Range-for-ify some things in GlobalMerge
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / GlobalMerge.cpp
index 82575671e681c696495e9d3d5ad8d8cd20606444..0feff250e649acfa9a3c1c304cfc9a7164c814de 100644 (file)
 //  str     r0, [r5], #4
 //
 //  note that we saved 2 registers here almostly "for free".
+//
+// However, merging globals can have tradeoffs:
+// - it confuses debuggers, tools, and users
+// - it makes linker optimizations less useful (order files, LOHs, ...)
+// - it forces usage of indexed addressing (which isn't necessarily "free")
+// - it can increase register pressure when the uses are disparate enough.
+// 
+// We use heuristics to discover the best global grouping we can (cf cl::opts).
 // ===---------------------------------------------------------------------===//
 
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
+#include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
 #include "llvm/IR/Module.h"
 #include "llvm/Pass.h"
 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
+#include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
 #include "llvm/Target/TargetLoweringObjectFile.h"
 #include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
+#include <algorithm>
 using namespace llvm;
 
 #define DEBUG_TYPE "global-merge"
 
+// FIXME: This is only useful as a last-resort way to disable the pass.
 static cl::opt<bool>
 EnableGlobalMerge("enable-global-merge", cl::Hidden,
-                  cl::desc("Enable global merge pass"),
+                  cl::desc("Enable the global merge pass"),
                   cl::init(true));
 
+static cl::opt<bool> GlobalMergeGroupByUse(
+    "global-merge-group-by-use", cl::Hidden,
+    cl::desc("Improve global merge pass to look at uses"), cl::init(true));
+
+static cl::opt<bool> GlobalMergeIgnoreSingleUse(
+    "global-merge-ignore-single-use", cl::Hidden,
+    cl::desc("Improve global merge pass to ignore globals only used alone"),
+    cl::init(true));
+
 static cl::opt<bool>
 EnableGlobalMergeOnConst("global-merge-on-const", cl::Hidden,
                          cl::desc("Enable global merge pass on constants"),
@@ -85,18 +108,36 @@ EnableGlobalMergeOnConst("global-merge-on-const", cl::Hidden,
 
 // FIXME: this could be a transitional option, and we probably need to remove
 // it if only we are sure this optimization could always benefit all targets.
-static cl::opt<bool>
+static cl::opt<cl::boolOrDefault>
 EnableGlobalMergeOnExternal("global-merge-on-external", cl::Hidden,
-     cl::desc("Enable global merge pass on external linkage"),
-     cl::init(false));
+     cl::desc("Enable global merge pass on external linkage"));
 
-STATISTIC(NumMerged      , "Number of globals merged");
+STATISTIC(NumMerged, "Number of globals merged");
 namespace {
   class GlobalMerge : public FunctionPass {
     const TargetMachine *TM;
+    // FIXME: Infer the maximum possible offset depending on the actual users
+    // (these max offsets are different for the users inside Thumb or ARM
+    // functions), see the code that passes in the offset in the ARM backend
+    // for more information.
+    unsigned MaxOffset;
+
+    /// Whether we should try to optimize for size only.
+    /// Currently, this applies a dead simple heuristic: only consider globals
+    /// used in minsize functions for merging.
+    /// FIXME: This could learn about optsize, and be used in the cost model.
+    bool OnlyOptimizeForSize;
+
+    /// Whether we should merge global variables that have external linkage.
+    bool MergeExternalGlobals;
 
     bool doMerge(SmallVectorImpl<GlobalVariable*> &Globals,
                  Module &M, bool isConst, unsigned AddrSpace) const;
+    /// \brief Merge everything in \p Globals for which the corresponding bit
+    /// in \p GlobalSet is set.
+    bool doMerge(const SmallVectorImpl<GlobalVariable *> &Globals,
+                 const BitVector &GlobalSet, Module &M, bool isConst,
+                 unsigned AddrSpace) const;
 
