lib/CodeGen/VirtRegMap.cpp

   1 //===-- llvm/CodeGen/VirtRegMap.cpp - Virtual Register Map ----------------===//
   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 VirtRegMap class.
  11 //
  12 // It also contains implementations of the Spiller interface, which, given a
  13 // virtual register map and a machine function, eliminates all virtual
  14 // references by replacing them with physical register references - adding spill
  15 // code as necessary.
  16 //
  17 //===----------------------------------------------------------------------===//
  18
  19 #include "llvm/CodeGen/VirtRegMap.h"
  20 #include "LiveDebugVariables.h"
  21 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  22 #include "llvm/ADT/SparseSet.h"
  23 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  24 #include "llvm/CodeGen/LiveIntervalAnalysis.h"
  25 #include "llvm/CodeGen/LiveStackAnalysis.h"
  26 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
  27 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  28 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
  29 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  30 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  31 #include "llvm/IR/Function.h"
  32 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  33 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  34 #include "llvm/Support/Debug.h"
  35 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  36 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  37 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  38 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  39 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
  40 #include <algorithm>
  41 using namespace llvm;
  42
  43 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
  44
  45 STATISTIC(NumSpillSlots, "Number of spill slots allocated");
  46 STATISTIC(NumIdCopies,   "Number of identity moves eliminated after rewriting");
  47
  48 //===----------------------------------------------------------------------===//
  49 //  VirtRegMap implementation
  50 //===----------------------------------------------------------------------===//
  51
  52 char VirtRegMap::ID = 0;
  53
  54 INITIALIZE_PASS(VirtRegMap, "virtregmap", "Virtual Register Map", false, false)
  55
  56 bool VirtRegMap::runOnMachineFunction(MachineFunction &mf) {
  57   MRI = &mf.getRegInfo();
  58   TII = mf.getSubtarget().getInstrInfo();
  59   TRI = mf.getSubtarget().getRegisterInfo();
  60   MF = &mf;
  61
  62   Virt2PhysMap.clear();
  63   Virt2StackSlotMap.clear();
  64   Virt2SplitMap.clear();
  65
  66   grow();
  67   return false;
  68 }
  69
  70 void VirtRegMap::grow() {
  71   unsigned NumRegs = MF->getRegInfo().getNumVirtRegs();
  72   Virt2PhysMap.resize(NumRegs);
  73   Virt2StackSlotMap.resize(NumRegs);
  74   Virt2SplitMap.resize(NumRegs);
  75 }
  76
  77 unsigned VirtRegMap::createSpillSlot(const TargetRegisterClass *RC) {
  78   int SS = MF->getFrameInfo()->CreateSpillStackObject(RC->getSize(),
  79                                                       RC->getAlignment());
  80   ++NumSpillSlots;
  81   return SS;
  82 }
  83
  84 bool VirtRegMap::hasPreferredPhys(unsigned VirtReg) {
  85   unsigned Hint = MRI->getSimpleHint(VirtReg);
  86   if (!Hint)
  87     return 0;
  88   if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Hint))
  89     Hint = getPhys(Hint);
  90   return getPhys(VirtReg) == Hint;
  91 }
  92
  93 bool VirtRegMap::hasKnownPreference(unsigned VirtReg) {
  94   std::pair<unsigned, unsigned> Hint = MRI->getRegAllocationHint(VirtReg);
  95   if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(Hint.second))
  96     return true;
  97   if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Hint.second))
  98     return hasPhys(Hint.second);
  99   return false;
 100 }
 101
 102 int VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(unsigned virtReg) {
 103   assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(virtReg));
 104   assert(Virt2StackSlotMap[virtReg] == NO_STACK_SLOT &&
 105          "attempt to assign stack slot to already spilled register");
 106   const TargetRegisterClass* RC = MF->getRegInfo().getRegClass(virtReg);
 107   return Virt2StackSlotMap[virtReg] = createSpillSlot(RC);
 108 }
 109
 110 void VirtRegMap::assignVirt2StackSlot(unsigned virtReg, int SS) {
 111   assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(virtReg));
 112   assert(Virt2StackSlotMap[virtReg] == NO_STACK_SLOT &&
