Modifies AtomicExpandPass to transform relaxed loads/RMW/AtomicXchg to acquire
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / AtomicExpandPass.cpp
index c10648c6e3bcf2cc4333701f7884f78867dabd8f..b2134a7859afc1a0b3db484afafcd31661ddd57e 100644 (file)
@@ -8,8 +8,10 @@
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 //
 // This file contains a pass (at IR level) to replace atomic instructions with
-// either (intrinsic-based) load-linked/store-conditional loops or
-// AtomicCmpXchg.
+// target specific instruction which implement the same semantics in a way
+// which better fits the target backend.  This can include the use of either
+// (intrinsic-based) load-linked/store-conditional loops, AtomicCmpXchg, or
+// type coercions.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
@@ -22,6 +24,7 @@
 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
 #include "llvm/IR/Module.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
@@ -46,12 +49,17 @@ namespace {
   private:
     bool bracketInstWithFences(Instruction *I, AtomicOrdering Order,
                                bool IsStore, bool IsLoad);
-    bool expandAtomicLoad(LoadInst *LI);
+    IntegerType *getCorrespondingIntegerType(Type *T, const DataLayout &DL);
+    LoadInst *convertAtomicLoadToIntegerType(LoadInst *LI);
+    bool tryExpandAtomicLoad(LoadInst *LI);
     bool expandAtomicLoadToLL(LoadInst *LI);
     bool expandAtomicLoadToCmpXchg(LoadInst *LI);
+    StoreInst *convertAtomicStoreToIntegerType(StoreInst *SI);
     bool expandAtomicStore(StoreInst *SI);
     bool tryExpandAtomicRMW(AtomicRMWInst *AI);
-    bool expandAtomicRMWToLLSC(AtomicRMWInst *AI);
+    bool expandAtomicOpToLLSC(
+        Instruction *I, Value *Addr, AtomicOrdering MemOpOrder,
+        std::function<Value *(IRBuilder<> &, Value *)> PerformOp);
     bool expandAtomicCmpXchg(AtomicCmpXchgInst *CI);
     bool isIdempotentRMW(AtomicRMWInst *AI);
     bool simplifyIdempotentRMW(AtomicRMWInst *AI);
@@ -78,8 +86,40 @@ bool AtomicExpand::runOnFunction(Function &F) {
   // Changing control-flow while iterating through it is a bad idea, so gather a
   // list of all atomic instructions before we start.
   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I) {
-    if (I->isAtomic())
+    // XXX-update: For relaxed loads, change them to acquire. This includes
+    // relaxed loads, relaxed atomic RMW & relaxed atomic compare exchange.
+    if (I->isAtomic()) {
+      switch (I->getOpcode()) {
+        case Instruction::AtomicCmpXchg: {
+          auto* CmpXchg = dyn_cast<AtomicCmpXchgInst>(&*I);
+          auto SuccOrdering = CmpXchg->getSuccessOrdering();
+          if (SuccOrdering == Monotonic) {
+            CmpXchg->setSuccessOrdering(Acquire);
+          } else if (SuccOrdering == Release) {
+            CmpXchg->setSuccessOrdering(AcquireRelease);
+          }
+          break;
+        }
+        case Instruction::AtomicRMW: {
+          auto* RMW = dyn_cast<AtomicRMWInst>(&*I);
+          if (RMW->getOrdering() == Monotonic) {
+            RMW->setOrdering(Acquire);
+          }
+          break;
+        }
+        case Instruction::Load: {
+          auto* LI = dyn_cast<LoadInst>(&*I);
+          if (LI->getOrdering() == Monotonic) {
+            LI->setOrdering(Acquire);
+          }
+          break;
+        }
+        default: {
+          break;
+        }
+      }
       AtomicInsts.push_back(&*I);
+    }
   }
 
   bool MadeChange = false;
@@ -109,7 +149,7 @@ bool AtomicExpand::runOnFunction(Function &F) {
         FenceOrdering = RMWI->getOrdering();
         RMWI->setOrdering(Monotonic);
         IsStore = IsLoad = true;
-      } else if (CASI && !TLI->hasLoadLinkedStoreConditional() &&
+      } else if (CASI && !TLI->shouldExpandAtomicCmpXchgInIR(CASI) &&
                  (isAtLeastRelease(CASI->getSuccessOrdering()) ||
                   isAtLeastAcquire(CASI->getSuccessOrdering()))) {
         // If a compare and swap is lowered to LL/SC, we can do smarter fence
@@ -127,10 +167,28 @@ bool AtomicExpand::runOnFunction(Function &F) {
       }
     }
 
