lib/Analysis/LoopDependenceAnalysis.cpp

   1 //===- LoopDependenceAnalysis.cpp - LDA Implementation ----------*- C++ -*-===//
   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 is the (beginning) of an implementation of a loop dependence analysis
  11 // framework, which is used to detect dependences in memory accesses in loops.
  12 //
  13 // Please note that this is work in progress and the interface is subject to
  14 // change.
  15 //
  16 // TODO: adapt as implementation progresses.
  17 //
  18 //===----------------------------------------------------------------------===//
  19
  20 #define DEBUG_TYPE "lda"
  21 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  22 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  23 #include "llvm/Analysis/LoopDependenceAnalysis.h"
  24 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  25 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  26 #include "llvm/Instructions.h"
  27 #include "llvm/Support/Allocator.h"
  28 #include "llvm/Support/Debug.h"
  29 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  30 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  31 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  32 using namespace llvm;
  33
  34 STATISTIC(NumAnswered,    "Number of dependence queries answered");
  35 STATISTIC(NumAnalysed,    "Number of distinct dependence pairs analysed");
  36 STATISTIC(NumDependent,   "Number of pairs with dependent accesses");
  37 STATISTIC(NumIndependent, "Number of pairs with independent accesses");
  38 STATISTIC(NumUnknown,     "Number of pairs with unknown accesses");
  39
  40 LoopPass *llvm::createLoopDependenceAnalysisPass() {
  41   return new LoopDependenceAnalysis();
  42 }
  43
  44 static RegisterPass<LoopDependenceAnalysis>
  45 R("lda", "Loop Dependence Analysis", false, true);
  46 char LoopDependenceAnalysis::ID = 0;
  47
  48 //===----------------------------------------------------------------------===//
  49 //                             Utility Functions
  50 //===----------------------------------------------------------------------===//
  51
  52 static inline bool IsMemRefInstr(const Value *V) {
  53   const Instruction *I = dyn_cast<const Instruction>(V);
  54   return I && (I->mayReadFromMemory() || I->mayWriteToMemory());
  55 }
  56
  57 static void GetMemRefInstrs(const Loop *L,
  58                             SmallVectorImpl<Instruction*> &Memrefs) {
  59   for (Loop::block_iterator b = L->block_begin(), be = L->block_end();
  60        b != be; ++b)
  61     for (BasicBlock::iterator i = (*b)->begin(), ie = (*b)->end();
  62          i != ie; ++i)
  63       if (IsMemRefInstr(i))
  64         Memrefs.push_back(i);
  65 }
  66
  67 static bool IsLoadOrStoreInst(Value *I) {
  68   return isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I);
  69 }
  70
  71 static Value *GetPointerOperand(Value *I) {
  72   if (LoadInst *i = dyn_cast<LoadInst>(I))
  73     return i->getPointerOperand();
  74   if (StoreInst *i = dyn_cast<StoreInst>(I))
  75     return i->getPointerOperand();
  76   llvm_unreachable("Value is no load or store instruction!");
  77   // Never reached.
  78   return 0;
  79 }
  80
  81 static AliasAnalysis::AliasResult UnderlyingObjectsAlias(AliasAnalysis *AA,
  82                                                          const Value *A,
  83                                                          const Value *B) {
  84   const Value *aObj = A->getUnderlyingObject();
  85   const Value *bObj = B->getUnderlyingObject();
  86   return AA->alias(aObj, AA->getTypeStoreSize(aObj->getType()),
  87                    bObj, AA->getTypeStoreSize(bObj->getType()));
  88 }
  89
  90 //===----------------------------------------------------------------------===//
  91 //                             Dependence Testing
  92 //===----------------------------------------------------------------------===//
  93
  94 bool LoopDependenceAnalysis::isDependencePair(const Value *A,
  95                                               const Value *B) const {
  96   return IsMemRefInstr(A) &&
  97          IsMemRefInstr(B) &&
  98          (cast<const Instruction>(A)->mayWriteToMemory() ||
  99           cast<const Instruction>(B)->mayWriteToMemory());
 100 }
 101
 102 bool LoopDependenceAnalysis::findOrInsertDependencePair(Value *A,
 103                                                         Value *B,
 104                                                         DependencePair *&P) {
 105   void *insertPos = 0;
 106   FoldingSetNodeID id;
 107   id.AddPointer(A);
 108   id.AddPointer(B);
 109
 110   P = Pairs.FindNodeOrInsertPos(id, insertPos);
 111   if (P) return true;
 112
 113   P = PairAllocator.Allocate<DependencePair>();
 114   new (P) DependencePair(id, A, B);
 115   Pairs.InsertNode(P, insertPos);
 116   return false;
 117 }
 118
 119 LoopDependenceAnalysis::DependenceResult
 120 LoopDependenceAnalysis::analysePair(DependencePair *P) const {
 121   DEBUG(errs() << "Analysing:\n" << *P->A << "\n" << *P->B << "\n");
 122
 123   // We only analyse loads and stores but no possible memory accesses by e.g.
