lib/CodeGen/PeepholeOptimizer.cpp

   1 //===-- PeepholeOptimizer.cpp - Peephole Optimizations --------------------===//
   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 // Perform peephole optimizations on the machine code:
  11 //
  12 // - Optimize Extensions
  13 //
  14 //     Optimization of sign / zero extension instructions. It may be extended to
  15 //     handle other instructions with similar properties.
  16 //
  17 //     On some targets, some instructions, e.g. X86 sign / zero extension, may
  18 //     leave the source value in the lower part of the result. This optimization
  19 //     will replace some uses of the pre-extension value with uses of the
  20 //     sub-register of the results.
  21 //
  22 // - Optimize Comparisons
  23 //
  24 //     Optimization of comparison instructions. For instance, in this code:
  25 //
  26 //       sub r1, 1
  27 //       cmp r1, 0
  28 //       bz  L1
  29 //
  30 //     If the "sub" instruction all ready sets (or could be modified to set) the
  31 //     same flag that the "cmp" instruction sets and that "bz" uses, then we can
  32 //     eliminate the "cmp" instruction.
  33 //
  34 //     Another instance, in this code:
  35 //
  36 //       sub r1, r3 | sub r1, imm
  37 //       cmp r3, r1 or cmp r1, r3 | cmp r1, imm
  38 //       bge L1
  39 //
  40 //     If the branch instruction can use flag from "sub", then we can replace
  41 //     "sub" with "subs" and eliminate the "cmp" instruction.
  42 //
  43 // - Optimize Bitcast pairs:
  44 //
  45 //     v1 = bitcast v0
  46 //     v2 = bitcast v1
  47 //        = v2
  48 //   =>
  49 //     v1 = bitcast v0
  50 //        = v0
  51 //
  52 //===----------------------------------------------------------------------===//
  53
  54 #define DEBUG_TYPE "peephole-opt"
  55 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  56 #include "llvm/CodeGen/MachineDominators.h"
  57 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
  58 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  59 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  60 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  61 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  62 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  63 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  64 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
  65 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  66 using namespace llvm;
  67
  68 // Optimize Extensions
  69 static cl::opt<bool>
  70 Aggressive("aggressive-ext-opt", cl::Hidden,
  71            cl::desc("Aggressive extension optimization"));
  72
  73 static cl::opt<bool>
  74 DisablePeephole("disable-peephole", cl::Hidden, cl::init(false),
  75                 cl::desc("Disable the peephole optimizer"));
  76
  77 STATISTIC(NumReuse,      "Number of extension results reused");
  78 STATISTIC(NumBitcasts,   "Number of bitcasts eliminated");
  79 STATISTIC(NumCmps,       "Number of compares eliminated");
  80 STATISTIC(NumImmFold,    "Number of move immediate folded");
  81
  82 namespace {
  83   class PeepholeOptimizer : public MachineFunctionPass {
  84     const TargetMachine   *TM;
  85     const TargetInstrInfo *TII;
  86     MachineRegisterInfo   *MRI;
  87     MachineDominatorTree  *DT;  // Machine dominator tree
  88
  89   public:
  90     static char ID; // Pass identification
  91     PeepholeOptimizer() : MachineFunctionPass(ID) {
  92       initializePeepholeOptimizerPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
  93     }
  94
  95     virtual bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF);
  96
  97     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
  98       AU.setPreservesCFG();
  99       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 100       if (Aggressive) {
 101         AU.addRequired<MachineDominatorTree>();
 102         AU.addPreserved<MachineDominatorTree>();
 103       }
 104     }
 105
 106   private:
 107     bool optimizeBitcastInstr(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB);
 108     bool optimizeCmpInstr(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB);
 109     bool optimizeExtInstr(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB,
 110                           SmallPtrSet<MachineInstr*, 8> &LocalMIs);
 111     bool isMoveImmediate(MachineInstr *MI,
 112                          SmallSet<unsigned, 4> &ImmDefRegs,
 113                          DenseMap<unsigned, MachineInstr*> &ImmDefMIs);
 114     bool foldImmediate(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB,
 115                        SmallSet<unsigned, 4> &ImmDefRegs,
 116                        DenseMap<unsigned, MachineInstr*> &ImmDefMIs);
 117   };
 118 }
 119
 120 char PeepholeOptimizer::ID = 0;
 121 char &llvm::PeepholeOptimizerID = PeepholeOptimizer::ID;
 122 INITIALIZE_PASS_BEGIN(PeepholeOptimizer, "peephole-opts",
 123                 "Peephole Optimizations", false, false)
 124 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MachineDominatorTree)
 125 INITIALIZE_PASS_END(PeepholeOptimizer, "peephole-opts",
 126                 "Peephole Optimizations", false, false)
 127
 128 /// optimizeExtInstr - If instruction is a copy-like instruction, i.e. it reads
 129 /// a single register and writes a single register and it does not modify the
 130 /// source, and if the source value is preserved as a sub-register of the
 131 /// result, then replace all reachable uses of the source with the subreg of the
 132 /// result.
