lib/CodeGen/SpillPlacement.cpp

   1 //===-- SpillPlacement.cpp - Optimal Spill Code Placement -----------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file implements the spill code placement analysis.
  11 //
  12 // Each edge bundle corresponds to a node in a Hopfield network. Constraints on
  13 // basic blocks are weighted by the block frequency and added to become the node
  14 // bias.
  15 //
  16 // Transparent basic blocks have the variable live through, but don't care if it
  17 // is spilled or in a register. These blocks become connections in the Hopfield
  18 // network, again weighted by block frequency.
  19 //
  20 // The Hopfield network minimizes (possibly locally) its energy function:
  21 //
  22 //   E = -sum_n V_n * ( B_n + sum_{n, m linked by b} V_m * F_b )
  23 //
  24 // The energy function represents the expected spill code execution frequency,
  25 // or the cost of spilling. This is a Lyapunov function which never increases
  26 // when a node is updated. It is guaranteed to converge to a local minimum.
  27 //
  28 //===----------------------------------------------------------------------===//
  29
  30 #define DEBUG_TYPE "spillplacement"
  31 #include "SpillPlacement.h"
  32 #include "llvm/CodeGen/EdgeBundles.h"
  33 #include "llvm/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.h"
  34 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
  35 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  36 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  37 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  38 #include "llvm/Support/Debug.h"
  39 #include "llvm/Support/Format.h"
  40
  41 using namespace llvm;
  42
  43 char SpillPlacement::ID = 0;
  44 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SpillPlacement, "spill-code-placement",
  45                       "Spill Code Placement Analysis", true, true)
  46 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(EdgeBundles)
  47 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
  48 INITIALIZE_PASS_END(SpillPlacement, "spill-code-placement",
  49                     "Spill Code Placement Analysis", true, true)
  50
  51 char &llvm::SpillPlacementID = SpillPlacement::ID;
  52
  53 void SpillPlacement::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  54   AU.setPreservesAll();
  55   AU.addRequiredTransitive<EdgeBundles>();
  56   AU.addRequiredTransitive<MachineLoopInfo>();
  57   MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
  58 }
  59
  60 /// Node - Each edge bundle corresponds to a Hopfield node.
  61 ///
  62 /// The node contains precomputed frequency data that only depends on the CFG,
  63 /// but Bias and Links are computed each time placeSpills is called.
  64 ///
  65 /// The node Value is positive when the variable should be in a register. The
  66 /// value can change when linked nodes change, but convergence is very fast
  67 /// because all weights are positive.
  68 ///
  69 struct SpillPlacement::Node {
  70   /// Scale - Inverse block frequency feeding into[0] or out of[1] the bundle.
  71   /// Ideally, these two numbers should be identical, but inaccuracies in the
  72   /// block frequency estimates means that we need to normalize ingoing and
  73   /// outgoing frequencies separately so they are commensurate.
  74   float Scale[2];
  75
  76   /// Bias - Normalized contributions from non-transparent blocks.
  77   /// A bundle connected to a MustSpill block has a huge negative bias,
  78   /// otherwise it is a number in the range [-2;2].
  79   float Bias;
  80
  81   /// Value - Output value of this node computed from the Bias and links.
  82   /// This is always in the range [-1;1]. A positive number means the variable
  83   /// should go in a register through this bundle.
  84   float Value;
  85
  86   typedef SmallVector<std::pair<float, unsigned>, 4> LinkVector;
  87
  88   /// Links - (Weight, BundleNo) for all transparent blocks connecting to other
  89   /// bundles. The weights are all positive and add up to at most 2, weights
  90   /// from ingoing and outgoing nodes separately add up to a most 1. The weight
  91   /// sum can be less than 2 when the variable is not live into / out of some
  92   /// connected basic blocks.
  93   LinkVector Links;
  94
  95   /// preferReg - Return true when this node prefers to be in a register.
  96   bool preferReg() const {
  97     // Undecided nodes (Value==0) go on the stack.
