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/ADT/BitVector.h"
  33 #include "llvm/CodeGen/EdgeBundles.h"
  34 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
  35 #include "llvm/CodeGen/MachineBlockFrequencyInfo.h"
  36 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  37 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
  38 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  39 #include "llvm/Support/Debug.h"
  40 #include "llvm/Support/Format.h"
  41
  42 using namespace llvm;
  43
  44 char SpillPlacement::ID = 0;
  45 INITIALIZE_PASS_BEGIN(SpillPlacement, "spill-code-placement",
  46                       "Spill Code Placement Analysis", true, true)
  47 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(EdgeBundles)
  48 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineLoopInfo)
  49 INITIALIZE_PASS_END(SpillPlacement, "spill-code-placement",
  50                     "Spill Code Placement Analysis", true, true)
  51
  52 char &llvm::SpillPlacementID = SpillPlacement::ID;
  53
  54 void SpillPlacement::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  55   AU.setPreservesAll();
  56   AU.addRequired<MachineBlockFrequencyInfo>();
  57   AU.addRequiredTransitive<EdgeBundles>();
  58   AU.addRequiredTransitive<MachineLoopInfo>();
  59   MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
  60 }
  61
  62 /// Decision threshold. A node gets the output value 0 if the weighted sum of
  63 /// its inputs falls in the open interval (-Threshold;Threshold).
  64 static const BlockFrequency Threshold = 2;
  65
  66 /// Node - Each edge bundle corresponds to a Hopfield node.
  67 ///
  68 /// The node contains precomputed frequency data that only depends on the CFG,
  69 /// but Bias and Links are computed each time placeSpills is called.
  70 ///
  71 /// The node Value is positive when the variable should be in a register. The
  72 /// value can change when linked nodes change, but convergence is very fast
  73 /// because all weights are positive.
  74 ///
  75 struct SpillPlacement::Node {
  76   /// BiasN - Sum of blocks that prefer a spill.
  77   BlockFrequency BiasN;
  78   /// BiasP - Sum of blocks that prefer a register.
  79   BlockFrequency BiasP;
  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   int Value;
  85
  86   typedef SmallVector<std::pair<BlockFrequency, 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   /// SumLinkWeights - Cached sum of the weights of all links + ThresHold.
  96   BlockFrequency SumLinkWeights;
  97
  98   /// preferReg - Return true when this node prefers to be in a register.
  99   bool preferReg() const {
 100     // Undecided nodes (Value==0) go on the stack.
 101     return Value > 0;
 102   }
 103
 104   /// mustSpill - Return True if this node is so biased that it must spill.
 105   bool mustSpill() const {
 106     // We must spill if Bias < -sum(weights) or the MustSpill flag was set.
 107     // BiasN is saturated when MustSpill is set, make sure this still returns
 108     // true when the RHS saturates. Note that SumLinkWeights includes Threshold.
 109     return BiasN >= BiasP + SumLinkWeights;
 110   }
 111
 112   /// clear - Reset per-query data, but preserve frequencies that only depend on
 113   // the CFG.
 114   void clear() {
 115     BiasN = BiasP = Value = 0;
 116     SumLinkWeights = Threshold;
 117     Links.clear();
 118   }
 119
 120   /// addLink - Add a link to bundle b with weight w.
 121   void addLink(unsigned b, BlockFrequency w) {
 122     // Update cached sum.
 123     SumLinkWeights += w;
 124
 125     // There can be multiple links to the same bundle, add them up.
 126     for (LinkVector::iterator I = Links.begin(), E = Links.end(); I != E; ++I)
 127       if (I->second == b) {
 128         I->first += w;
 129         return;
 130       }
 131     // This must be the first link to b.
 132     Links.push_back(std::make_pair(w, b));
 133   }
 134
 135   /// addBias - Bias this node.
 136   void addBias(BlockFrequency freq, BorderConstraint direction) {
 137     switch (direction) {
 138     default:
 139       break;
 140     case PrefReg:
 141       BiasP += freq;
 142       break;
 143     case PrefSpill:
 144       BiasN += freq;
 145       break;
 146     case MustSpill:
 147       BiasN = BlockFrequency::getMaxFrequency();
 148       break;
 149     }
 150   }
 151
 152   /// update - Recompute Value from Bias and Links. Return true when node
 153   /// preference changes.
 154   bool update(const Node nodes[]) {
 155     // Compute the weighted sum of inputs.