 133 ///
 134 /// Do not generate an EXTRACT that is used only in a debug use, as this changes
 135 /// the code. Since this code does not currently share EXTRACTs, just ignore all
 136 /// debug uses.
 137 bool PeepholeOptimizer::
 138 optimizeExtInstr(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB,
 139                  SmallPtrSet<MachineInstr*, 8> &LocalMIs) {
 140   unsigned SrcReg, DstReg, SubIdx;
 141   if (!TII->isCoalescableExtInstr(*MI, SrcReg, DstReg, SubIdx))
 142     return false;
 143
 144   if (TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(DstReg) ||
 145       TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(SrcReg))
 146     return false;
 147
 148   if (MRI->hasOneNonDBGUse(SrcReg))
 149     // No other uses.
 150     return false;
 151
 152   // Ensure DstReg can get a register class that actually supports
 153   // sub-registers. Don't change the class until we commit.
 154   const TargetRegisterClass *DstRC = MRI->getRegClass(DstReg);
 155   DstRC = TM->getRegisterInfo()->getSubClassWithSubReg(DstRC, SubIdx);
 156   if (!DstRC)
 157     return false;
 158
 159   // The source has other uses. See if we can replace the other uses with use of
 160   // the result of the extension.
 161   SmallPtrSet<MachineBasicBlock*, 4> ReachedBBs;
 162   for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator
 163        UI = MRI->use_nodbg_begin(DstReg), UE = MRI->use_nodbg_end();
 164        UI != UE; ++UI)
 165     ReachedBBs.insert(UI->getParent());
 166
 167   // Uses that are in the same BB of uses of the result of the instruction.
 168   SmallVector<MachineOperand*, 8> Uses;
 169
 170   // Uses that the result of the instruction can reach.
 171   SmallVector<MachineOperand*, 8> ExtendedUses;
 172
 173   bool ExtendLife = true;
 174   for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator
 175        UI = MRI->use_nodbg_begin(SrcReg), UE = MRI->use_nodbg_end();
 176        UI != UE; ++UI) {
 177     MachineOperand &UseMO = UI.getOperand();
 178     MachineInstr *UseMI = &*UI;
 179     if (UseMI == MI)
 180       continue;
 181
 182     if (UseMI->isPHI()) {
 183       ExtendLife = false;
 184       continue;
 185     }
 186
 187     // It's an error to translate this:
 188     //
 189     //    %reg1025 = <sext> %reg1024
 190     //     ...
 191     //    %reg1026 = SUBREG_TO_REG 0, %reg1024, 4
 192     //
 193     // into this:
 194     //
 195     //    %reg1025 = <sext> %reg1024
 196     //     ...