-    if (LI && TLI->shouldExpandAtomicLoadInIR(LI)) {
-      MadeChange |= expandAtomicLoad(LI);
-    } else if (SI && TLI->shouldExpandAtomicStoreInIR(SI)) {
-      MadeChange |= expandAtomicStore(SI);
+    if (LI) {
+      if (LI->getType()->isFloatingPointTy()) {
+        // TODO: add a TLI hook to control this so that each target can
+        // convert to lowering the original type one at a time.
+        LI = convertAtomicLoadToIntegerType(LI);
+        assert(LI->getType()->isIntegerTy() && "invariant broken");
+        MadeChange = true;
+      }
+      
+      MadeChange |= tryExpandAtomicLoad(LI);
+    } else if (SI) {
+      if (SI->getValueOperand()->getType()->isFloatingPointTy()) {
+        // TODO: add a TLI hook to control this so that each target can
+        // convert to lowering the original type one at a time.
+        SI = convertAtomicStoreToIntegerType(SI);
+        assert(SI->getValueOperand()->getType()->isIntegerTy() &&
+               "invariant broken");
+        MadeChange = true;
+      }
+
+      if (TLI->shouldExpandAtomicStoreInIR(SI))
+        MadeChange |= expandAtomicStore(SI);
     } else if (RMWI) {
       // There are two different ways of expanding RMW instructions:
       // - into a load if it is idempotent
@@ -142,7 +200,7 @@ bool AtomicExpand::runOnFunction(Function &F) {
       } else {
         MadeChange |= tryExpandAtomicRMW(RMWI);
       }
-    } else if (CASI && TLI->hasLoadLinkedStoreConditional()) {
+    } else if (CASI && TLI->shouldExpandAtomicCmpXchgInIR(CASI)) {
       MadeChange |= expandAtomicCmpXchg(CASI);
     }
   }
@@ -170,11 +228,56 @@ bool AtomicExpand::bracketInstWithFences(Instruction *I, AtomicOrdering Order,
   return (LeadingFence || TrailingFence);
 }
 
-bool AtomicExpand::expandAtomicLoad(LoadInst *LI) {
-  if (TLI->hasLoadLinkedStoreConditional())
+/// Get the iX type with the same bitwidth as T.
+IntegerType *AtomicExpand::getCorrespondingIntegerType(Type *T,
+                                                       const DataLayout &DL) {
+  EVT VT = TLI->getValueType(DL, T);
+  unsigned BitWidth = VT.getStoreSizeInBits();
+  assert(BitWidth == VT.getSizeInBits() && "must be a power of two");
+  return IntegerType::get(T->getContext(), BitWidth);
+}
+
+/// Convert an atomic load of a non-integral type to an integer load of the
+/// equivelent bitwidth.  See the function comment on
+/// convertAtomicStoreToIntegerType for background.  
+LoadInst *AtomicExpand::convertAtomicLoadToIntegerType(LoadInst *LI) {
+  auto *M = LI->getModule();
+  Type *NewTy = getCorrespondingIntegerType(LI->getType(),
+                                            M->getDataLayout());
+
+  IRBuilder<> Builder(LI);
+  
+  Value *Addr = LI->getPointerOperand();
+  Type *PT = PointerType::get(NewTy,
+                              Addr->getType()->getPointerAddressSpace());
+  Value *NewAddr = Builder.CreateBitCast(Addr, PT);
+  
+  auto *NewLI = Builder.CreateLoad(NewAddr);
+  NewLI->setAlignment(LI->getAlignment());
+  NewLI->setVolatile(LI->isVolatile());
+  NewLI->setAtomic(LI->getOrdering(), LI->getSynchScope());
+  DEBUG(dbgs() << "Replaced " << *LI << " with " << *NewLI << "\n");
+  
+  Value *NewVal = Builder.CreateBitCast(NewLI, LI->getType());
+  LI->replaceAllUsesWith(NewVal);
+  LI->eraseFromParent();
+  return NewLI;
+}
+
+bool AtomicExpand::tryExpandAtomicLoad(LoadInst *LI) {
+  switch (TLI->shouldExpandAtomicLoadInIR(LI)) {
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::None:
+    return false;
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::LLSC:
+    return expandAtomicOpToLLSC(
+        LI, LI->getPointerOperand(), LI->getOrdering(),
+        [](IRBuilder<> &Builder, Value *Loaded) { return Loaded; });
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::LLOnly:
     return expandAtomicLoadToLL(LI);
-  else
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::CmpXChg:
     return expandAtomicLoadToCmpXchg(LI);
+  }
+  llvm_unreachable("Unhandled case in tryExpandAtomicLoad");
 }
 
