400d72ae51467d5a33dd74c3acf3304f3e388018
[oota-llvm.git] / lib / CodeGen / RegAllocBigBlock.cpp
1 //===- RegAllocBigBlock.cpp - A register allocator for large basic blocks -===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by Duraid Madina and is distributed under the
6 // University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file implements the RABigBlock class
11 //
12 //===----------------------------------------------------------------------===//
13
14 // This register allocator is derived from RegAllocLocal.cpp. Like it, this
15 // allocator works on one basic block at a time, oblivious to others.
16 // However, the algorithm used here is suited for long blocks of
17 // instructions - registers are spilled by greedily choosing those holding
18 // values that will not be needed for the longest amount of time. This works
19 // particularly well for blocks with 10 or more times as many instructions
20 // as machine registers, but can be used for general code.
21 //
22 //===----------------------------------------------------------------------===//
23 //
24 // TODO: - automagically invoke linearscan for (groups of) small BBs?
25 //       - break ties when picking regs? (probably not worth it in a
26 //         JIT context)
27 //
28 //===----------------------------------------------------------------------===//
29
30 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
31 #include "llvm/BasicBlock.h"
32 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
33 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
34 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
35 #include "llvm/CodeGen/SSARegMap.h"
36 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
37 #include "llvm/CodeGen/LiveVariables.h"
38 #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
39 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
40 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include "llvm/Support/Debug.h"
43 #include "llvm/Support/Compiler.h"
44 #include "llvm/ADT/IndexedMap.h"
45 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
46 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
47 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
48 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
49 #include <algorithm>
50 using namespace llvm;
51
52 STATISTIC(NumStores, "Number of stores added");
53 STATISTIC(NumLoads , "Number of loads added");
54 STATISTIC(NumFolded, "Number of loads/stores folded into instructions");
55
56 namespace {
57   static RegisterRegAlloc
58     bigBlockRegAlloc("bigblock", "  Big-block register allocator",
59                   createBigBlockRegisterAllocator);
60
61 /// VRegKeyInfo - Defines magic values required to use VirtRegs as DenseMap
62 /// keys.
63   struct VRegKeyInfo {
64     static inline unsigned getEmptyKey() { return -1U; }
65     static inline unsigned getTombstoneKey() { return -2U; }
66     static unsigned getHashValue(const unsigned &Key) { return Key; }
67   };
68
69
70 /// This register allocator is derived from RegAllocLocal.cpp. Like it, this
71 /// allocator works on one basic block at a time, oblivious to others.
72 /// However, the algorithm used here is suited for long blocks of
73 /// instructions - registers are spilled by greedily choosing those holding
74 /// values that will not be needed for the longest amount of time. This works
75 /// particularly well for blocks with 10 or more times as many instructions
76 /// as machine registers, but can be used for general code.
77 ///
78 /// TODO: - automagically invoke linearscan for (groups of) small BBs?
79 ///       - break ties when picking regs? (probably not worth it in a
80 ///         JIT context)
81 ///
82   class VISIBILITY_HIDDEN RABigBlock : public MachineFunctionPass {
83   public:
84     static char ID;
85     RABigBlock() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
86   private:
87     /// TM - For getting at TargetMachine info 
88     ///
89     const TargetMachine *TM;
90     
91     /// MF - Our generic MachineFunction pointer
92     ///
93     MachineFunction *MF;
94     
95     /// RegInfo - For dealing with machine register info (aliases, folds
96     /// etc)
97     const MRegisterInfo *RegInfo;
98
99     /// LV - Our generic LiveVariables pointer
100     ///
101     LiveVariables *LV;
102
103     typedef SmallVector<unsigned, 2> VRegTimes;
104
105     /// VRegReadTable - maps VRegs in a BB to the set of times they are read
106     ///
107     DenseMap<unsigned, VRegTimes*, VRegKeyInfo> VRegReadTable;
108
109     /// VRegReadIdx - keeps track of the "current time" in terms of
110     /// positions in VRegReadTable
111     DenseMap<unsigned, unsigned , VRegKeyInfo> VRegReadIdx;
112
113     /// StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
114     /// values are spilled.