 197     //    %reg1027 = COPY %reg1025:4
 198     //    %reg1026 = SUBREG_TO_REG 0, %reg1027, 4
 199     //
 200     // The problem here is that SUBREG_TO_REG is there to assert that an
 201     // implicit zext occurs. It doesn't insert a zext instruction. If we allow
 202     // the COPY here, it will give us the value after the <sext>, not the
 203     // original value of %reg1024 before <sext>.
 204     if (UseMI->getOpcode() == TargetOpcode::SUBREG_TO_REG)
 205       continue;
 206
 207     MachineBasicBlock *UseMBB = UseMI->getParent();
 208     if (UseMBB == MBB) {
 209       // Local uses that come after the extension.
 210       if (!LocalMIs.count(UseMI))
 211         Uses.push_back(&UseMO);
 212     } else if (ReachedBBs.count(UseMBB)) {
 213       // Non-local uses where the result of the extension is used. Always
 214       // replace these unless it's a PHI.
 215       Uses.push_back(&UseMO);
 216     } else if (Aggressive && DT->dominates(MBB, UseMBB)) {
 217       // We may want to extend the live range of the extension result in order
 218       // to replace these uses.
 219       ExtendedUses.push_back(&UseMO);
 220     } else {
 221       // Both will be live out of the def MBB anyway. Don't extend live range of
 222       // the extension result.
 223       ExtendLife = false;
 224       break;
 225     }
 226   }
 227
 228   if (ExtendLife && !ExtendedUses.empty())
 229     // Extend the liveness of the extension result.
 230     std::copy(ExtendedUses.begin(), ExtendedUses.end(),
 231               std::back_inserter(Uses));
 232
 233   // Now replace all uses.
 234   bool Changed = false;
 235   if (!Uses.empty()) {
 236     SmallPtrSet<MachineBasicBlock*, 4> PHIBBs;
 237
 238     // Look for PHI uses of the extended result, we don't want to extend the
 239     // liveness of a PHI input. It breaks all kinds of assumptions down
 240     // stream. A PHI use is expected to be the kill of its source values.
 241     for (MachineRegisterInfo::use_nodbg_iterator
 242          UI = MRI->use_nodbg_begin(DstReg), UE = MRI->use_nodbg_end();
 243          UI != UE; ++UI)
 244       if (UI->isPHI())
 245         PHIBBs.insert(UI->getParent());
 246
 247     const TargetRegisterClass *RC = MRI->getRegClass(SrcReg);
 248     for (unsigned i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
 249       MachineOperand *UseMO = Uses[i];
 250       MachineInstr *UseMI = UseMO->getParent();
 251       MachineBasicBlock *UseMBB = UseMI->getParent();
 252       if (PHIBBs.count(UseMBB))
 253         continue;
 254
 255       // About to add uses of DstReg, clear DstReg's kill flags.
 256       if (!Changed) {
 257         MRI->clearKillFlags(DstReg);
 258         MRI->constrainRegClass(DstReg, DstRC);
 259       }
 260
 261       unsigned NewVR = MRI->createVirtualRegister(RC);
 262       BuildMI(*UseMBB, UseMI, UseMI->getDebugLoc(),
 263               TII->get(TargetOpcode::COPY), NewVR)
 264         .addReg(DstReg, 0, SubIdx);
 265
 266       UseMO->setReg(NewVR);
 267       ++NumReuse;
 268       Changed = true;
 269     }
 270   }
 271
 272   return Changed;
 273 }
 274
 275 /// optimizeBitcastInstr - If the instruction is a bitcast instruction A that
 276 /// cannot be optimized away during isel (e.g. ARM::VMOVSR, which bitcast
 277 /// a value cross register classes), and the source is defined by another
 278 /// bitcast instruction B. And if the register class of source of B matches
 279 /// the register class of instruction A, then it is legal to replace all uses
 280 /// of the def of A with source of B. e.g.
 281 ///   %vreg0<def> = VMOVSR %vreg1
 282 ///   %vreg3<def> = VMOVRS %vreg0
 283 ///   Replace all uses of vreg3 with vreg1.