 bool AtomicExpand::expandAtomicLoadToLL(LoadInst *LI) {
@@ -185,6 +288,7 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicLoadToLL(LoadInst *LI) {
   // to be single-copy atomic by ARM is an ldrexd (A3.5.3).
   Value *Val =
       TLI->emitLoadLinked(Builder, LI->getPointerOperand(), LI->getOrdering());
+  TLI->emitAtomicCmpXchgNoStoreLLBalance(Builder);
 
   LI->replaceAllUsesWith(Val);
   LI->eraseFromParent();
@@ -210,6 +314,35 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicLoadToCmpXchg(LoadInst *LI) {
   return true;
 }
 
+/// Convert an atomic store of a non-integral type to an integer store of the
+/// equivelent bitwidth.  We used to not support floating point or vector
+/// atomics in the IR at all.  The backends learned to deal with the bitcast
+/// idiom because that was the only way of expressing the notion of a atomic
+/// float or vector store.  The long term plan is to teach each backend to
+/// instruction select from the original atomic store, but as a migration
+/// mechanism, we convert back to the old format which the backends understand.
+/// Each backend will need individual work to recognize the new format.
+StoreInst *AtomicExpand::convertAtomicStoreToIntegerType(StoreInst *SI) {
+  IRBuilder<> Builder(SI);
+  auto *M = SI->getModule();
+  Type *NewTy = getCorrespondingIntegerType(SI->getValueOperand()->getType(),
+                                            M->getDataLayout());
+  Value *NewVal = Builder.CreateBitCast(SI->getValueOperand(), NewTy);
+  
+  Value *Addr = SI->getPointerOperand();
+  Type *PT = PointerType::get(NewTy,
+                              Addr->getType()->getPointerAddressSpace());
+  Value *NewAddr = Builder.CreateBitCast(Addr, PT);
+
+  StoreInst *NewSI = Builder.CreateStore(NewVal, NewAddr);
+  NewSI->setAlignment(SI->getAlignment());
+  NewSI->setVolatile(SI->isVolatile());
+  NewSI->setAtomic(SI->getOrdering(), SI->getSynchScope());
+  DEBUG(dbgs() << "Replaced " << *SI << " with " << *NewSI << "\n");
+  SI->eraseFromParent();
+  return NewSI;
+}
+
 bool AtomicExpand::expandAtomicStore(StoreInst *SI) {
   // This function is only called on atomic stores that are too large to be
   // atomic if implemented as a native store. So we replace them by an
@@ -238,25 +371,6 @@ static void createCmpXchgInstFun(IRBuilder<> &Builder, Value *Addr,
   NewLoaded = Builder.CreateExtractValue(Pair, 0, "newloaded");
 }
 
-bool AtomicExpand::tryExpandAtomicRMW(AtomicRMWInst *AI) {
-  switch (TLI->shouldExpandAtomicRMWInIR(AI)) {
-  case TargetLoweringBase::AtomicRMWExpansionKind::None:
-    return false;
-  case TargetLoweringBase::AtomicRMWExpansionKind::LLSC: {
-    assert(TLI->hasLoadLinkedStoreConditional() &&
-           "TargetLowering requested we expand AtomicRMW instruction into "
-           "load-linked/store-conditional combos, but such instructions aren't "
-           "supported");
-
-    return expandAtomicRMWToLLSC(AI);
-  }
-  case TargetLoweringBase::AtomicRMWExpansionKind::CmpXChg: {
-    return expandAtomicRMWToCmpXchg(AI, createCmpXchgInstFun);
-  }
-  }
-  llvm_unreachable("Unhandled case in tryExpandAtomicRMW");
-}
-
 /// Emit IR to implement the given atomicrmw operation on values in registers,
 /// returning the new value.
 static Value *performAtomicOp(AtomicRMWInst::BinOp Op, IRBuilder<> &Builder,
@@ -294,10 +408,28 @@ static Value *performAtomicOp(AtomicRMWInst::BinOp Op, IRBuilder<> &Builder,
   }
 }
 