 156     BlockFrequency SumN = BiasN;
 157     BlockFrequency SumP = BiasP;
 158     for (LinkVector::iterator I = Links.begin(), E = Links.end(); I != E; ++I) {
 159       if (nodes[I->second].Value == -1)
 160         SumN += I->first;
 161       else if (nodes[I->second].Value == 1)
 162         SumP += I->first;
 163     }
 164
 165     // The weighted sum is going to be in the range [-2;2]. Ideally, we should
 166     // simply set Value = sign(Sum), but we will add a dead zone around 0 for
 167     // two reasons:
 168     //  1. It avoids arbitrary bias when all links are 0 as is possible during
 169     //     initial iterations.
 170     //  2. It helps tame rounding errors when the links nominally sum to 0.
 171     bool Before = preferReg();
 172     if (SumN >= SumP + Threshold)
 173       Value = -1;
 174     else if (SumP >= SumN + Threshold)
 175       Value = 1;
 176     else
 177       Value = 0;
 178     return Before != preferReg();
 179   }
 180 };
 181
 182 bool SpillPlacement::runOnMachineFunction(MachineFunction &mf) {
 183   MF = &mf;
 184   bundles = &getAnalysis<EdgeBundles>();
 185   loops = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
 186
 187   assert(!nodes && "Leaking node array");
 188   nodes = new Node[bundles->getNumBundles()];
 189
 190   // Compute total ingoing and outgoing block frequencies for all bundles.
 191   BlockFrequencies.resize(mf.getNumBlockIDs());
 192   MachineBlockFrequencyInfo &MBFI = getAnalysis<MachineBlockFrequencyInfo>();
 193   for (MachineFunction::iterator I = mf.begin(), E = mf.end(); I != E; ++I) {
 194     unsigned Num = I->getNumber();
 195     BlockFrequencies[Num] = MBFI.getBlockFreq(I);
 196   }
 197
 198   // We never change the function.
 199   return false;
 200 }
 201
 202 void SpillPlacement::releaseMemory() {
 203   delete[] nodes;
 204   nodes = 0;
 205 }
 206
 207 /// activate - mark node n as active if it wasn't already.
 208 void SpillPlacement::activate(unsigned n) {
 209   if (ActiveNodes->test(n))
 210     return;
 211   ActiveNodes->set(n);
 212   nodes[n].clear();
 213
 214   // Very large bundles usually come from big switches, indirect branches,
 215   // landing pads, or loops with many 'continue' statements. It is difficult to
 216   // allocate registers when so many different blocks are involved.
 217   //
 218   // Give a small negative bias to large bundles such that 1/32 of the
 219   // connected blocks need to be interested before we consider expanding the
 220   // region through the bundle. This helps compile time by limiting the number
 221   // of blocks visited and the number of links in the Hopfield network.
 222   if (bundles->getBlocks(n).size() > 100) {
 223     nodes[n].BiasP = 0;
 224     nodes[n].BiasN = (BlockFrequency::getEntryFrequency() / 16);
 225   }
 226 }
 227
 228
 229 /// addConstraints - Compute node biases and weights from a set of constraints.
 230 /// Set a bit in NodeMask for each active node.
 231 void SpillPlacement::addConstraints(ArrayRef<BlockConstraint> LiveBlocks) {
 232   for (ArrayRef<BlockConstraint>::iterator I = LiveBlocks.begin(),
 233        E = LiveBlocks.end(); I != E; ++I) {
 234     BlockFrequency Freq = BlockFrequencies[I->Number];
 235
 236     // Live-in to block?
 237     if (I->Entry != DontCare) {
 238       unsigned ib = bundles->getBundle(I->Number, 0);
 239       activate(ib);
 240       nodes[ib].addBias(Freq, I->Entry);
 241     }
 242
 243     // Live-out from block?
 244     if (I->Exit != DontCare) {
 245       unsigned ob = bundles->getBundle(I->Number, 1);
 246       activate(ob);
 247       nodes[ob].addBias(Freq, I->Exit);
 248     }
 249   }
 250 }
 251
 252 /// addPrefSpill - Same as addConstraints(PrefSpill)
 253 void SpillPlacement::addPrefSpill(ArrayRef<unsigned> Blocks, bool Strong) {
 254   for (ArrayRef<unsigned>::iterator I = Blocks.begin(), E = Blocks.end();
 255        I != E; ++I) {
 256     BlockFrequency Freq = BlockFrequencies[*I];
 257     if (Strong)
 258       Freq += Freq;
 259     unsigned ib = bundles->getBundle(*I, 0);
 260     unsigned ob = bundles->getBundle(*I, 1);
 261     activate(ib);
 262     activate(ob);
 263     nodes[ib].addBias(Freq, PrefSpill);
 264     nodes[ob].addBias(Freq, PrefSpill);
 265   }
 266 }
 267
 268 void SpillPlacement::addLinks(ArrayRef<unsigned> Links) {
 269   for (ArrayRef<unsigned>::iterator I = Links.begin(), E = Links.end(); I != E;
 270        ++I) {
 271     unsigned Number = *I;
 272     unsigned ib = bundles->getBundle(Number, 0);
 273     unsigned ob = bundles->getBundle(Number, 1);
 274
 275     // Ignore self-loops.