 113          "attempt to assign stack slot to already spilled register");
 114   assert((SS >= 0 ||
 115           (SS >= MF->getFrameInfo()->getObjectIndexBegin())) &&
 116          "illegal fixed frame index");
 117   Virt2StackSlotMap[virtReg] = SS;
 118 }
 119
 120 void VirtRegMap::print(raw_ostream &OS, const Module*) const {
 121   OS << "********** REGISTER MAP **********\n";
 122   for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
 123     unsigned Reg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
 124     if (Virt2PhysMap[Reg] != (unsigned)VirtRegMap::NO_PHYS_REG) {
 125       OS << '[' << PrintReg(Reg, TRI) << " -> "
 126          << PrintReg(Virt2PhysMap[Reg], TRI) << "] "
 127          << TRI->getRegClassName(MRI->getRegClass(Reg)) << "\n";
 128     }
 129   }
 130
 131   for (unsigned i = 0, e = MRI->getNumVirtRegs(); i != e; ++i) {
 132     unsigned Reg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(i);
 133     if (Virt2StackSlotMap[Reg] != VirtRegMap::NO_STACK_SLOT) {
 134       OS << '[' << PrintReg(Reg, TRI) << " -> fi#" << Virt2StackSlotMap[Reg]
 135          << "] " << TRI->getRegClassName(MRI->getRegClass(Reg)) << "\n";
 136     }
 137   }
 138   OS << '\n';
 139 }
 140
 141 #if !defined(NDEBUG) || defined(LLVM_ENABLE_DUMP)
 142 void VirtRegMap::dump() const {
 143   print(dbgs());
 144 }
 145 #endif
 146
 147 //===----------------------------------------------------------------------===//
 148 //                              VirtRegRewriter
 149 //===----------------------------------------------------------------------===//
 150 //
 151 // The VirtRegRewriter is the last of the register allocator passes.
 152 // It rewrites virtual registers to physical registers as specified in the
 153 // VirtRegMap analysis. It also updates live-in information on basic blocks
 154 // according to LiveIntervals.
 155 //
 156 namespace {
 157 class VirtRegRewriter : public MachineFunctionPass {
 158   MachineFunction *MF;
 159   const TargetMachine *TM;
 160   const TargetRegisterInfo *TRI;
 161   const TargetInstrInfo *TII;
 162   MachineRegisterInfo *MRI;
 163   SlotIndexes *Indexes;
 164   LiveIntervals *LIS;
 165   VirtRegMap *VRM;
 166
 167   void rewrite();
 168   void addMBBLiveIns();
 169   bool readsUndefSubreg(const MachineOperand &MO) const;
 170   void addLiveInsForSubRanges(const LiveInterval &LI, unsigned PhysReg) const;
 171
 172 public:
 173   static char ID;
 174   VirtRegRewriter() : MachineFunctionPass(ID) {}
 175
 176   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override;
 177
 178   bool runOnMachineFunction(MachineFunction&) override;
 179 };
 180 } // end anonymous namespace
 181
 182 char &llvm::VirtRegRewriterID = VirtRegRewriter::ID;
 183
 184 INITIALIZE_PASS_BEGIN(VirtRegRewriter, "virtregrewriter",
 185                       "Virtual Register Rewriter", false, false)
 186 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(SlotIndexes)
 187 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveIntervals)
 188 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveDebugVariables)
 189 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LiveStacks)
 190 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(VirtRegMap)
 191 INITIALIZE_PASS_END(VirtRegRewriter, "virtregrewriter",
 192                     "Virtual Register Rewriter", false, false)
 193
 194 char VirtRegRewriter::ID = 0;
 195
 196 void VirtRegRewriter::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 197   AU.setPreservesCFG();
 198   AU.addRequired<LiveIntervals>();
 199   AU.addRequired<SlotIndexes>();
 200   AU.addPreserved<SlotIndexes>();
 201   AU.addRequired<LiveDebugVariables>();
 202   AU.addRequired<LiveStacks>();
 203   AU.addPreserved<LiveStacks>();
 204   AU.addRequired<VirtRegMap>();
 205   MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 206 }
 207
 208 bool VirtRegRewriter::runOnMachineFunction(MachineFunction &fn) {
 209   MF = &fn;
 210   TM = &MF->getTarget();
 211   TRI = MF->getSubtarget().getRegisterInfo();
 212   TII = MF->getSubtarget().getInstrInfo();
 213   MRI = &MF->getRegInfo();
 214   Indexes = &getAnalysis<SlotIndexes>();
 215   LIS = &getAnalysis<LiveIntervals>();
 216   VRM = &getAnalysis<VirtRegMap>();
 217   DEBUG(dbgs() << "********** REWRITE VIRTUAL REGISTERS **********\n"
 218                << "********** Function: "
 219                << MF->getName() << '\n');
 220   DEBUG(VRM->dump());
 221
 222   // Add kill flags while we still have virtual registers.
