;
876       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
877         // Unallocatable register dead, ignore.
878         continue;
879       }
880
881       if (PhysReg) {
882         DOUT  << "  Register " << TRI->getName(PhysReg)
883               << " [%reg" << VirtReg
884               << "] is never used, removing it frame live list\n";
885         removePhysReg(PhysReg);
886         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
887              *AliasSet; ++AliasSet) {
888           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
889             DOUT  << "  Register " << TRI->getName(*AliasSet)
890                   << " [%reg" << *AliasSet
891                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
892             removePhysReg(*AliasSet);
893           }
894         }
895       }
896     }
897     
898     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
899     unsigned SrcReg, DstReg;
900     if (TII->isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg)
901       MBB.erase(MI);
902   }
903
904   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
905
906   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
907   for (unsigned i = 0, e = TRI->getNumRegs(); i != e; ++i)
908     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2) {
909       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
910         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
911       else
912         removePhysReg(i);
913     }
914
915 #if 0
916   // This checking code is very expensive.
917   bool AllOk = true;
918   for (unsigned i = TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister,
919            e = MF->getRegInfo().getLastVirtReg(); i <= e; ++i)
920     if (unsigned PR = Virt2PhysRegMap[i]) {
921       cerr << "Register still mapped: " << i << " -> " << PR << "\n";
922       AllOk = false;
923     }
924   assert(AllOk && "Virtual registers still in phys regs?");
925 #endif
926
927   // Clear any physical register which appear live at the end of the basic
928   // block, but which do not hold any virtual registers.  e.g., the stack
929   // pointer.
930   PhysRegsUseOrder.clear();
931 }
932
933 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
934 ///
935 bool RALocal::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
936   DOUT << "Machine Function " << "\n";
937   MF = &Fn;
938   TM = &Fn.getTarget();
939   TRI = TM->getRegisterInfo();
940   TII = TM->getInstrInfo();
941
942   PhysRegsUsed.assign(TRI->getNumRegs(), -1);
943   
944   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
945   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
946   // being pinned down, permanently.
947   {
948     BitVector Allocable = TRI->getAllocatableSet(Fn);
949     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
950       if (!Allocable[i])
951         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
952   }
953
954   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
955   // mapping for all virtual registers
956   unsigned LastVirtReg = MF->getRegInfo().getLastVirtReg();
957   Virt2PhysRegMap.grow(LastVirtReg);
958   Virt2LastUseMap.grow(LastVirtReg);
959   VirtRegModified.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
960   UsedInMultipleBlocks.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
961  
962   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
963   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
964        MBB != MBBe; ++MBB)
965     AllocateBasicBlock(*MBB);
966
967   StackSlotForVirtReg.clear();
968   PhysRegsUsed.clear();
969   VirtRegModified.clear();
970   UsedInMultipleBlocks.clear();
971   Virt2PhysRegMap.clear();
972   Virt2LastUseMap.clear();
973   return true;
974 }
975
976 FunctionPass *llvm::createLocalRegisterAllocator() {
977   return new RALocal();
978 }