-bool AtomicExpand::expandAtomicRMWToLLSC(AtomicRMWInst *AI) {
-  AtomicOrdering MemOpOrder = AI->getOrdering();
-  Value *Addr = AI->getPointerOperand();
-  BasicBlock *BB = AI->getParent();
+bool AtomicExpand::tryExpandAtomicRMW(AtomicRMWInst *AI) {
+  switch (TLI->shouldExpandAtomicRMWInIR(AI)) {
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::None:
+    return false;
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::LLSC:
+    return expandAtomicOpToLLSC(AI, AI->getPointerOperand(), AI->getOrdering(),
+                                [&](IRBuilder<> &Builder, Value *Loaded) {
+                                  return performAtomicOp(AI->getOperation(),
+                                                         Builder, Loaded,
+                                                         AI->getValOperand());
+                                });
+  case TargetLoweringBase::AtomicExpansionKind::CmpXChg:
+    return expandAtomicRMWToCmpXchg(AI, createCmpXchgInstFun);
+  default:
+    llvm_unreachable("Unhandled case in tryExpandAtomicRMW");
+  }
+}
+
+bool AtomicExpand::expandAtomicOpToLLSC(
+    Instruction *I, Value *Addr, AtomicOrdering MemOpOrder,
+    std::function<Value *(IRBuilder<> &, Value *)> PerformOp) {
+  BasicBlock *BB = I->getParent();
   Function *F = BB->getParent();
   LLVMContext &Ctx = F->getContext();
 
@@ -315,11 +447,11 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicRMWToLLSC(AtomicRMWInst *AI) {
   // atomicrmw.end:
   //     fence?
   //     [...]
-  BasicBlock *ExitBB = BB->splitBasicBlock(AI, "atomicrmw.end");
+  BasicBlock *ExitBB = BB->splitBasicBlock(I->getIterator(), "atomicrmw.end");
   BasicBlock *LoopBB =  BasicBlock::Create(Ctx, "atomicrmw.start", F, ExitBB);
 
-  // This grabs the DebugLoc from AI.
-  IRBuilder<> Builder(AI);
+  // This grabs the DebugLoc from I.
+  IRBuilder<> Builder(I);
 
   // The split call above "helpfully" added a branch at the end of BB (to the
   // wrong place), but we might want a fence too. It's easiest to just remove
@@ -332,8 +464,7 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicRMWToLLSC(AtomicRMWInst *AI) {
   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
   Value *Loaded = TLI->emitLoadLinked(Builder, Addr, MemOpOrder);
 
-  Value *NewVal =
-      performAtomicOp(AI->getOperation(), Builder, Loaded, AI->getValOperand());
+  Value *NewVal = PerformOp(Builder, Loaded);
 
   Value *StoreSuccess =
       TLI->emitStoreConditional(Builder, NewVal, Addr, MemOpOrder);
@@ -343,8 +474,8 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicRMWToLLSC(AtomicRMWInst *AI) {
 
   Builder.SetInsertPoint(ExitBB, ExitBB->begin());
 
-  AI->replaceAllUsesWith(Loaded);
-  AI->eraseFromParent();
+  I->replaceAllUsesWith(Loaded);
+  I->eraseFromParent();
 