115     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> StackSlotForVirtReg;
116
117     /// Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
118     /// that is currently available in a physical register.
119     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
120
121     /// PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
122     /// each physical register that currently has a value (ie, it is in
123     /// Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
124     /// corresponding to the physical register (the inverse of the
125     /// Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
126     /// because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
127     /// allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
128     /// physical register is "not in the map".
129     ///
130     std::vector<int> PhysRegsUsed;
131
132     /// VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
133     /// registers need to be spilled back to memory when their registers are
134     /// scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
135     /// is no reason to spill it to memory when we need the register back.
136     ///
137     std::vector<int> VirtRegModified;
138
139     /// MBBLastInsnTime - the number of the the last instruction in MBB
140     ///
141     int MBBLastInsnTime;
142
143     /// MBBCurTime - the number of the the instruction being currently processed
144     ///
145     int MBBCurTime;
146
147     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
148       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
149     }
150
151     unsigned &getVirt2StackSlot(unsigned VirtReg) {
152       return StackSlotForVirtReg[VirtReg];
153     }
154
155     /// markVirtRegModified - Lets us flip bits in the VirtRegModified bitset
156     ///
157     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
158       assert(MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
159       Reg -= MRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
160       if (VirtRegModified.size() <= Reg)
161         VirtRegModified.resize(Reg+1);
162       VirtRegModified[Reg] = Val;
163     }
164     
165     /// isVirtRegModified - Lets us query the VirtRegModified bitset
166     ///
167     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
168       assert(MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
169       assert(Reg - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
170              && "Illegal virtual register!");
171       return VirtRegModified[Reg - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
172     }
173
174   public:
175     /// getPassName - returns the BigBlock allocator's name
176     ///
177     virtual const char *getPassName() const {
178       return "BigBlock Register Allocator";
179     }
180
181     /// getAnalaysisUsage - declares the required analyses
182     ///
183     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
184       AU.addRequired<LiveVariables>();
185       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
186       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
187       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
188     }
189
190   private:
191     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
192     ///
193     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
194
195     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
196     ///
197     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
198
199     /// FillVRegReadTable - Fill out the table of vreg read times given a BB
200     ///
201     void FillVRegReadTable(MachineBasicBlock &MBB);
202     
203     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
204     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
205     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
206     ///
207     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
208       if (R1 == R2) return true;
209       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(R2);
210            *AliasSet; ++AliasSet) {
211         if (*AliasSet == R1) return true;
212       }
213       return false;
214     }
215
216     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
217     /// register on the stack, allocating space if necessary.
218     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
219
220     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
221     /// longer being in use.
222     ///
223     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
224
225     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
226     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
227     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
228     ///
229     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
230                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
231
232     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
233     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
234     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
235     /// contain a virtual register.
236     ///
237     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
238                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
239
240     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
241     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
242     /// register must not be used for anything else when this is called.
243     ///
244     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
245
246     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
247     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
248     /// aliased registers are all free...
249     ///
250     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
251
252     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
253     /// specified register class.  If not, return 0.
254     ///
255     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
256
257     /// chooseReg - Pick a physical register to hold the specified
258     /// virtual register by choosing the one which will be read furthest
259     /// in the future.
260     ///
261     unsigned chooseReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
262                     unsigned VirtReg);
263
264     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
265     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
266     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
267     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
268     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
269     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
270     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
271     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
272     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
273     /// value.  This method returns the modified instruction.
274     ///
275     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
276                                 unsigned OpNum);
277
278   };
279   char RABigBlock::ID = 0;
280 }
281
282 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
283 /// to be held on the stack.
284 int RABigBlock::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
285   // Find the location Reg would belong...