 124   // free, call, or invoke instructions.
 125   if (!IsLoadOrStoreInst(P->A) || !IsLoadOrStoreInst(P->B)) {
 126     DEBUG(errs() << "--> [?] no load/store\n");
 127     return Unknown;
 128   }
 129
 130   Value *aPtr = GetPointerOperand(P->A);
 131   Value *bPtr = GetPointerOperand(P->B);
 132
 133   switch (UnderlyingObjectsAlias(AA, aPtr, bPtr)) {
 134   case AliasAnalysis::MayAlias:
 135     // We can not analyse objects if we do not know about their aliasing.
 136     DEBUG(errs() << "---> [?] may alias\n");
 137     return Unknown;
 138
 139   case AliasAnalysis::NoAlias:
 140     // If the objects noalias, they are distinct, accesses are independent.
 141     DEBUG(errs() << "---> [I] no alias\n");
 142     return Independent;
 143
 144   case AliasAnalysis::MustAlias:
 145     break; // The underlying objects alias, test accesses for dependence.
 146   }
 147
 148   // We failed to analyse this pair to get a more specific answer.
 149   DEBUG(errs() << "---> [?] cannot analyse\n");
 150   return Unknown;
 151 }
 152
 153 bool LoopDependenceAnalysis::depends(Value *A, Value *B) {
 154   assert(isDependencePair(A, B) && "Values form no dependence pair!");
 155   ++NumAnswered;
 156
 157   DependencePair *p;
 158   if (!findOrInsertDependencePair(A, B, p)) {
 159     // The pair is not cached, so analyse it.
 160     ++NumAnalysed;
 161     switch (p->Result = analysePair(p)) {
 162     case Dependent:   ++NumDependent;   break;
 163     case Independent: ++NumIndependent; break;
 164     case Unknown:     ++NumUnknown;     break;
 165     }
 166   }
 167   return p->Result != Independent;
 168 }
 169
 170 //===----------------------------------------------------------------------===//
 171 //                   LoopDependenceAnalysis Implementation
 172 //===----------------------------------------------------------------------===//
 173
 174 bool LoopDependenceAnalysis::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &) {
 175   this->L = L;
 176   AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
 177   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 178   return false;
 179 }
 180
 181 void LoopDependenceAnalysis::releaseMemory() {
 182   Pairs.clear();
 183   PairAllocator.Reset();
 184 }
 185
 186 void LoopDependenceAnalysis::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 187   AU.setPreservesAll();
 188   AU.addRequiredTransitive<AliasAnalysis>();
 189   AU.addRequiredTransitive<ScalarEvolution>();
 190 }
 191
 192 static void PrintLoopInfo(raw_ostream &OS,
 193                           LoopDependenceAnalysis *LDA, const Loop *L) {
 194   if (!L->empty()) return; // ignore non-innermost loops
 195
 196   SmallVector<Instruction*, 8> memrefs;
 197   GetMemRefInstrs(L, memrefs);
 198
 199   OS << "Loop at depth " << L->getLoopDepth() << ", header block: ";
 200   WriteAsOperand(OS, L->getHeader(), false);
 201   OS << "\n";
 202
 203   OS << "  Load/store instructions: " << memrefs.size() << "\n";
 204   for (SmallVector<Instruction*, 8>::const_iterator x = memrefs.begin(),
 205        end = memrefs.end(); x != end; ++x)
 206     OS << "\t" << (x - memrefs.begin()) << ": " << **x << "\n";
 207
 208   OS << "  Pairwise dependence results:\n";
 209   for (SmallVector<Instruction*, 8>::const_iterator x = memrefs.begin(),
 210        end = memrefs.end(); x != end; ++x)
 211     for (SmallVector<Instruction*, 8>::const_iterator y = x + 1;
 212          y != end; ++y)
 213       if (LDA->isDependencePair(*x, *y))
 214         OS << "\t" << (x - memrefs.begin()) << "," << (y - memrefs.begin())
 215            << ": " << (LDA->depends(*x, *y) ? "dependent" : "independent")
 216            << "\n";
 217 }
 218
 219 void LoopDependenceAnalysis::print(raw_ostream &OS, const Module*) const {
 220   // TODO: doc why const_cast is safe
 221   PrintLoopInfo(OS, const_cast<LoopDependenceAnalysis*>(this), this->L);
 222 }
 223
 224 void LoopDependenceAnalysis::print(std::ostream &OS, const Module *M) const {
 225   raw_os_ostream os(OS);
 226   print(os, M);
 227 }