     /// \brief Check if the given variable has been identified as must keep
     /// \pre setMustKeepGlobalVariables must have been called on the Module that
@@ -117,8 +158,13 @@ namespace {
 
   public:
     static char ID;             // Pass identification, replacement for typeid.
-    explicit GlobalMerge(const TargetMachine *TM = nullptr)
-      : FunctionPass(ID), TM(TM) {
+    explicit GlobalMerge(const TargetMachine *TM = nullptr,
+                         unsigned MaximalOffset = 0,
+                         bool OnlyOptimizeForSize = false,
+                         bool MergeExternalGlobals = false)
+        : FunctionPass(ID), TM(TM), MaxOffset(MaximalOffset),
+          OnlyOptimizeForSize(OnlyOptimizeForSize),
+          MergeExternalGlobals(MergeExternalGlobals) {
       initializeGlobalMergePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
     }
 
@@ -138,97 +184,285 @@ namespace {
 } // end anonymous namespace
 
 char GlobalMerge::ID = 0;
-INITIALIZE_TM_PASS(GlobalMerge, "global-merge", "Merge global variables",
-                   false, false)
+INITIALIZE_PASS_BEGIN(GlobalMerge, "global-merge", "Merge global variables",
+                      false, false)
+INITIALIZE_PASS_END(GlobalMerge, "global-merge", "Merge global variables",
+                    false, false)
 
 bool GlobalMerge::doMerge(SmallVectorImpl<GlobalVariable*> &Globals,
                           Module &M, bool isConst, unsigned AddrSpace) const {
-  const TargetLowering *TLI = TM->getSubtargetImpl()->getTargetLowering();
-  const DataLayout *DL = TLI->getDataLayout();
-
-  // FIXME: Infer the maximum possible offset depending on the actual users
-  // (these max offsets are different for the users inside Thumb or ARM
-  // functions)
-  unsigned MaxOffset = TLI->getMaximalGlobalOffset();
-
+  auto &DL = M.getDataLayout();
   // FIXME: Find better heuristics
   std::stable_sort(Globals.begin(), Globals.end(),
-                   [DL](const GlobalVariable *GV1, const GlobalVariable *GV2) {
-    Type *Ty1 = cast<PointerType>(GV1->getType())->getElementType();
-    Type *Ty2 = cast<PointerType>(GV2->getType())->getElementType();
+                   [&DL](const GlobalVariable *GV1, const GlobalVariable *GV2) {
+                     return DL.getTypeAllocSize(GV1->getValueType()) <
+                            DL.getTypeAllocSize(GV2->getValueType());
+                   });
+
+  // If we want to just blindly group all globals together, do so.
+  if (!GlobalMergeGroupByUse) {
+    BitVector AllGlobals(Globals.size());
+    AllGlobals.set();
+    return doMerge(Globals, AllGlobals, M, isConst, AddrSpace);
+  }
 
-    return (DL->getTypeAllocSize(Ty1) < DL->getTypeAllocSize(Ty2));
-  });
+  // If we want to be smarter, look at all uses of each global, to try to
+  // discover all sets of globals used together, and how many times each of
+  // these sets occurred.
+  //
+  // Keep this reasonably efficient, by having an append-only list of all sets
+  // discovered so far (UsedGlobalSet), and mapping each "together-ness" unit of
+  // code (currently, a Function) to the set of globals seen so far that are
+  // used together in that unit (GlobalUsesByFunction).
+  //
+  // When we look at the Nth global, we now that any new set is either:
+  // - the singleton set {N}, containing this global only, or
+  // - the union of {N} and a previously-discovered set, containing some
+  //   combination of the previous N-1 globals.
+  // Using that knowledge, when looking at the Nth global, we can keep:
+  // - a reference to the singleton set {N} (CurGVOnlySetIdx)
+  // - a list mapping each previous set to its union with {N} (EncounteredUGS),
+  //   if it actually occurs.
+
+  // We keep track of the sets of globals used together "close enough".
+  struct UsedGlobalSet {
+    UsedGlobalSet(size_t Size) : Globals(Size), UsageCount(1) {}
+    BitVector Globals;
+    unsigned UsageCount;
+  };
 