286   int FrameIdx = getVirt2StackSlot(VirtReg);
287
288   if (FrameIdx)
289     return FrameIdx - 1;          // Already has space allocated?
290
291   // Allocate a new stack object for this spill location...
292   FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
293                                                        RC->getAlignment());
294
295   // Assign the slot...
296   getVirt2StackSlot(VirtReg) = FrameIdx + 1;
297   return FrameIdx;
298 }
299
300
301 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
302 /// longer being in use.
303 ///
304 void RABigBlock::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
305   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
306 }
307
308
309 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
310 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
311 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
312 ///
313 void RABigBlock::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
314                            MachineBasicBlock::iterator I,
315                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
316   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
317          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
318          " the intended one.");
319   DOUT << "  Spilling register " << RegInfo->getName(PhysReg)
320        << " containing %reg" << VirtReg;
321   if (!isVirtRegModified(VirtReg))
322     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
323
324   // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
325   // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
326   // modified.
327   if (isVirtRegModified(VirtReg)) {
328     const TargetRegisterClass *RC = MF->getSSARegMap()->getRegClass(VirtReg);
329     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
330     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
331     RegInfo->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, FrameIndex, RC);
332     ++NumStores;   // Update statistics
333   }
334
335   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
336
337   DOUT << "\n";
338   removePhysReg(PhysReg);
339 }
340
341
342 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
343 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
344 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
345 /// virtual register.
346 ///
347 void RABigBlock::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
348                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
349   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
350     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
351     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
352       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
353   } else {
354     // If the selected register aliases any other registers, we must make
355     // sure that one of the aliases isn't alive.
356     for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
357          *AliasSet; ++AliasSet)
358       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
359           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
360         if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
361           spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
362   }
363 }
364
365
366 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
367 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
368 /// register must not be used for anything else when this is called.
369 ///
370 void RABigBlock::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
371   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
372   // Update information to note the fact that this register was just used, and
373   // it holds VirtReg.
374   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
375   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
376 }
377
378
379 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
380 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
381 /// registers are all free...
382 ///
383 bool RABigBlock::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
384   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
385
386   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
387   // not free!
388   for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
389        *AliasSet; ++AliasSet)
390     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1) // Aliased register in use?
391       return false;                    // Can't use this reg then.
392   return true;
393 }
394
395   
396 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
397 /// specified register class.  If not, return 0.
398 ///
399 unsigned RABigBlock::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
400   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
401   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
402   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
403   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
404
405   for (; RI != RE; ++RI)
406     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
407       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
408       return *RI; // Found an unused register!
409     }
410   return 0;
411 }
412
413
414 /// chooseReg - Pick a physical register to hold the specified
415 /// virtual register by choosing the one whose value will be read
416 /// furthest in the future.
417 ///
418 unsigned RABigBlock::chooseReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
419                          unsigned VirtReg) {
420   const TargetRegisterClass *RC = MF->getSSARegMap()->getRegClass(VirtReg);
421   // First check to see if we have a free register of the requested type...
422   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
423
424   // If we didn't find an unused register, find the one which will be
425   // read at the most distant point in time.
426   if (PhysReg == 0) {
427     unsigned delay=0, longest_delay=0;
428     VRegTimes* ReadTimes;
429
430     unsigned curTime = MBBCurTime;
431
432     // for all physical regs in the RC,
433     for(TargetRegisterClass::iterator pReg = RC->begin(); 
434                                       pReg != RC->end();  ++pReg) {
435       // how long until they're read?