  98     return Value > 0;
  99   }
 100
 101   /// mustSpill - Return True if this node is so biased that it must spill.
 102   bool mustSpill() const {
 103     // Actually, we must spill if Bias < sum(weights).
 104     // It may be worth it to compute the weight sum here?
 105     return Bias < -2.0f;
 106   }
 107
 108   /// Node - Create a blank Node.
 109   Node() {
 110     Scale[0] = Scale[1] = 0;
 111   }
 112
 113   /// clear - Reset per-query data, but preserve frequencies that only depend on
 114   // the CFG.
 115   void clear() {
 116     Bias = Value = 0;
 117     Links.clear();
 118   }
 119
 120   /// addLink - Add a link to bundle b with weight w.
 121   /// out=0 for an ingoing link, and 1 for an outgoing link.
 122   void addLink(unsigned b, float w, bool out) {
 123     // Normalize w relative to all connected blocks from that direction.
 124     w *= Scale[out];
 125
 126     // There can be multiple links to the same bundle, add them up.
 127     for (LinkVector::iterator I = Links.begin(), E = Links.end(); I != E; ++I)
 128       if (I->second == b) {
 129         I->first += w;
 130         return;
 131       }
 132     // This must be the first link to b.
 133     Links.push_back(std::make_pair(w, b));
 134   }
 135
 136   /// addBias - Bias this node from an ingoing[0] or outgoing[1] link.
 137   /// Return the change to the total number of positive biases.
 138   void addBias(float w, bool out) {
 139     // Normalize w relative to all connected blocks from that direction.
 140     w *= Scale[out];
 141     Bias += w;
 142   }
 143
 144   /// update - Recompute Value from Bias and Links. Return true when node
 145   /// preference changes.
 146   bool update(const Node nodes[]) {
 147     // Compute the weighted sum of inputs.
 148     float Sum = Bias;
 149     for (LinkVector::iterator I = Links.begin(), E = Links.end(); I != E; ++I)
 150       Sum += I->first * nodes[I->second].Value;
 151
 152     // The weighted sum is going to be in the range [-2;2]. Ideally, we should
 153     // simply set Value = sign(Sum), but we will add a dead zone around 0 for
 154     // two reasons:
 155     //  1. It avoids arbitrary bias when all links are 0 as is possible during
 156     //     initial iterations.
 157     //  2. It helps tame rounding errors when the links nominally sum to 0.
 158     const float Thres = 1e-4f;
 159     bool Before = preferReg();
 160     if (Sum < -Thres)
 161       Value = -1;
 162     else if (Sum > Thres)
 163       Value = 1;
 164     else
 165       Value = 0;
 166     return Before != preferReg();
 167   }
 168 };
 169
 170 bool SpillPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &mf) {
 171   MF = &mf;
 172   bundles = &getAnalysis<EdgeBundles>();
 173   loops = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
 174
 175   assert(!nodes && "Leaking node array");
 176   nodes = new Node[bundles->getNumBundles()];
 177
 178   // Compute total ingoing and outgoing block frequencies for all bundles.
 179   BlockFrequency.resize(mf.getNumBlockIDs());
 180   for (MachineFunction::iterator I = mf.begin(), E = mf.end(); I != E; ++I) {
 181     float Freq = LiveIntervals::getSpillWeight(true, false,
 182                                                loops->getLoopDepth(I));
 183     unsigned Num = I->getNumber();
 184     BlockFrequency[Num] = Freq;
 185     nodes[bundles->getBundle(Num, 1)].Scale[0] += Freq;
 186     nodes[bundles->getBundle(Num, 0)].Scale[1] += Freq;
 187   }
 188
 189   // Scales are reciprocal frequencies.
 190   for (unsigned i = 0, e = bundles->getNumBundles(); i != e; ++i)
 191     for (unsigned d = 0; d != 2; ++d)
 192       if (nodes[i].Scale[d] > 0)
 193         nodes[i].Scale[d] = 1 / nodes[i].Scale[d];
 194
 195   // We never change the function.