-  Type *Int32Ty = Type::getInt32Ty(M.getContext());
+  // Each set is unique in UsedGlobalSets.
+  std::vector<UsedGlobalSet> UsedGlobalSets;
+
+  // Avoid repeating the create-global-set pattern.
+  auto CreateGlobalSet = [&]() -> UsedGlobalSet & {
+    UsedGlobalSets.emplace_back(Globals.size());
+    return UsedGlobalSets.back();
+  };
+
+  // The first set is the empty set.
+  CreateGlobalSet().UsageCount = 0;
+
+  // We define "close enough" to be "in the same function".
+  // FIXME: Grouping uses by function is way too aggressive, so we should have
+  // a better metric for distance between uses.
+  // The obvious alternative would be to group by BasicBlock, but that's in
+  // turn too conservative..
+  // Anything in between wouldn't be trivial to compute, so just stick with
+  // per-function grouping.
+
+  // The value type is an index into UsedGlobalSets.
+  // The default (0) conveniently points to the empty set.
+  DenseMap<Function *, size_t /*UsedGlobalSetIdx*/> GlobalUsesByFunction;
+
+  // Now, look at each merge-eligible global in turn.
+
+  // Keep track of the sets we already encountered to which we added the
+  // current global.
+  // Each element matches the same-index element in UsedGlobalSets.
+  // This lets us efficiently tell whether a set has already been expanded to
+  // include the current global.
+  std::vector<size_t> EncounteredUGS;
+
+  for (size_t GI = 0, GE = Globals.size(); GI != GE; ++GI) {
+    GlobalVariable *GV = Globals[GI];
+
+    // Reset the encountered sets for this global...
+    std::fill(EncounteredUGS.begin(), EncounteredUGS.end(), 0);
+    // ...and grow it in case we created new sets for the previous global.
+    EncounteredUGS.resize(UsedGlobalSets.size());
+
+    // We might need to create a set that only consists of the current global.
+    // Keep track of its index into UsedGlobalSets.
+    size_t CurGVOnlySetIdx = 0;
+
+    // For each global, look at all its Uses.
+    for (auto &U : GV->uses()) {
+      // This Use might be a ConstantExpr.  We're interested in Instruction
+      // users, so look through ConstantExpr...
+      Use *UI, *UE;
+      if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(U.getUser())) {
+        if (CE->use_empty())
+          continue;
+        UI = &*CE->use_begin();
+        UE = nullptr;
+      } else if (isa<Instruction>(U.getUser())) {
+        UI = &U;
+        UE = UI->getNext();
+      } else {
+        continue;
+      }
+
+      // ...to iterate on all the instruction users of the global.
+      // Note that we iterate on Uses and not on Users to be able to getNext().
+      for (; UI != UE; UI = UI->getNext()) {
+        Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(UI->getUser());
+        if (!I)
+          continue;
+
+        Function *ParentFn = I->getParent()->getParent();
+
+        // If we're only optimizing for size, ignore non-minsize functions.
+        if (OnlyOptimizeForSize && !ParentFn->optForMinSize())
+          continue;
+
+        size_t UGSIdx = GlobalUsesByFunction[ParentFn];
+
+        // If this is the first global the basic block uses, map it to the set
+        // consisting of this global only.
+        if (!UGSIdx) {
+          // If that set doesn't exist yet, create it.
+          if (!CurGVOnlySetIdx) {
+            CurGVOnlySetIdx = UsedGlobalSets.size();
+            CreateGlobalSet().Globals.set(GI);
+          } else {
+            ++UsedGlobalSets[CurGVOnlySetIdx].UsageCount;
+          }
+
+          GlobalUsesByFunction[ParentFn] = CurGVOnlySetIdx;
+          continue;
+        }
+
+        // If we already encountered this BB, just increment the counter.
+        if (UsedGlobalSets[UGSIdx].Globals.test(GI)) {
+          ++UsedGlobalSets[UGSIdx].UsageCount;
+          continue;
+        }
+
+        // If not, the previous set wasn't actually used in this function.
+        --UsedGlobalSets[UGSIdx].UsageCount;
+
+        // If we already expanded the previous set to include this global, just
+        // reuse that expanded set.
+        if (size_t ExpandedIdx = EncounteredUGS[UGSIdx]) {
+          ++UsedGlobalSets[ExpandedIdx].UsageCount;
+          GlobalUsesByFunction[ParentFn] = ExpandedIdx;
+          continue;
+        }
+
+        // If not, create a new set consisting of the union of the previous set
+        // and this global.  Mark it as encountered, so we can reuse it later.
+        GlobalUsesByFunction[ParentFn] = EncounteredUGS[UGSIdx] =
+            UsedGlobalSets.size();
+
+        UsedGlobalSet &NewUGS = CreateGlobalSet();
+        NewUGS.Globals.set(GI);
+        NewUGS.Globals |= UsedGlobalSets[UGSIdx].Globals;
+      }
+    }
+  }
 
