Added missing entries in X86 load / store folding tables.
[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 is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // 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/MachineFrameInfo.h"
36 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.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 bool isEqual(unsigned LHS, unsigned RHS) { return LHS == RHS; }
67     static unsigned getHashValue(const unsigned &Key) { return Key; }
68   };
69
70
71 /// This register allocator is derived from RegAllocLocal.cpp. Like it, this
72 /// allocator works on one basic block at a time, oblivious to others.
73 /// However, the algorithm used here is suited for long blocks of
74 /// instructions - registers are spilled by greedily choosing those holding
75 /// values that will not be needed for the longest amount of time. This works
76 /// particularly well for blocks with 10 or more times as many instructions
77 /// as machine registers, but can be used for general code.
78 ///
79 /// TODO: - automagically invoke linearscan for (groups of) small BBs?
80 ///       - break ties when picking regs? (probably not worth it in a
81 ///         JIT context)
82 ///
83   class VISIBILITY_HIDDEN RABigBlock : public MachineFunctionPass {
84   public:
85     static char ID;
86     RABigBlock() : MachineFunctionPass((intptr_t)&ID) {}
87   private:
88     /// TM - For getting at TargetMachine info 
89     ///
90     const TargetMachine *TM;
91     
92     /// MF - Our generic MachineFunction pointer
93     ///
94     MachineFunction *MF;
95     
96     /// RegInfo - For dealing with machine register info (aliases, folds
97     /// etc)
98     const MRegisterInfo *RegInfo;
99
100     typedef SmallVector<unsigned, 2> VRegTimes;
101
102     /// VRegReadTable - maps VRegs in a BB to the set of times they are read
103     ///
104     DenseMap<unsigned, VRegTimes*, VRegKeyInfo> VRegReadTable;
105
106     /// VRegReadIdx - keeps track of the "current time" in terms of
107     /// positions in VRegReadTable
108     DenseMap<unsigned, unsigned , VRegKeyInfo> VRegReadIdx;
109
110     /// StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
111     /// values are spilled.
112     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> StackSlotForVirtReg;
113
114     /// Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
115     /// that is currently available in a physical register.
116     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
117
118     /// PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
119     /// each physical register that currently has a value (ie, it is in
120     /// Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
121     /// corresponding to the physical register (the inverse of the
122     /// Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
123     /// because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
124     /// allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
125     /// physical register is "not in the map".
126     ///
127     std::vector<int> PhysRegsUsed;
128
129     /// VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
130     /// registers need to be spilled back to memory when their registers are
131     /// scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
132     /// is no reason to spill it to memory when we need the register back.
133     ///
134     std::vector<int> VirtRegModified;
135
136     /// MBBLastInsnTime - the number of the the last instruction in MBB
137     ///
138     int MBBLastInsnTime;
139
140     /// MBBCurTime - the number of the the instruction being currently processed
141     ///
142     int MBBCurTime;
143
144     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
145       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
146     }
147
148     unsigned &getVirt2StackSlot(unsigned VirtReg) {
149       return StackSlotForVirtReg[VirtReg];
150     }
151
152     /// markVirtRegModified - Lets us flip bits in the VirtRegModified bitset
153     ///
154     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
155       assert(MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
156       Reg -= MRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
157       if (VirtRegModified.size() <= Reg)
158         VirtRegModified.resize(Reg+1);
159       VirtRegModified[Reg] = Val;
160     }
161     
162     /// isVirtRegModified - Lets us query the VirtRegModified bitset
163     ///
164     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
165       assert(MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
166       assert(Reg - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
167              && "Illegal virtual register!");
168       return VirtRegModified[Reg - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
169     }
170
171   public:
172     /// getPassName - returns the BigBlock allocator's name
173     ///
174     virtual const char *getPassName() const {
175       return "BigBlock Register Allocator";
176     }
177
178     /// getAnalaysisUsage - declares the required analyses
179     ///
180     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
181       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
182       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
183       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
184     }
185
186   private:
187     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
188     ///
189     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
190
191     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
192     ///
193     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
194
195     /// FillVRegReadTable - Fill out the table of vreg read times given a BB
196     ///
197     void FillVRegReadTable(MachineBasicBlock &MBB);
198     
199     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
200     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
201     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
202     ///
203     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
204       if (R1 == R2) return true;
205       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(R2);
206            *AliasSet; ++AliasSet) {
207         if (*AliasSet == R1) return true;
208       }
209       return false;
210     }
211
212     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
213     /// register on the stack, allocating space if necessary.