 223   LIS->addKillFlags(VRM);
 224
 225   // Live-in lists on basic blocks are required for physregs.
 226   addMBBLiveIns();
 227
 228   // Rewrite virtual registers.
 229   rewrite();
 230
 231   // Write out new DBG_VALUE instructions.
 232   getAnalysis<LiveDebugVariables>().emitDebugValues(VRM);
 233
 234   // All machine operands and other references to virtual registers have been
 235   // replaced. Remove the virtual registers and release all the transient data.
 236   VRM->clearAllVirt();
 237   MRI->clearVirtRegs();
 238   return true;
 239 }
 240
 241 void VirtRegRewriter::addLiveInsForSubRanges(const LiveInterval &LI,
 242                                              unsigned PhysReg) const {
 243   assert(!LI.empty());
 244   assert(LI.hasSubRanges());
 245
 246   typedef std::pair<const LiveInterval::SubRange *,
 247                     LiveInterval::const_iterator> SubRangeIteratorPair;
 248   SmallVector<SubRangeIteratorPair, 4> SubRanges;
 249   SlotIndex First;
 250   SlotIndex Last;
 251   for (const LiveInterval::SubRange &SR : LI.subranges()) {
 252     SubRanges.push_back(std::make_pair(&SR, SR.begin()));
 253     if (!First.isValid() || SR.segments.front().start < First)
 254       First = SR.segments.front().start;
 255     if (!Last.isValid() || SR.segments.back().end > Last)
 256       Last = SR.segments.back().end;
 257   }
 258
 259   // Check all mbb start positions between First and Last while
 260   // simulatenously advancing an iterator for each subrange.
 261   for (SlotIndexes::MBBIndexIterator MBBI = Indexes->findMBBIndex(First);
 262        MBBI != Indexes->MBBIndexEnd() && MBBI->first <= Last; ++MBBI) {
 263     SlotIndex MBBBegin = MBBI->first;
 264     // Advance all subrange iterators so that their end position is just
 265     // behind MBBBegin (or the iterator is at the end).
 266     LaneBitmask LaneMask = 0;
 267     for (auto &RangeIterPair : SubRanges) {
 268       const LiveInterval::SubRange *SR = RangeIterPair.first;
 269       LiveInterval::const_iterator &SRI = RangeIterPair.second;
 270       while (SRI != SR->end() && SRI->end <= MBBBegin)
 271         ++SRI;
 272       if (SRI == SR->end())
 273         continue;
 274       if (SRI->start <= MBBBegin)
 275         LaneMask |= SR->LaneMask;
 276     }
 277     if (LaneMask == 0)
 278       continue;
 279     MachineBasicBlock *MBB = MBBI->second;
 280     MBB->addLiveIn(PhysReg, LaneMask);
 281   }
 282 }
 283
 284 // Compute MBB live-in lists from virtual register live ranges and their
 285 // assignments.