+  // Now we found a bunch of sets of globals used together.  We accumulated
+  // the number of times we encountered the sets (i.e., the number of blocks
+  // that use that exact set of globals).
+  //
+  // Multiply that by the size of the set to give us a crude profitability
+  // metric.
+  std::sort(UsedGlobalSets.begin(), UsedGlobalSets.end(),
+            [](const UsedGlobalSet &UGS1, const UsedGlobalSet &UGS2) {
+              return UGS1.Globals.count() * UGS1.UsageCount <
+                     UGS2.Globals.count() * UGS2.UsageCount;
+            });
+
+  // We can choose to merge all globals together, but ignore globals never used
+  // with another global.  This catches the obviously non-profitable cases of
+  // having a single global, but is aggressive enough for any other case.
+  if (GlobalMergeIgnoreSingleUse) {
+    BitVector AllGlobals(Globals.size());
+    for (size_t i = 0, e = UsedGlobalSets.size(); i != e; ++i) {
+      const UsedGlobalSet &UGS = UsedGlobalSets[e - i - 1];
+      if (UGS.UsageCount == 0)
+        continue;
+      if (UGS.Globals.count() > 1)
+        AllGlobals |= UGS.Globals;
+    }
+    return doMerge(Globals, AllGlobals, M, isConst, AddrSpace);
+  }
+
+  // Starting from the sets with the best (=biggest) profitability, find a
+  // good combination.
+  // The ideal (and expensive) solution can only be found by trying all
+  // combinations, looking for the one with the best profitability.
+  // Don't be smart about it, and just pick the first compatible combination,
+  // starting with the sets with the best profitability.
+  BitVector PickedGlobals(Globals.size());
+  bool Changed = false;
+
+  for (size_t i = 0, e = UsedGlobalSets.size(); i != e; ++i) {
+    const UsedGlobalSet &UGS = UsedGlobalSets[e - i - 1];
+    if (UGS.UsageCount == 0)
+      continue;
+    if (PickedGlobals.anyCommon(UGS.Globals))
+      continue;
+    PickedGlobals |= UGS.Globals;
+    // If the set only contains one global, there's no point in merging.
+    // Ignore the global for inclusion in other sets though, so keep it in
+    // PickedGlobals.
+    if (UGS.Globals.count() < 2)
+      continue;
+    Changed |= doMerge(Globals, UGS.Globals, M, isConst, AddrSpace);
+  }
+
+  return Changed;
+}
+
+bool GlobalMerge::doMerge(const SmallVectorImpl<GlobalVariable *> &Globals,
+                          const BitVector &GlobalSet, Module &M, bool isConst,
+                          unsigned AddrSpace) const {
   assert(Globals.size() > 1);
 
-  // FIXME: This simple solution merges globals all together as maximum as
-  // possible. However, with this solution it would be hard to remove dead
-  // global symbols at link-time. An alternative solution could be checking
-  // global symbols references function by function, and make the symbols
-  // being referred in the same function merged and we would probably need
-  // to introduce heuristic algorithm to solve the merge conflict from
-  // different functions.
-  for (size_t i = 0, e = Globals.size(); i != e; ) {
-    size_t j = 0;
+  Type *Int32Ty = Type::getInt32Ty(M.getContext());
+  auto &DL = M.getDataLayout();
+
+  DEBUG(dbgs() << " Trying to merge set, starts with #"
+               << GlobalSet.find_first() << "\n");
+
+  ssize_t i = GlobalSet.find_first();
+  while (i != -1) {
+    ssize_t j = 0;
     uint64_t MergedSize = 0;
     std::vector<Type*> Tys;
     std::vector<Constant*> Inits;
 