436       if(PhysRegsUsed[*pReg]>0) { // ignore non-allocatable regs
437         ReadTimes = VRegReadTable[PhysRegsUsed[*pReg]];
438         if(ReadTimes && !ReadTimes->empty()) {
439             unsigned& pt = VRegReadIdx[PhysRegsUsed[*pReg]];
440             while(pt < ReadTimes->size() && (*ReadTimes)[pt] < curTime) {
441                 ++pt;
442             }
443
444             if(pt < ReadTimes->size())
445                 delay = (*ReadTimes)[pt] - curTime;
446             else
447                 delay = MBBLastInsnTime + 1 - curTime;
448         } else {
449             // This register is only defined, but never
450             // read in this MBB. Therefore the next read
451             // happens after the end of this MBB
452             delay = MBBLastInsnTime + 1 - curTime;
453         }
454
455         
456         if(delay > longest_delay) {
457           longest_delay = delay;
458           PhysReg = *pReg;
459         }
460       }
461     }
462     
463     assert(PhysReg && "couldn't grab a register from the table?");
464     // TODO: assert that RC->contains(PhysReg) / handle aliased registers
465
466     // since we needed to look in the table we need to spill this register.
467     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
468   }
469
470   // assign the vreg to our chosen physical register
471   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
472   return PhysReg; // and return it
473 }
474
475
476 /// reloadVirtReg - This method transforms an instruction with a virtual
477 /// register use to one that references a physical register. It does this as
478 /// follows:
479 ///
480 ///   1) If the register is already in a physical register, it uses it.
481 ///   2) Otherwise, if there is a free physical register, it uses that.
482 ///   3) Otherwise, it calls chooseReg() to get the physical register
483 ///      holding the most distantly needed value, generating a spill in
484 ///      the process.
485 ///
486 /// This method returns the modified instruction.
487 MachineInstr *RABigBlock::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
488                                      unsigned OpNum) {
489   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
490
491   // If the virtual register is already available in a physical register,
492   // just update the instruction and return.
493   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
494     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);
495     return MI;
496   }
497
498   // Otherwise, if we have free physical registers available to hold the
499   // value, use them.
500   const TargetRegisterClass *RC = MF->getSSARegMap()->getRegClass(VirtReg);
501   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
502   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
503
504   if (PhysReg) {   // we have a free register, so use it.
505     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
506   } else {  // no free registers available.
507     // try to fold the spill into the instruction
508     if(MachineInstr* FMI = RegInfo->foldMemoryOperand(MI, OpNum, FrameIndex)) {
509       ++NumFolded;
510       // Since we changed the address of MI, make sure to update live variables
511       // to know that the new instruction has the properties of the old one.
512       LV->instructionChanged(MI, FMI);
513       return MBB.insert(MBB.erase(MI), FMI);
514     }
515     
516     // determine which of the physical registers we'll kill off, since we
517     // couldn't fold.
518     PhysReg = chooseReg(MBB, MI, VirtReg);
519   }
520
521   // this virtual register is now unmodified (since we just reloaded it)
522   markVirtRegModified(VirtReg, false);
523
524   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
525        << RegInfo->getName(PhysReg) << "\n";
526
527   // Add move instruction(s)
528   RegInfo->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
529   ++NumLoads;    // Update statistics
530
531   MF->setPhysRegUsed(PhysReg);
532   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
533   return MI;
534 }
535
536 /// Fill out the vreg read timetable. Since ReadTime increases
537 /// monotonically, the individual readtime sets will be sorted
538 /// in ascending order.
539 void RABigBlock::FillVRegReadTable(MachineBasicBlock &MBB) {
540   // loop over each instruction
541   MachineBasicBlock::iterator MII;
542   unsigned ReadTime;
543   
544   for(ReadTime=0, MII = MBB.begin(); MII != MBB.end(); ++ReadTime, ++MII) {
545     MachineInstr *MI = MII;
546     
547     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
548       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
549       // look for vreg reads..
550       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() &&
551           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
552           // ..and add them to the read table.