214     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
215
216     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
217     /// longer being in use.
218     ///
219     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
220
221     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
222     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
223     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
224     ///
225     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
226                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
227
228     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
229     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
230     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
231     /// contain a virtual register.
232     ///
233     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
234                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
235
236     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
237     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
238     /// register must not be used for anything else when this is called.
239     ///
240     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
241
242     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
243     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
244     /// aliased registers are all free...
245     ///
246     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
247
248     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
249     /// specified register class.  If not, return 0.
250     ///
251     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
252
253     /// chooseReg - Pick a physical register to hold the specified
254     /// virtual register by choosing the one which will be read furthest
255     /// in the future.
256     ///
257     unsigned chooseReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
258                     unsigned VirtReg);
259
260     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
261     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
262     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
263     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
264     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
265     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
266     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
267     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
268     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
269     /// value.  This method returns the modified instruction.
270     ///
271     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
272                                 unsigned OpNum);
273
274   };
275   char RABigBlock::ID = 0;
276 }
277
278 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
279 /// to be held on the stack.
280 int RABigBlock::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
281   // Find the location Reg would belong...
282   int FrameIdx = getVirt2StackSlot(VirtReg);
283
284   if (FrameIdx)
285     return FrameIdx - 1;          // Already has space allocated?
286
287   // Allocate a new stack object for this spill location...
288   FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
289                                                        RC->getAlignment());
290
291   // Assign the slot...
292   getVirt2StackSlot(VirtReg) = FrameIdx + 1;
293   return FrameIdx;
294 }
295
296
297 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
298 /// longer being in use.
299 ///
300 void RABigBlock::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
301   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
302 }
303
304
305 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
306 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
307 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
308 ///
309 void RABigBlock::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
310                            MachineBasicBlock::iterator I,
311                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
312   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
313          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
314          " the intended one.");
315   DOUT << "  Spilling register " << RegInfo->getName(PhysReg)
316        << " containing %reg" << VirtReg;
317   
318   const TargetInstrInfo* TII = MBB.getParent()->getTarget().getInstrInfo();
319   
320   if (!isVirtRegModified(VirtReg))
321     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
322
323   // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
324   // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
325   // modified.
326   if (isVirtRegModified(VirtReg)) {
327     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
328     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
329     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
330     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, true, FrameIndex, RC);
331     ++NumStores;   // Update statistics
332   }
333
334   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
335
336   DOUT << "\n";
337   removePhysReg(PhysReg);
338 }
339
340
341 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
342 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
343 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
344 /// virtual register.
345 ///
346 void RABigBlock::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
347                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
348   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
349     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
350     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
351       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
352   } else {
353     // If the selected register aliases any other registers, we must make
354     // sure that one of the aliases isn't alive.
355     for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
356          *AliasSet; ++AliasSet)
357       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
358           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
359         if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
360           spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
361   }
362 }
363
364
365 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
366 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
367 /// register must not be used for anything else when this is called.
368 ///
369 void RABigBlock::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
370   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
371   // Update information to note the fact that this register was just used, and
372   // it holds VirtReg.
373   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
374   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
375 }
376
377
378 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
379 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
380 /// registers are all free...
381 ///
382 bool RABigBlock::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
383   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
384
385   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
386   // not free!
387   for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
388        *AliasSet; ++AliasSet)
389     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1) // Aliased register in use?
390       return false;                    // Can't use this reg then.
391   return true;
392 }
393
394   
395 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
396 /// specified register class.  If not, return 0.
397 ///
398 unsigned RABigBlock::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
399   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
400   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
401   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
402   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
403
404   for (; RI != RE; ++RI)
405     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
406       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
407       return *RI; // Found an unused register!
408     }
409   return 0;
410 }
411
412
413 /// chooseReg - Pick a physical register to hold the specified
414 /// virtual register by choosing the one whose value will be read
415 /// furthest in the future.
416 ///
417 unsigned RABigBlock::chooseReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
418                          unsigned VirtReg) {
419   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
420   // First check to see if we have a free register of the requested type...