-    bool HasExternal = false;
-    GlobalVariable *TheFirstExternal = 0;
-    for (j = i; j != e; ++j) {
-      Type *Ty = Globals[j]->getType()->getElementType();
-      MergedSize += DL->getTypeAllocSize(Ty);
+    for (j = i; j != -1; j = GlobalSet.find_next(j)) {
+      Type *Ty = Globals[j]->getValueType();
+      MergedSize += DL.getTypeAllocSize(Ty);
       if (MergedSize > MaxOffset) {
         break;
       }
       Tys.push_back(Ty);
       Inits.push_back(Globals[j]->getInitializer());
-
-      if (Globals[j]->hasExternalLinkage() && !HasExternal) {
-        HasExternal = true;
-        TheFirstExternal = Globals[j];
-      }
     }
 
-    // If merged variables doesn't have external linkage, we needn't to expose
-    // the symbol after merging.
-    GlobalValue::LinkageTypes Linkage = HasExternal
-                                            ? GlobalValue::ExternalLinkage
-                                            : GlobalValue::InternalLinkage;
-
     StructType *MergedTy = StructType::get(M.getContext(), Tys);
     Constant *MergedInit = ConstantStruct::get(MergedTy, Inits);
 
-    // If merged variables have external linkage, we use symbol name of the
-    // first variable merged as the suffix of global symbol name. This would
-    // be able to avoid the link-time naming conflict for globalm symbols.
     GlobalVariable *MergedGV = new GlobalVariable(
-        M, MergedTy, isConst, Linkage, MergedInit,
-        HasExternal ? "_MergedGlobals_" + TheFirstExternal->getName()
-                    : "_MergedGlobals",
-        nullptr, GlobalVariable::NotThreadLocal, AddrSpace);
+        M, MergedTy, isConst, GlobalValue::PrivateLinkage, MergedInit,
+        "_MergedGlobals", nullptr, GlobalVariable::NotThreadLocal, AddrSpace);
 
-    for (size_t k = i; k < j; ++k) {
+    for (ssize_t k = i, idx = 0; k != j; k = GlobalSet.find_next(k)) {
       GlobalValue::LinkageTypes Linkage = Globals[k]->getLinkage();
       std::string Name = Globals[k]->getName();
 
       Constant *Idx[2] = {
         ConstantInt::get(Int32Ty, 0),
-        ConstantInt::get(Int32Ty, k-i)
+        ConstantInt::get(Int32Ty, idx++)
       };
-      Constant *GEP = ConstantExpr::getInBoundsGetElementPtr(MergedGV, Idx);
+      Constant *GEP =
+          ConstantExpr::getInBoundsGetElementPtr(MergedTy, MergedGV, Idx);
       Globals[k]->replaceAllUsesWith(GEP);
       Globals[k]->eraseFromParent();
 
-      if (Linkage != GlobalValue::InternalLinkage) {
-        // Generate a new alias...
+      // When the linkage is not internal we must emit an alias for the original
+      // variable name as it may be accessed from another object. On non-Mach-O
+      // we can also emit an alias for internal linkage as it's safe to do so.
+      // It's not safe on Mach-O as the alias (and thus the portion of the
+      // MergedGlobals variable) may be dead stripped at link time.
+      if (Linkage != GlobalValue::InternalLinkage ||
+          !TM->getTargetTriple().isOSBinFormatMachO()) {
         auto *PTy = cast<PointerType>(GEP->getType());
-        GlobalAlias::create(PTy->getElementType(), PTy->getAddressSpace(),
-                            Linkage, Name, GEP, &M);
+        GlobalAlias::create(PTy, Linkage, Name, GEP, &M);
       }
 
       NumMerged++;
@@ -280,11 +514,9 @@ bool GlobalMerge::doInitialization(Module &M) {
   if (!EnableGlobalMerge)
     return false;
 