553           VRegTimes* &Times = VRegReadTable[MO.getReg()];
554           if(!VRegReadTable[MO.getReg()]) {
555               Times = new VRegTimes;
556               VRegReadIdx[MO.getReg()] = 0;
557           }
558         Times->push_back(ReadTime);
559       }
560     }
561
562   }  
563
564   MBBLastInsnTime = ReadTime;
565
566   for(DenseMap<unsigned, VRegTimes*, VRegKeyInfo>::iterator Reads = VRegReadTable.begin();
567       Reads != VRegReadTable.end(); ++Reads) {
568       if(Reads->second) {
569           DOUT << "Reads[" << Reads->first << "]=" << Reads->second->size() << "\n";
570       }
571   }
572 }
573
574 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
575 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
576 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
577   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
578     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
579     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
580         MO.isDef() && !MO.isDead())
581       return true;
582   }
583   return false;
584 }
585
586 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
587 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
588 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
589   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
590     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
591     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
592         !MO.isDef() && MO.isKill())
593       return true;
594   }
595   return false;
596 }
597
598
599 void RABigBlock::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
600   // loop over each instruction
601   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
602   const TargetInstrInfo &TII = *TM->getInstrInfo();
603   
604   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
605         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
606
607   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
608   // registers as active.
609   if (&MBB == &*MF->begin()) {
610     for (MachineFunction::livein_iterator I = MF->livein_begin(),
611          E = MF->livein_end(); I != E; ++I) {
612       unsigned Reg = I->first;
613       MF->setPhysRegUsed(Reg);
614       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
615       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
616            *AliasSet; ++AliasSet) {
617         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
618           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
619           MF->setPhysRegUsed(*AliasSet);
620         }
621       }
622     }    
623   }
624   
625   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
626   MBBCurTime = -1;
627   while (MII != MBB.end()) {
628     MachineInstr *MI = MII++;
629     MBBCurTime++;
630     const TargetInstrDescriptor &TID = TII.get(MI->getOpcode());
631     DEBUG(DOUT << "\nTime=" << MBBCurTime << " Starting RegAlloc of: " << *MI;
632           DOUT << "  Regs have values: ";
633           for (unsigned i = 0; i != RegInfo->getNumRegs(); ++i)
634             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
635                DOUT << "[" << RegInfo->getName(i)
636                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
637           DOUT << "\n");
638
639     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
640     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
641       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
642       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
643         if (!MO.isImplicit())
644           Kills.push_back(MO.getReg());
645         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
646           // These are extra physical register kills when a sub-register
647           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
648           // larger registers). Ignore.
649           Kills.push_back(MO.getReg());
650       }
651     }
652
653     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
654     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
655     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
656     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
657     // to be live-in, or the input is badly hosed.
658     //
659     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
660       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
661       // here we are looking for only used operands (never def&use)
662       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
663           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
664         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
665     }
666
667     // If this instruction is the last user of this register, kill the
668     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
669     // spilled to memory.
670     //
671     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
672       unsigned VirtReg = Kills[i];
673       unsigned PhysReg = VirtReg;
674       if (MRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
675         // If the virtual register was never materialized into a register, it
676         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
677         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
678         PhysReg = PhysRegSlot;
679         PhysRegSlot = 0;
680       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
681         // Unallocatable register dead, ignore.
682         continue;
683       } else {
684         assert(!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 &&
685                "Silently clearing a virtual register?");
686       }
687
688       if (PhysReg) {
689         DOUT << "  Last use of " << RegInfo->getName(PhysReg)
690              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
691         removePhysReg(PhysReg);
692         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(PhysReg);
693              *AliasSet; ++AliasSet) {
694           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
695             DOUT  << "  Last use of "
696                   << RegInfo->getName(*AliasSet)
697                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
698             removePhysReg(*AliasSet);
699           }
700         }
701       }
702     }
703
704     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
705     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
706     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
707       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
708       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
709           MRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
710         unsigned Reg = MO.getReg();
711         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
712         // These are extra physical register defs when a sub-register
713         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
714         // larger registers). Ignore.