 286 void VirtRegRewriter::addMBBLiveIns() {
 287   for (unsigned Idx = 0, IdxE = MRI->getNumVirtRegs(); Idx != IdxE; ++Idx) {
 288     unsigned VirtReg = TargetRegisterInfo::index2VirtReg(Idx);
 289     if (MRI->reg_nodbg_empty(VirtReg))
 290       continue;
 291     LiveInterval &LI = LIS->getInterval(VirtReg);
 292     if (LI.empty() || LIS->intervalIsInOneMBB(LI))
 293       continue;
 294     // This is a virtual register that is live across basic blocks. Its
 295     // assigned PhysReg must be marked as live-in to those blocks.
 296     unsigned PhysReg = VRM->getPhys(VirtReg);
 297     assert(PhysReg != VirtRegMap::NO_PHYS_REG && "Unmapped virtual register.");
 298
 299     if (LI.hasSubRanges()) {
 300       addLiveInsForSubRanges(LI, PhysReg);
 301     } else {
 302       // Go over MBB begin positions and see if we have segments covering them.
 303       // The following works because segments and the MBBIndex list are both
 304       // sorted by slot indexes.
 305       SlotIndexes::MBBIndexIterator I = Indexes->MBBIndexBegin();
 306       for (const auto &Seg : LI) {
 307         I = Indexes->advanceMBBIndex(I, Seg.start);
 308         for (; I != Indexes->MBBIndexEnd() && I->first < Seg.end; ++I) {
 309           MachineBasicBlock *MBB = I->second;
 310           MBB->addLiveIn(PhysReg);
 311         }
 312       }
 313     }
 314   }
 315
 316   // Sort and unique MBB LiveIns as we've not checked if SubReg/PhysReg were in
 317   // each MBB's LiveIns set before calling addLiveIn on them.
 318   for (MachineBasicBlock &MBB : *MF)
 319     MBB.sortUniqueLiveIns();
 320 }
 321
 322 /// Returns true if the given machine operand \p MO only reads undefined lanes.
 323 /// The function only works for use operands with a subregister set.
 324 bool VirtRegRewriter::readsUndefSubreg(const MachineOperand &MO) const {
 325   // Shortcut if the operand is already marked undef.
 326   if (MO.isUndef())
 327     return true;
 328
 329   unsigned Reg = MO.getReg();
 330   const LiveInterval &LI = LIS->getInterval(Reg);
 331   const MachineInstr &MI = *MO.getParent();
 332   SlotIndex BaseIndex = LIS->getInstructionIndex(&MI);
 333   // This code is only meant to handle reading undefined subregisters which
 334   // we couldn't properly detect before.
 335   assert(LI.liveAt(BaseIndex) &&
 336          "Reads of completely dead register should be marked undef already");
 337   unsigned SubRegIdx = MO.getSubReg();
 338   LaneBitmask UseMask = TRI->getSubRegIndexLaneMask(SubRegIdx);
 339   // See if any of the relevant subregister liveranges is defined at this point.
 340   for (const LiveInterval::SubRange &SR : LI.subranges()) {
 341     if ((SR.LaneMask & UseMask) != 0 && SR.liveAt(BaseIndex))
 342       return false;
 343   }
 344   return true;
 345 }
 346
 347 void VirtRegRewriter::rewrite() {
 348   bool NoSubRegLiveness = !MRI->subRegLivenessEnabled();
 349   SmallVector<unsigned, 8> SuperDeads;
 350   SmallVector<unsigned, 8> SuperDefs;
 351   SmallVector<unsigned, 8> SuperKills;
 352
 353   for (MachineFunction::iterator MBBI = MF->begin(), MBBE = MF->end();
 354        MBBI != MBBE; ++MBBI) {
 355     DEBUG(MBBI->print(dbgs(), Indexes));
 356     for (MachineBasicBlock::instr_iterator
 357            MII = MBBI->instr_begin(), MIE = MBBI->instr_end(); MII != MIE;) {
 358       MachineInstr *MI = MII;
 359       ++MII;
 360
 361       for (MachineInstr::mop_iterator MOI = MI->operands_begin(),
 362            MOE = MI->operands_end(); MOI != MOE; ++MOI) {
 363         MachineOperand &MO = *MOI;
 364
 365         // Make sure MRI knows about registers clobbered by regmasks.