 284
 285 bool PeepholeOptimizer::optimizeBitcastInstr(MachineInstr *MI,
 286                                              MachineBasicBlock *MBB) {
 287   unsigned NumDefs = MI->getDesc().getNumDefs();
 288   unsigned NumSrcs = MI->getDesc().getNumOperands() - NumDefs;
 289   if (NumDefs != 1)
 290     return false;
 291
 292   unsigned Def = 0;
 293   unsigned Src = 0;
 294   for (unsigned i = 0, e = NumDefs + NumSrcs; i != e; ++i) {
 295     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 296     if (!MO.isReg())
 297       continue;
 298     unsigned Reg = MO.getReg();
 299     if (!Reg)
 300       continue;
 301     if (MO.isDef())
 302       Def = Reg;
 303     else if (Src)
 304       // Multiple sources?
 305       return false;
 306     else
 307       Src = Reg;
 308   }
 309
 310   assert(Def && Src && "Malformed bitcast instruction!");
 311
 312   MachineInstr *DefMI = MRI->getVRegDef(Src);
 313   if (!DefMI || !DefMI->isBitcast())
 314     return false;
 315
 316   unsigned SrcSrc = 0;
 317   NumDefs = DefMI->getDesc().getNumDefs();
 318   NumSrcs = DefMI->getDesc().getNumOperands() - NumDefs;
 319   if (NumDefs != 1)
 320     return false;
 321   for (unsigned i = 0, e = NumDefs + NumSrcs; i != e; ++i) {
 322     const MachineOperand &MO = DefMI->getOperand(i);
 323     if (!MO.isReg() || MO.isDef())
 324       continue;
 325     unsigned Reg = MO.getReg();
 326     if (!Reg)
 327       continue;
 328     if (!MO.isDef()) {
 329       if (SrcSrc)
 330         // Multiple sources?
 331         return false;
 332       else
 333         SrcSrc = Reg;
 334     }
 335   }
 336
 337   if (MRI->getRegClass(SrcSrc) != MRI->getRegClass(Def))
 338     return false;
 339
 340   MRI->replaceRegWith(Def, SrcSrc);
 341   MRI->clearKillFlags(SrcSrc);
 342   MI->eraseFromParent();
 343   ++NumBitcasts;
 344   return true;
 345 }
 346
 347 /// optimizeCmpInstr - If the instruction is a compare and the previous
 348 /// instruction it's comparing against all ready sets (or could be modified to
 349 /// set) the same flag as the compare, then we can remove the comparison and use
 350 /// the flag from the previous instruction.
 351 bool PeepholeOptimizer::optimizeCmpInstr(MachineInstr *MI,
 352                                          MachineBasicBlock *MBB) {
 353   // If this instruction is a comparison against zero and isn't comparing a
 354   // physical register, we can try to optimize it.
 355   unsigned SrcReg;
 356   int CmpMask, CmpValue;
 357   if (!TII->AnalyzeCompare(MI, SrcReg, CmpMask, CmpValue) ||
 358       TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(SrcReg))
 359     return false;
 360
 361   // Attempt to optimize the comparison instruction.
 362   if (TII->OptimizeCompareInstr(MI, SrcReg, CmpMask, CmpValue, MRI)) {
 363     ++NumCmps;
 364     return true;
 365   }
 366
 367   return false;
 368 }
 369
 370 bool PeepholeOptimizer::isMoveImmediate(MachineInstr *MI,
 371                                         SmallSet<unsigned, 4> &ImmDefRegs,
 372                                  DenseMap<unsigned, MachineInstr*> &ImmDefMIs) {
 373   const MCInstrDesc &MCID = MI->getDesc();
 374   if (!MI->isMoveImmediate())
 375     return false;
 376   if (MCID.getNumDefs() != 1)
 377     return false;
 378   unsigned Reg = MI->getOperand(0).getReg();
 379   if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg)) {
 380     ImmDefMIs.insert(std::make_pair(Reg, MI));
 381     ImmDefRegs.insert(Reg);
 382     return true;
 383   }
 384
 385   return false;
 386 }
 387
 388 /// foldImmediate - Try folding register operands that are defined by move
 389 /// immediate instructions, i.e. a trivial constant folding optimization, if
 390 /// and only if the def and use are in the same BB.