421   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
422
423   // If we didn't find an unused register, find the one which will be
424   // read at the most distant point in time.
425   if (PhysReg == 0) {
426     unsigned delay=0, longest_delay=0;
427     VRegTimes* ReadTimes;
428
429     unsigned curTime = MBBCurTime;
430
431     // for all physical regs in the RC,
432     for(TargetRegisterClass::iterator pReg = RC->begin(); 
433                                       pReg != RC->end();  ++pReg) {
434       // how long until they're read?
435       if(PhysRegsUsed[*pReg]>0) { // ignore non-allocatable regs
436         ReadTimes = VRegReadTable[PhysRegsUsed[*pReg]];
437         if(ReadTimes && !ReadTimes->empty()) {
438             unsigned& pt = VRegReadIdx[PhysRegsUsed[*pReg]];
439             while(pt < ReadTimes->size() && (*ReadTimes)[pt] < curTime) {
440                 ++pt;
441             }
442
443             if(pt < ReadTimes->size())
444                 delay = (*ReadTimes)[pt] - curTime;
445             else
446                 delay = MBBLastInsnTime + 1 - curTime;
447         } else {
448             // This register is only defined, but never
449             // read in this MBB. Therefore the next read
450             // happens after the end of this MBB
451             delay = MBBLastInsnTime + 1 - curTime;
452         }
453
454         
455         if(delay > longest_delay) {
456           longest_delay = delay;
457           PhysReg = *pReg;
458         }
459       }
460     }
461
462     if(PhysReg == 0) { // ok, now we're desperate. We couldn't choose
463                        // a register to spill by looking through the
464                        // read timetable, so now we just spill the
465                        // first allocatable register we find.
466                        
467       // for all physical regs in the RC,
468       for(TargetRegisterClass::iterator pReg = RC->begin(); 
469                                         pReg != RC->end();  ++pReg) {
470         // if we find a register we can spill
471         if(PhysRegsUsed[*pReg]>=-1)
472           PhysReg = *pReg; // choose it to be spilled
473       }
474     }
475     
476     assert(PhysReg && "couldn't choose a register to spill :( ");
477     // TODO: assert that RC->contains(PhysReg) / handle aliased registers?
478
479     // since we needed to look in the table we need to spill this register.
480     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
481   }
482
483   // assign the vreg to our chosen physical register
484   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
485   return PhysReg; // and return it
486 }
487
488
489 /// reloadVirtReg - This method transforms an instruction with a virtual
490 /// register use to one that references a physical register. It does this as
491 /// follows:
492 ///
493 ///   1) If the register is already in a physical register, it uses it.
494 ///   2) Otherwise, if there is a free physical register, it uses that.
495 ///   3) Otherwise, it calls chooseReg() to get the physical register
496 ///      holding the most distantly needed value, generating a spill in
497 ///      the process.
498 ///
499 /// This method returns the modified instruction.
500 MachineInstr *RABigBlock::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
501                                      unsigned OpNum) {
502   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
503   const TargetInstrInfo* TII = MBB.getParent()->getTarget().getInstrInfo();
504
505   // If the virtual register is already available in a physical register,
506   // just update the instruction and return.
507   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
508     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);
509     return MI;
510   }
511
512   // Otherwise, if we have free physical registers available to hold the
513   // value, use them.
514   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
515   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
516   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
517
518   if (PhysReg) {   // we have a free register, so use it.
519     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
520   } else {  // no free registers available.
521     // try to fold the spill into the instruction
522     SmallVector<unsigned, 2> Ops;
523     Ops.push_back(OpNum);
524     if(MachineInstr* FMI = TII->foldMemoryOperand(MI, Ops, FrameIndex)) {
525       ++NumFolded;
526       FMI->copyKillDeadInfo(MI);
527       return MBB.insert(MBB.erase(MI), FMI);
528     }
529     
530     // determine which of the physical registers we'll kill off, since we
531     // couldn't fold.