 276     if (ib == ob)
 277       continue;
 278     activate(ib);
 279     activate(ob);
 280     if (nodes[ib].Links.empty() && !nodes[ib].mustSpill())
 281       Linked.push_back(ib);
 282     if (nodes[ob].Links.empty() && !nodes[ob].mustSpill())
 283       Linked.push_back(ob);
 284     BlockFrequency Freq = BlockFrequencies[Number];
 285     nodes[ib].addLink(ob, Freq);
 286     nodes[ob].addLink(ib, Freq);
 287   }
 288 }
 289
 290 bool SpillPlacement::scanActiveBundles() {
 291   Linked.clear();
 292   RecentPositive.clear();
 293   for (int n = ActiveNodes->find_first(); n>=0; n = ActiveNodes->find_next(n)) {
 294     nodes[n].update(nodes);
 295     // A node that must spill, or a node without any links is not going to
 296     // change its value ever again, so exclude it from iterations.
 297     if (nodes[n].mustSpill())
 298       continue;
 299     if (!nodes[n].Links.empty())
 300       Linked.push_back(n);
 301     if (nodes[n].preferReg())
 302       RecentPositive.push_back(n);
 303   }
 304   return !RecentPositive.empty();
 305 }
 306
 307 /// iterate - Repeatedly update the Hopfield nodes until stability or the
 308 /// maximum number of iterations is reached.
 309 /// @param Linked - Numbers of linked nodes that need updating.
 310 void SpillPlacement::iterate() {
 311   // First update the recently positive nodes. They have likely received new
 312   // negative bias that will turn them off.
 313   while (!RecentPositive.empty())
 314     nodes[RecentPositive.pop_back_val()].update(nodes);
 315
 316   if (Linked.empty())
 317     return;
 318
 319   // Run up to 10 iterations. The edge bundle numbering is closely related to
 320   // basic block numbering, so there is a strong tendency towards chains of
 321   // linked nodes with sequential numbers. By scanning the linked nodes
 322   // backwards and forwards, we make it very likely that a single node can
 323   // affect the entire network in a single iteration. That means very fast
 324   // convergence, usually in a single iteration.
 325   for (unsigned iteration = 0; iteration != 10; ++iteration) {
 326     // Scan backwards, skipping the last node which was just updated.
 327     bool Changed = false;
 328     for (SmallVectorImpl<unsigned>::const_reverse_iterator I =
 329            llvm::next(Linked.rbegin()), E = Linked.rend(); I != E; ++I) {
 330       unsigned n = *I;
 331       if (nodes[n].update(nodes)) {
 332         Changed = true;
 333         if (nodes[n].preferReg())
 334           RecentPositive.push_back(n);
 335       }
 336     }
 337     if (!Changed || !RecentPositive.empty())
 338       return;
 339
 340     // Scan forwards, skipping the first node which was just updated.
 341     Changed = false;
 342     for (SmallVectorImpl<unsigned>::const_iterator I =
 343            llvm::next(Linked.begin()), E = Linked.end(); I != E; ++I) {
 344       unsigned n = *I;
 345       if (nodes[n].update(nodes)) {
 346         Changed = true;
 347         if (nodes[n].preferReg())
 348           RecentPositive.push_back(n);
 349       }
 350     }
 351     if (!Changed || !RecentPositive.empty())
 352       return;
 353   }
 354 }
 355
 356 void SpillPlacement::prepare(BitVector &RegBundles) {
 357   Linked.clear();
 358   RecentPositive.clear();
 359   // Reuse RegBundles as our ActiveNodes vector.
 360   ActiveNodes = &RegBundles;
 361   ActiveNodes->clear();
 362   ActiveNodes->resize(bundles->getNumBundles());
 363 }
 364
 365 bool
 366 SpillPlacement::finish() {
 367   assert(ActiveNodes && "Call prepare() first");
 368
 369   // Write preferences back to ActiveNodes.
 370   bool Perfect = true;
 371   for (int n = ActiveNodes->find_first(); n>=0; n = ActiveNodes->find_next(n))
 372     if (!nodes[n].preferReg()) {
 373       ActiveNodes->reset(n);
 374       Perfect = false;
 375     }
 376   ActiveNodes = 0;
 377   return Perfect;
 378 }