 366         if (MO.isRegMask())
 367           MRI->addPhysRegsUsedFromRegMask(MO.getRegMask());
 368
 369         if (!MO.isReg() || !TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
 370           continue;
 371         unsigned VirtReg = MO.getReg();
 372         unsigned PhysReg = VRM->getPhys(VirtReg);
 373         assert(PhysReg != VirtRegMap::NO_PHYS_REG &&
 374                "Instruction uses unmapped VirtReg");
 375         assert(!MRI->isReserved(PhysReg) && "Reserved register assignment");
 376
 377         // Preserve semantics of sub-register operands.
 378         unsigned SubReg = MO.getSubReg();
 379         if (SubReg != 0) {
 380           if (NoSubRegLiveness) {
 381             // A virtual register kill refers to the whole register, so we may
 382             // have to add <imp-use,kill> operands for the super-register.  A
 383             // partial redef always kills and redefines the super-register.
 384             if (MO.readsReg() && (MO.isDef() || MO.isKill()))
 385               SuperKills.push_back(PhysReg);
 386
 387             if (MO.isDef()) {
 388               // Also add implicit defs for the super-register.
 389               if (MO.isDead())
 390                 SuperDeads.push_back(PhysReg);
 391               else
 392                 SuperDefs.push_back(PhysReg);
 393             }
 394           } else {
 395             if (MO.isUse()) {
 396               if (readsUndefSubreg(MO))
 397                 // We need to add an <undef> flag if the subregister is
 398                 // completely undefined (and we are not adding super-register
 399                 // defs).
 400                 MO.setIsUndef(true);
 401             } else if (!MO.isDead()) {
 402               assert(MO.isDef());
 403               // Things get tricky when we ran out of lane mask bits and
 404               // merged multiple lanes into the overflow bit: In this case
 405               // our subregister liveness tracking isn't precise and we can't
 406               // know what subregister parts are undefined, fall back to the
 407               // implicit super-register def then.
 408               LaneBitmask LaneMask = TRI->getSubRegIndexLaneMask(SubReg);
 409               if (TargetRegisterInfo::isImpreciseLaneMask(LaneMask))
 410                 SuperDefs.push_back(PhysReg);
 411             }
 412           }
 413
 414           // The <def,undef> flag only makes sense for sub-register defs, and
 415           // we are substituting a full physreg.  An <imp-use,kill> operand
 416           // from the SuperKills list will represent the partial read of the
 417           // super-register.
 418           if (MO.isDef())
 419             MO.setIsUndef(false);
 420
 421           // PhysReg operands cannot have subregister indexes.
 422           PhysReg = TRI->getSubReg(PhysReg, SubReg);
 423           assert(PhysReg && "Invalid SubReg for physical register");
 424           MO.setSubReg(0);
 425         }
 426         // Rewrite. Note we could have used MachineOperand::substPhysReg(), but
 427         // we need the inlining here.
 428         MO.setReg(PhysReg);
 429       }
 430
 431       // Add any missing super-register kills after rewriting the whole
 432       // instruction.
 433       while (!SuperKills.empty())
 434         MI->addRegisterKilled(SuperKills.pop_back_val(), TRI, true);
 435
 436       while (!SuperDeads.empty())
 437         MI->addRegisterDead(SuperDeads.pop_back_val(), TRI, true);
 438
 439       while (!SuperDefs.empty())
 440         MI->addRegisterDefined(SuperDefs.pop_back_val(), TRI);
 441
 442       DEBUG(dbgs() << "> " << *MI);
 443
 444       // Finally, remove any identity copies.
 445       if (MI->isIdentityCopy()) {
 446         ++NumIdCopies;
 447         DEBUG(dbgs() << "Deleting identity copy.\n");
 448         if (Indexes)
 449           Indexes->removeMachineInstrFromMaps(MI);
 450         // It's safe to erase MI because MII has already been incremented.
 451         MI->eraseFromParent();
 452       }
 453     }
 454   }
 455 }
 456