532     PhysReg = chooseReg(MBB, MI, VirtReg);
533   }
534
535   // this virtual register is now unmodified (since we just reloaded it)
536   markVirtRegModified(VirtReg, false);
537
538   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
539        << RegInfo->getName(PhysReg) << "\n";
540
541   // Add move instruction(s)
542   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
543   ++NumLoads;    // Update statistics
544
545   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
546   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
547   return MI;
548 }
549
550 /// Fill out the vreg read timetable. Since ReadTime increases
551 /// monotonically, the individual readtime sets will be sorted
552 /// in ascending order.
553 void RABigBlock::FillVRegReadTable(MachineBasicBlock &MBB) {
554   // loop over each instruction
555   MachineBasicBlock::iterator MII;
556   unsigned ReadTime;
557   
558   for(ReadTime=0, MII = MBB.begin(); MII != MBB.end(); ++ReadTime, ++MII) {
559     MachineInstr *MI = MII;
560     
561     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
562       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
563       // look for vreg reads..
564       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() &&
565           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
566           // ..and add them to the read table.
567           VRegTimes* &Times = VRegReadTable[MO.getReg()];
568           if(!VRegReadTable[MO.getReg()]) {
569               Times = new VRegTimes;
570               VRegReadIdx[MO.getReg()] = 0;
571           }
572         Times->push_back(ReadTime);
573       }
574     }
575
576   }  
577
578   MBBLastInsnTime = ReadTime;
579
580   for(DenseMap<unsigned, VRegTimes*, VRegKeyInfo>::iterator Reads = VRegReadTable.begin();
581       Reads != VRegReadTable.end(); ++Reads) {
582       if(Reads->second) {
583           DOUT << "Reads[" << Reads->first << "]=" << Reads->second->size() << "\n";
584       }
585   }
586 }
587
588 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
589 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
590 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
591   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
592     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
593     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
594         MO.isDef() && !MO.isDead())
595       return true;
596   }
597   return false;
598 }
599
600 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
601 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
602 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
603   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
604     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
605     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
606         !MO.isDef() && MO.isKill())
607       return true;
608   }
609   return false;
610 }
611
612
613 void RABigBlock::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
614   // loop over each instruction
615   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
616   const TargetInstrInfo &TII = *TM->getInstrInfo();
617   
618   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
619         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
620
621   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
622   // registers as active.
623   if (&MBB == &*MF->begin()) {
624     for (MachineRegisterInfo::livein_iterator
625          I = MF->getRegInfo().livein_begin(),
626          E = MF->getRegInfo().livein_end(); I != E; ++I) {
627       unsigned Reg = I->first;
628       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
629       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
630       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
631            *AliasSet; ++AliasSet) {
632         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
633           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
634           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
635         }
636       }
637     }    
638   }
639   
640   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
641   MBBCurTime = -1;
642   while (MII != MBB.end()) {
643     MachineInstr *MI = MII++;
644     MBBCurTime++;
645     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
646     DEBUG(DOUT << "\nTime=" << MBBCurTime << " Starting RegAlloc of: " << *MI;
647           DOUT << "  Regs have values: ";
648           for (unsigned i = 0; i != RegInfo->getNumRegs(); ++i)
649             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
650                DOUT << "[" << RegInfo->getName(i)
651                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
652           DOUT << "\n");
653
654     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
655     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
656       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
657       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
658         if (!MO.isImplicit())
659           Kills.push_back(MO.getReg());
660         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
661           // These are extra physical register kills when a sub-register
662           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
663           // larger registers). Ignore.
664           Kills.push_back(MO.getReg());
665       }
666     }
667
668     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
669     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
670     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
671     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
672     // to be live-in, or the input is badly hosed.
673     //
674     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
675       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
676       // here we are looking for only used operands (never def&use)
677       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
678           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
679         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
680     }
681
682     // If this instruction is the last user of this register, kill the
683     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
684     // spilled to memory.
685     //
686     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
687       unsigned VirtReg = Kills[i];
688       unsigned PhysReg = VirtReg;
689       if (MRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
690         // If the virtual register was never materialized into a register, it
691         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
692         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
693         PhysReg = PhysRegSlot;
694         PhysRegSlot = 0;
695       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
696         // Unallocatable register dead, ignore.