 391 bool PeepholeOptimizer::foldImmediate(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock *MBB,
 392                                       SmallSet<unsigned, 4> &ImmDefRegs,
 393                                  DenseMap<unsigned, MachineInstr*> &ImmDefMIs) {
 394   for (unsigned i = 0, e = MI->getDesc().getNumOperands(); i != e; ++i) {
 395     MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 396     if (!MO.isReg() || MO.isDef())
 397       continue;
 398     unsigned Reg = MO.getReg();
 399     if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 400       continue;
 401     if (ImmDefRegs.count(Reg) == 0)
 402       continue;
 403     DenseMap<unsigned, MachineInstr*>::iterator II = ImmDefMIs.find(Reg);
 404     assert(II != ImmDefMIs.end());
 405     if (TII->FoldImmediate(MI, II->second, Reg, MRI)) {
 406       ++NumImmFold;
 407       return true;
 408     }
 409   }
 410   return false;
 411 }
 412
 413 bool PeepholeOptimizer::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 414   if (DisablePeephole)
 415     return false;
 416
 417   TM  = &MF.getTarget();
 418   TII = TM->getInstrInfo();
 419   MRI = &MF.getRegInfo();
 420   DT  = Aggressive ? &getAnalysis<MachineDominatorTree>() : 0;
 421
 422   bool Changed = false;
 423
 424   SmallPtrSet<MachineInstr*, 8> LocalMIs;
 425   SmallSet<unsigned, 4> ImmDefRegs;
 426   DenseMap<unsigned, MachineInstr*> ImmDefMIs;
 427   for (MachineFunction::iterator I = MF.begin(), E = MF.end(); I != E; ++I) {
 428     MachineBasicBlock *MBB = &*I;
 429
 430     bool SeenMoveImm = false;
 431     LocalMIs.clear();
 432     ImmDefRegs.clear();
 433     ImmDefMIs.clear();
 434
 435     bool First = true;
 436     MachineBasicBlock::iterator PMII;
 437     for (MachineBasicBlock::iterator
 438            MII = I->begin(), MIE = I->end(); MII != MIE; ) {
 439       MachineInstr *MI = &*MII;
 440       LocalMIs.insert(MI);
 441
 442       if (MI->isLabel() || MI->isPHI() || MI->isImplicitDef() ||
 443           MI->isKill() || MI->isInlineAsm() || MI->isDebugValue() ||
 444           MI->hasUnmodeledSideEffects()) {
 445         ++MII;
 446         continue;
 447       }
 448
 449       if (MI->isBitcast()) {
 450         if (optimizeBitcastInstr(MI, MBB)) {
 451           // MI is deleted.
 452           LocalMIs.erase(MI);
 453           Changed = true;
 454           MII = First ? I->begin() : llvm::next(PMII);
 455           continue;
 456         }
 457       } else if (MI->isCompare()) {
 458         if (optimizeCmpInstr(MI, MBB)) {
 459           // MI is deleted.
 460           LocalMIs.erase(MI);
 461           Changed = true;
 462           MII = First ? I->begin() : llvm::next(PMII);
 463           continue;
 464         }
 465       }
 466
 467       if (isMoveImmediate(MI, ImmDefRegs, ImmDefMIs)) {
 468         SeenMoveImm = true;
 469       } else {
 470         Changed |= optimizeExtInstr(MI, MBB, LocalMIs);
 471         if (SeenMoveImm)
 472           Changed |= foldImmediate(MI, MBB, ImmDefRegs, ImmDefMIs);
 473       }
 474
 475       First = false;
 476       PMII = MII;
 477       ++MII;
 478     }
 479   }
 480
 481   return Changed;
 482 }