715         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
716
717         MF->setPhysRegUsed(Reg);
718         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
719         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
720         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
721              *AliasSet; ++AliasSet) {
722           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
723             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
724             MF->setPhysRegUsed(*AliasSet);
725           }
726         }
727       }
728     }
729
730     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
731     if (TID.ImplicitDefs) {
732       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
733            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
734         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
735         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
736           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
737           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
738         }
739         MF->setPhysRegUsed(Reg);
740         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
741              *AliasSet; ++AliasSet) {
742           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
743             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
744             MF->setPhysRegUsed(*AliasSet);
745           }
746         }
747       }
748     }
749
750     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
751     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
752       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
753       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
754         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
755     }
756
757     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
758     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
759     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
760     // we need to scavenge a register.
761     //
762     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
763       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
764       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
765           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
766         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
767         unsigned DestPhysReg;
768
769         // If DestVirtReg already has a value, use it.
770         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
771           DestPhysReg = chooseReg(MBB, MI, DestVirtReg);
772         MF->setPhysRegUsed(DestPhysReg);
773         markVirtRegModified(DestVirtReg);
774         MI->getOperand(i).setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
775       }
776     }
777
778     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
779     // kill them now.
780     //
781     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
782       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
783       unsigned PhysReg = VirtReg;
784       if (MRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
785         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
786         PhysReg = PhysRegSlot;
787         assert(PhysReg != 0);
788         PhysRegSlot = 0;
789       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
790         // Unallocatable register dead, ignore.
791         continue;
792       }
793
794       if (PhysReg) {
795         DOUT  << "  Register " << RegInfo->getName(PhysReg)
796               << " [%reg" << VirtReg
797               << "] is never used, removing it frame live list\n";
798         removePhysReg(PhysReg);
799         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
800              *AliasSet; ++AliasSet) {
801           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
802             DOUT  << "  Register " << RegInfo->getName(*AliasSet)
803                   << " [%reg" << *AliasSet
804                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
805             removePhysReg(*AliasSet);
806           }
807         }
808       }
809     }
810     
811     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
812     unsigned SrcReg, DstReg;
813     if (TII.isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg) {
814       LV->removeVirtualRegistersKilled(MI);
815       LV->removeVirtualRegistersDead(MI);
816       MBB.erase(MI);
817     }
818   }
819
820   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
821
822   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
823   for (unsigned i = 0, e = RegInfo->getNumRegs(); i != e; ++i)
824     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
825       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
826         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
827       else
828         removePhysReg(i);
829 }
830
831 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
832 ///
833 bool RABigBlock::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
834   DOUT << "Machine Function " << "\n";
835   MF = &Fn;
836   TM = &Fn.getTarget();
837   RegInfo = TM->getRegisterInfo();
838   LV = &getAnalysis<LiveVariables>();
839
840   PhysRegsUsed.assign(RegInfo->getNumRegs(), -1);
841   
842   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
843   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
844   // being pinned down, permanently.
845   {
846     BitVector Allocable = RegInfo->getAllocatableSet(Fn);
847     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
848       if (!Allocable[i])
849         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
850   }
851
852   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
853   // mapping for all virtual registers
854   Virt2PhysRegMap.grow(MF->getSSARegMap()->getLastVirtReg());
855   StackSlotForVirtReg.grow(MF->getSSARegMap()->getLastVirtReg());
856   VirtRegModified.resize(MF->getSSARegMap()->getLastVirtReg() - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister + 1,0);
857
858   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
859   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
860        MBB != MBBe; ++MBB) {
861     // fill out the read timetable 
862     FillVRegReadTable(*MBB);
863     // use it to allocate the BB
864     AllocateBasicBlock(*MBB);
865     // clear it
866     VRegReadTable.clear();
867   }
868   
869   StackSlotForVirtReg.clear();
870   PhysRegsUsed.clear();
871   VirtRegModified.clear();
872   Virt2PhysRegMap.clear();
873   return true;
874 }
875
876 FunctionPass *llvm::createBigBlockRegisterAllocator() {
877   return new RABigBlock();
878 }
879