697         continue;
698       } else {
699         assert(!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 &&
700                "Silently clearing a virtual register?");
701       }
702
703       if (PhysReg) {
704         DOUT << "  Last use of " << RegInfo->getName(PhysReg)
705              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
706         removePhysReg(PhysReg);
707         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(PhysReg);
708              *AliasSet; ++AliasSet) {
709           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
710             DOUT  << "  Last use of "
711                   << RegInfo->getName(*AliasSet)
712                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
713             removePhysReg(*AliasSet);
714           }
715         }
716       }
717     }
718
719     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
720     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
721     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
722       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
723       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
724           MRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
725         unsigned Reg = MO.getReg();
726         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
727         // These are extra physical register defs when a sub-register
728         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
729         // larger registers). Ignore.
730         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
731
732         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
733         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
734         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
735         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
736              *AliasSet; ++AliasSet) {
737           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
738             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
739             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
740           }
741         }
742       }
743     }
744
745     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
746     if (TID.getImplicitDefs()) {
747       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.getImplicitDefs();
748            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
749         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
750         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
751           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
752           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
753         }
754         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
755         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
756              *AliasSet; ++AliasSet) {
757           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
758             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
759             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
760           }
761         }
762       }
763     }
764
765     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
766     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
767       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
768       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
769         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
770     }
771
772     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
773     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
774     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
775     // we need to scavenge a register.
776     //
777     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
778       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
779       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
780           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
781         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
782         unsigned DestPhysReg;
783
784         // If DestVirtReg already has a value, use it.
785         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
786           DestPhysReg = chooseReg(MBB, MI, DestVirtReg);
787         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
788         markVirtRegModified(DestVirtReg);
789         MI->getOperand(i).setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
790       }
791     }
792
793     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
794     // kill them now.
795     //
796     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
797       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
798       unsigned PhysReg = VirtReg;
799       if (MRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
800         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
801         PhysReg = PhysRegSlot;
802         assert(PhysReg != 0);
803         PhysRegSlot = 0;
804       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
805         // Unallocatable register dead, ignore.
806         continue;
807       }
808
809       if (PhysReg) {
810         DOUT  << "  Register " << RegInfo->getName(PhysReg)
811               << " [%reg" << VirtReg
812               << "] is never used, removing it frame live list\n";
813         removePhysReg(PhysReg);
814         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
815              *AliasSet; ++AliasSet) {
816           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
817             DOUT  << "  Register " << RegInfo->getName(*AliasSet)
818                   << " [%reg" << *AliasSet
819                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
820             removePhysReg(*AliasSet);
821           }
822         }
823       }
824     }
825     
826     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
827     unsigned SrcReg, DstReg;
828     if (TII.isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg)
829       MBB.erase(MI);
830   }
831
832   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
833
834   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
835   for (unsigned i = 0, e = RegInfo->getNumRegs(); i != e; ++i)
836     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
837       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
838         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
839       else
840         removePhysReg(i);
841 }
842
843 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
844 ///
845 bool RABigBlock::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
846   DOUT << "Machine Function " << "\n";
847   MF = &Fn;
848   TM = &Fn.getTarget();
849   RegInfo = TM->getRegisterInfo();
850
851   PhysRegsUsed.assign(RegInfo->getNumRegs(), -1);
852   
853   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
854   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
855   // being pinned down, permanently.
856   {
857     BitVector Allocable = RegInfo->getAllocatableSet(Fn);
858     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
859       if (!Allocable[i])
860         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
861   }
862
863   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
864   // mapping for all virtual registers
865   Virt2PhysRegMap.grow(MF->getRegInfo().getLastVirtReg());
866   StackSlotForVirtReg.grow(MF->getRegInfo().getLastVirtReg());
867   VirtRegModified.resize(MF->getRegInfo().getLastVirtReg() - 
868                          MRegisterInfo::FirstVirtualRegister + 1, 0);
869
870   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
871   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
872        MBB != MBBe; ++MBB) {
873     // fill out the read timetable 
874     FillVRegReadTable(*MBB);
875     // use it to allocate the BB
876     AllocateBasicBlock(*MBB);
877     // clear it
878     VRegReadTable.clear();
879   }
880   
881   StackSlotForVirtReg.clear();
882   PhysRegsUsed.clear();
883   VirtRegModified.clear();
884   Virt2PhysRegMap.clear();
885   return true;
886 }
887
888 FunctionPass *llvm::createBigBlockRegisterAllocator() {
889   return new RABigBlock();
890 }
891