   return true;
 }
@@ -372,7 +503,7 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicCmpXchg(AtomicCmpXchgInst *CI) {
   //     %loaded = @load.linked(%addr)
   //     %should_store = icmp eq %loaded, %desired
   //     br i1 %should_store, label %cmpxchg.trystore,
-  //                          label %cmpxchg.failure
+  //                          label %cmpxchg.nostore
   // cmpxchg.trystore:
   //     %stored = @store_conditional(%new, %addr)
   //     %success = icmp eq i32 %stored, 0
@@ -380,6 +511,9 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicCmpXchg(AtomicCmpXchgInst *CI) {
   // cmpxchg.success:
   //     fence?
   //     br label %cmpxchg.end
+  // cmpxchg.nostore:
+  //     @load_linked_fail_balance()?
+  //     br label %cmpxchg.failure
   // cmpxchg.failure:
   //     fence?
   //     br label %cmpxchg.end
@@ -388,9 +522,10 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicCmpXchg(AtomicCmpXchgInst *CI) {
   //     %restmp = insertvalue { iN, i1 } undef, iN %loaded, 0
   //     %res = insertvalue { iN, i1 } %restmp, i1 %success, 1
   //     [...]
-  BasicBlock *ExitBB = BB->splitBasicBlock(CI, "cmpxchg.end");
+  BasicBlock *ExitBB = BB->splitBasicBlock(CI->getIterator(), "cmpxchg.end");
   auto FailureBB = BasicBlock::Create(Ctx, "cmpxchg.failure", F, ExitBB);
-  auto SuccessBB = BasicBlock::Create(Ctx, "cmpxchg.success", F, FailureBB);
+  auto NoStoreBB = BasicBlock::Create(Ctx, "cmpxchg.nostore", F, FailureBB);
+  auto SuccessBB = BasicBlock::Create(Ctx, "cmpxchg.success", F, NoStoreBB);
   auto TryStoreBB = BasicBlock::Create(Ctx, "cmpxchg.trystore", F, SuccessBB);
   auto LoopBB = BasicBlock::Create(Ctx, "cmpxchg.start", F, TryStoreBB);
 
@@ -414,7 +549,7 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicCmpXchg(AtomicCmpXchgInst *CI) {
 
   // If the cmpxchg doesn't actually need any ordering when it fails, we can
   // jump straight past that fence instruction (if it exists).
-  Builder.CreateCondBr(ShouldStore, TryStoreBB, FailureBB);
+  Builder.CreateCondBr(ShouldStore, TryStoreBB, NoStoreBB);
 
   Builder.SetInsertPoint(TryStoreBB);
   Value *StoreSuccess = TLI->emitStoreConditional(
@@ -430,6 +565,13 @@ bool AtomicExpand::expandAtomicCmpXchg(AtomicCmpXchgInst *CI) {
                          /*IsLoad=*/true);
   Builder.CreateBr(ExitBB);
 
+  Builder.SetInsertPoint(NoStoreBB);
+  // In the failing case, where we don't execute the store-conditional, the
+  // target might want to balance out the load-linked with a dedicated
+  // instruction (e.g., on ARM, clearing the exclusive monitor).
+  TLI->emitAtomicCmpXchgNoStoreLLBalance(Builder);
+  Builder.CreateBr(FailureBB);
+
   Builder.SetInsertPoint(FailureBB);
   TLI->emitTrailingFence(Builder, FailureOrder, /*IsStore=*/true,
                          /*IsLoad=*/true);
@@ -504,8 +646,7 @@ bool AtomicExpand::isIdempotentRMW(AtomicRMWInst* RMWI) {
 
 bool AtomicExpand::simplifyIdempotentRMW(AtomicRMWInst* RMWI) {
   if (auto ResultingLoad = TLI->lowerIdempotentRMWIntoFencedLoad(RMWI)) {
-    if (TLI->shouldExpandAtomicLoadInIR(ResultingLoad))
-      expandAtomicLoad(ResultingLoad);
+    tryExpandAtomicLoad(ResultingLoad);
     return true;
   }
   return false;
@@ -537,7 +678,7 @@ bool llvm::expandAtomicRMWToCmpXchg(AtomicRMWInst *AI,
   //     br i1 %success, label %atomicrmw.end, label %loop
   // atomicrmw.end:
   //     [...]
-  BasicBlock *ExitBB = BB->splitBasicBlock(AI, "atomicrmw.end");
+  BasicBlock *ExitBB = BB->splitBasicBlock(AI->getIterator(), "atomicrmw.end");
   BasicBlock *LoopBB = BasicBlock::Create(Ctx, "atomicrmw.start", F, ExitBB);
 
   // This grabs the DebugLoc from AI.