 196   return false;
 197 }
 198
 199 void SpillPlacement::releaseMemory() {
 200   delete[] nodes;
 201   nodes = 0;
 202 }
 203
 204 /// activate - mark node n as active if it wasn't already.
 205 void SpillPlacement::activate(unsigned n) {
 206   if (ActiveNodes->test(n))
 207     return;
 208   ActiveNodes->set(n);
 209   nodes[n].clear();
 210
 211   // Very large bundles usually come from big switches, indirect branches,
 212   // landing pads, or loops with many 'continue' statements. It is difficult to
 213   // allocate registers when so many different blocks are involved.
 214   //
 215   // Give a small negative bias to large bundles such that 1/32 of the
 216   // connected blocks need to be interested before we consider expanding the
 217   // region through the bundle. This helps compile time by limiting the number
 218   // of blocks visited and the number of links in the Hopfield network.
 219   if (bundles->getBlocks(n).size() > 100)
 220     nodes[n].Bias = -0.0625f;
 221 }
 222
 223
 224 /// addConstraints - Compute node biases and weights from a set of constraints.
 225 /// Set a bit in NodeMask for each active node.
 226 void SpillPlacement::addConstraints(ArrayRef<BlockConstraint> LiveBlocks) {
 227   for (ArrayRef<BlockConstraint>::iterator I = LiveBlocks.begin(),
 228        E = LiveBlocks.end(); I != E; ++I) {
 229     float Freq = getBlockFrequency(I->Number);
 230     const float Bias[] = {
 231       0,           // DontCare,
 232       1,           // PrefReg,
 233       -1,          // PrefSpill
 234       0,           // PrefBoth
 235       -HUGE_VALF   // MustSpill
 236     };
 237
 238     // Live-in to block?
 239     if (I->Entry != DontCare) {
 240       unsigned ib = bundles->getBundle(I->Number, 0);
 241       activate(ib);
 242       nodes[ib].addBias(Freq * Bias[I->Entry], 1);
 243     }
 244
 245     // Live-out from block?
 246     if (I->Exit != DontCare) {
 247       unsigned ob = bundles->getBundle(I->Number, 1);
 248       activate(ob);
 249       nodes[ob].addBias(Freq * Bias[I->Exit], 0);
 250     }
 251   }
 252 }
 253
 254 /// addPrefSpill - Same as addConstraints(PrefSpill)
 255 void SpillPlacement::addPrefSpill(ArrayRef<unsigned> Blocks, bool Strong) {
 256   for (ArrayRef<unsigned>::iterator I = Blocks.begin(), E = Blocks.end();
 257        I != E; ++I) {
 258     float Freq = getBlockFrequency(*I);
 259     if (Strong)
 260       Freq += Freq;
 261     unsigned ib = bundles->getBundle(*I, 0);
 262     unsigned ob = bundles->getBundle(*I, 1);
 263     activate(ib);
 264     activate(ob);
 265     nodes[ib].addBias(-Freq, 1);
 266     nodes[ob].addBias(-Freq, 0);
 267   }
 268 }
 269
 270 void SpillPlacement::addLinks(ArrayRef<unsigned> Links) {
 271   for (ArrayRef<unsigned>::iterator I = Links.begin(), E = Links.end(); I != E;
 272        ++I) {
 273     unsigned Number = *I;
 274     unsigned ib = bundles->getBundle(Number, 0);
 275     unsigned ob = bundles->getBundle(Number, 1);
 276
 277     // Ignore self-loops.