+  auto &DL = M.getDataLayout();
   DenseMap<unsigned, SmallVector<GlobalVariable*, 16> > Globals, ConstGlobals,
                                                         BSSGlobals;
-  const TargetLowering *TLI = TM->getSubtargetImpl()->getTargetLowering();
-  const DataLayout *DL = TLI->getDataLayout();
-  unsigned MaxOffset = TLI->getMaximalGlobalOffset();
   bool Changed = false;
   setMustKeepGlobalVariables(M);
 
@@ -295,7 +527,7 @@ bool GlobalMerge::doInitialization(Module &M) {
     if (I->isDeclaration() || I->isThreadLocal() || I->hasSection())
       continue;
 
-    if (!(EnableGlobalMergeOnExternal && I->hasExternalLinkage()) &&
+    if (!(MergeExternalGlobals && I->hasExternalLinkage()) &&
         !I->hasInternalLinkage())
       continue;
 
@@ -305,9 +537,9 @@ bool GlobalMerge::doInitialization(Module &M) {
     unsigned AddressSpace = PT->getAddressSpace();
 
     // Ignore fancy-aligned globals for now.
-    unsigned Alignment = DL->getPreferredAlignment(I);
-    Type *Ty = I->getType()->getElementType();
-    if (Alignment > DL->getABITypeAlignment(Ty))
+    unsigned Alignment = DL.getPreferredAlignment(I);
+    Type *Ty = I->getValueType();
+    if (Alignment > DL.getABITypeAlignment(Ty))
       continue;
 
     // Ignore all 'special' globals.
@@ -319,7 +551,7 @@ bool GlobalMerge::doInitialization(Module &M) {
     if (isMustKeepGlobalVariable(I))
       continue;
 
-    if (DL->getTypeAllocSize(Ty) < MaxOffset) {
+    if (DL.getTypeAllocSize(Ty) < MaxOffset) {
       if (TargetLoweringObjectFile::getKindForGlobal(I, *TM).isBSSLocal())
         BSSGlobals[AddressSpace].push_back(I);
       else if (I->isConstant())
@@ -329,21 +561,17 @@ bool GlobalMerge::doInitialization(Module &M) {
     }
   }
 
-  for (DenseMap<unsigned, SmallVector<GlobalVariable*, 16> >::iterator
-       I = Globals.begin(), E = Globals.end(); I != E; ++I)
-    if (I->second.size() > 1)
-      Changed |= doMerge(I->second, M, false, I->first);
+  for (auto &P : Globals)
+    if (P.second.size() > 1)
+      Changed |= doMerge(P.second, M, false, P.first);
 
-  for (DenseMap<unsigned, SmallVector<GlobalVariable*, 16> >::iterator
-       I = BSSGlobals.begin(), E = BSSGlobals.end(); I != E; ++I)
-    if (I->second.size() > 1)
-      Changed |= doMerge(I->second, M, false, I->first);
+  for (auto &P : BSSGlobals)
+    if (P.second.size() > 1)
+      Changed |= doMerge(P.second, M, false, P.first);
 
-  if (EnableGlobalMergeOnConst)
-    for (DenseMap<unsigned, SmallVector<GlobalVariable*, 16> >::iterator
-         I = ConstGlobals.begin(), E = ConstGlobals.end(); I != E; ++I)
-      if (I->second.size() > 1)
-        Changed |= doMerge(I->second, M, true, I->first);
+  for (auto &P : ConstGlobals)
+    if (P.second.size() > 1)
+      Changed |= doMerge(P.second, M, true, P.first);
 
   return Changed;
 }
@@ -357,6 +585,10 @@ bool GlobalMerge::doFinalization(Module &M) {
   return false;
 }
 
-Pass *llvm::createGlobalMergePass(const TargetMachine *TM) {
-  return new GlobalMerge(TM);
+Pass *llvm::createGlobalMergePass(const TargetMachine *TM, unsigned Offset,
+                                  bool OnlyOptimizeForSize,
+                                  bool MergeExternalByDefault) {
+  bool MergeExternal = (EnableGlobalMergeOnExternal == cl::BOU_UNSET) ?
+    MergeExternalByDefault : (EnableGlobalMergeOnExternal == cl::BOU_TRUE);
+  return new GlobalMerge(TM, Offset, OnlyOptimizeForSize, MergeExternal);
 }