 278     if (ib == ob)
 279       continue;
 280     activate(ib);
 281     activate(ob);
 282     if (nodes[ib].Links.empty() && !nodes[ib].mustSpill())
 283       Linked.push_back(ib);
 284     if (nodes[ob].Links.empty() && !nodes[ob].mustSpill())
 285       Linked.push_back(ob);
 286     float Freq = getBlockFrequency(Number);
 287     nodes[ib].addLink(ob, Freq, 1);
 288     nodes[ob].addLink(ib, Freq, 0);
 289   }
 290 }
 291
 292 bool SpillPlacement::scanActiveBundles() {
 293   Linked.clear();
 294   RecentPositive.clear();
 295   for (int n = ActiveNodes->find_first(); n>=0; n = ActiveNodes->find_next(n)) {
 296     nodes[n].update(nodes);
 297     // A node that must spill, or a node without any links is not going to
 298     // change its value ever again, so exclude it from iterations.
 299     if (nodes[n].mustSpill())
 300       continue;
 301     if (!nodes[n].Links.empty())
 302       Linked.push_back(n);
 303     if (nodes[n].preferReg())
 304       RecentPositive.push_back(n);
 305   }
 306   return !RecentPositive.empty();
 307 }
 308
 309 /// iterate - Repeatedly update the Hopfield nodes until stability or the
 310 /// maximum number of iterations is reached.
 311 /// @param Linked - Numbers of linked nodes that need updating.
 312 void SpillPlacement::iterate() {
 313   // First update the recently positive nodes. They have likely received new
 314   // negative bias that will turn them off.
 315   while (!RecentPositive.empty())
 316     nodes[RecentPositive.pop_back_val()].update(nodes);
 317
 318   if (Linked.empty())
 319     return;
 320
 321   // Run up to 10 iterations. The edge bundle numbering is closely related to
 322   // basic block numbering, so there is a strong tendency towards chains of
 323   // linked nodes with sequential numbers. By scanning the linked nodes
 324   // backwards and forwards, we make it very likely that a single node can
 325   // affect the entire network in a single iteration. That means very fast
 326   // convergence, usually in a single iteration.
 327   for (unsigned iteration = 0; iteration != 10; ++iteration) {
 328     // Scan backwards, skipping the last node which was just updated.
 329     bool Changed = false;
 330     for (SmallVectorImpl<unsigned>::const_reverse_iterator I =
 331            llvm::next(Linked.rbegin()), E = Linked.rend(); I != E; ++I) {
 332       unsigned n = *I;
 333       if (nodes[n].update(nodes)) {
 334         Changed = true;
 335         if (nodes[n].preferReg())
 336           RecentPositive.push_back(n);
 337       }
 338     }
 339     if (!Changed || !RecentPositive.empty())
 340       return;
 341
 342     // Scan forwards, skipping the first node which was just updated.
 343     Changed = false;
 344     for (SmallVectorImpl<unsigned>::const_iterator I =
 345            llvm::next(Linked.begin()), E = Linked.end(); I != E; ++I) {
 346       unsigned n = *I;
 347       if (nodes[n].update(nodes)) {
 348         Changed = true;
 349         if (nodes[n].preferReg())
 350           RecentPositive.push_back(n);
 351       }
 352     }
 353     if (!Changed || !RecentPositive.empty())
 354       return;
 355   }
 356 }
 357
 358 void SpillPlacement::prepare(BitVector &RegBundles) {
 359   Linked.clear();
 360   RecentPositive.clear();
 361   // Reuse RegBundles as our ActiveNodes vector.
 362   ActiveNodes = &RegBundles;
 363   ActiveNodes->clear();
 364   ActiveNodes->resize(bundles->getNumBundles());
 365 }
 366
 367 bool
 368 SpillPlacement::finish() {
 369   assert(ActiveNodes && "Call prepare() first");
 370
 371   // Write preferences back to ActiveNodes.
 372   bool Perfect = true;
 373   for (int n = ActiveNodes->find_first(); n>=0; n = ActiveNodes->find_next(n))
 374     if (!nodes[n].preferReg()) {
 375       ActiveNodes->reset(n);
 376       Perfect = false;
 377     }
 378   ActiveNodes = 0;
 379   return Perfect;
 380 }