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     /// LV - Our generic LiveVariables pointer
 101     ///
 102     LiveVariables *LV;
 103
 104     typedef SmallVector<unsigned, 2> VRegTimes;
 105
 106     /// VRegReadTable - maps VRegs in a BB to the set of times they are read
 107     ///
 108     DenseMap<unsigned, VRegTimes*, VRegKeyInfo> VRegReadTable;
 109
 110     /// VRegReadIdx - keeps track of the "current time" in terms of
 111     /// positions in VRegReadTable
 112     DenseMap<unsigned, unsigned , VRegKeyInfo> VRegReadIdx;
 113
 114     /// StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
 115     /// values are spilled.
 116     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> StackSlotForVirtReg;
 117
 118     /// Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
 119     /// that is currently available in a physical register.
 120     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
 121
 122     /// PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
 123     /// each physical register that currently has a value (ie, it is in
 124     /// Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
 125     /// corresponding to the physical register (the inverse of the
 126     /// Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
 127     /// because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
 128     /// allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
 129     /// physical register is "not in the map".
 130     ///
 131     std::vector<int> PhysRegsUsed;
 132
 133     /// VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
 134     /// registers need to be spilled back to memory when their registers are
 135     /// scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
 136     /// is no reason to spill it to memory when we need the register back.
 137     ///
 138     std::vector<int> VirtRegModified;
 139
 140     /// MBBLastInsnTime - the number of the the last instruction in MBB
 141     ///
 142     int MBBLastInsnTime;
 143
 144     /// MBBCurTime - the number of the the instruction being currently processed
 145     ///
 146     int MBBCurTime;
 147
 148     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
 149       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
 150     }
 151
 152     unsigned &getVirt2StackSlot(unsigned VirtReg) {
 153       return StackSlotForVirtReg[VirtReg];
 154     }
 155
 156     /// markVirtRegModified - Lets us flip bits in the VirtRegModified bitset
 157     ///
 158     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
 159       assert(MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
 160       Reg -= MRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
 161       if (VirtRegModified.size() <= Reg)
 162         VirtRegModified.resize(Reg+1);
 163       VirtRegModified[Reg] = Val;
 164     }
 165
 166     /// isVirtRegModified - Lets us query the VirtRegModified bitset
 167     ///
 168     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
 169       assert(MRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
 170       assert(Reg - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
 171              && "Illegal virtual register!");
 172       return VirtRegModified[Reg - MRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
 173     }
 174
 175   public:
 176     /// getPassName - returns the BigBlock allocator's name
 177     ///
 178     virtual const char *getPassName() const {
 179       return "BigBlock Register Allocator";
 180     }
 181
 182     /// getAnalaysisUsage - declares the required analyses
 183     ///
 184     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 185       AU.addRequired<LiveVariables>();
 186       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
 187       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
 188       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 189     }
 190
 191   private:
 192     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
 193     ///
 194     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
 195
 196     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
 197     ///
 198     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
 199
 200     /// FillVRegReadTable - Fill out the table of vreg read times given a BB
 201     ///
 202     void FillVRegReadTable(MachineBasicBlock &MBB);
 203
 204     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
 205     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
 206     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
 207     ///
 208     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
 209       if (R1 == R2) return true;
 210       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(R2);
 211            *AliasSet; ++AliasSet) {
 212         if (*AliasSet == R1) return true;
 213       }
 214       return false;
 215     }
 216
 217     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
 218     /// register on the stack, allocating space if necessary.
 219     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
 220
 221     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
 222     /// longer being in use.
 223     ///
 224     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
 225
 226     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
 227     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
 228     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
 229     ///
 230     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
 231                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
 232
 233     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
 234     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
 235     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
 236     /// contain a virtual register.
 237     ///
 238     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
 239                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
 240
 241     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
 242     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
 243     /// register must not be used for anything else when this is called.
 244     ///
 245     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
 246
 247     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
 248     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
 249     /// aliased registers are all free...
 250     ///
 251     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
 252
 253     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
 254     /// specified register class.  If not, return 0.
 255     ///
 256     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
 257
 258     /// chooseReg - Pick a physical register to hold the specified
 259     /// virtual register by choosing the one which will be read furthest
 260     /// in the future.
 261     ///
 262     unsigned chooseReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
 263                     unsigned VirtReg);
 264
 265     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
 266     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
 267     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
 268     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
 269     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
 270     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
 271     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
 272     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
 273     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
 274     /// value.  This method returns the modified instruction.
 275     ///
 276     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
 277                                 unsigned OpNum);
 278
 279   };
 280   char RABigBlock::ID = 0;
 281 }
 282
 283 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
 284 /// to be held on the stack.
 285 int RABigBlock::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
 286   // Find the location Reg would belong...
 287   int FrameIdx = getVirt2StackSlot(VirtReg);
 288
 289   if (FrameIdx)
 290     return FrameIdx - 1;          // Already has space allocated?
 291
 292   // Allocate a new stack object for this spill location...
 293   FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
 294                                                        RC->getAlignment());
 295
 296   // Assign the slot...
 297   getVirt2StackSlot(VirtReg) = FrameIdx + 1;
 298   return FrameIdx;
 299 }
 300
 301
 302 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
 303 /// longer being in use.
 304 ///
 305 void RABigBlock::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
 306   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
 307 }
 308
 309
 310 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
 311 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
 312 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
 313 ///
 314 void RABigBlock::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
 315                            MachineBasicBlock::iterator I,
 316                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
 317   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
 318          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
 319          " the intended one.");
 320   DOUT << "  Spilling register " << RegInfo->getName(PhysReg)
 321        << " containing %reg" << VirtReg;
 322   if (!isVirtRegModified(VirtReg))
 323     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
 324
 325   // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
 326   // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
 327   // modified.
 328   if (isVirtRegModified(VirtReg)) {
 329     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
 330     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
 331     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
 332     RegInfo->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, true, FrameIndex, RC);
 333     ++NumStores;   // Update statistics
 334   }
 335
 336   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
 337
 338   DOUT << "\n";
 339   removePhysReg(PhysReg);
 340 }
 341
 342
 343 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
 344 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
 345 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
 346 /// virtual register.
 347 ///
 348 void RABigBlock::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
 349                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
 350   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
 351     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
 352     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
 353       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
 354   } else {
 355     // If the selected register aliases any other registers, we must make
 356     // sure that one of the aliases isn't alive.
 357     for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
 358          *AliasSet; ++AliasSet)
 359       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
 360           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
 361         if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
 362           spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
 363   }
 364 }
 365
 366
 367 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
 368 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
 369 /// register must not be used for anything else when this is called.
 370 ///
 371 void RABigBlock::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
 372   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
 373   // Update information to note the fact that this register was just used, and
 374   // it holds VirtReg.
 375   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
 376   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
 377 }
 378
 379
 380 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
 381 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
 382 /// registers are all free...
 383 ///
 384 bool RABigBlock::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
 385   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
 386
 387   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
 388   // not free!
 389   for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
 390        *AliasSet; ++AliasSet)
 391     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1) // Aliased register in use?
 392       return false;                    // Can't use this reg then.
 393   return true;
 394 }
 395
 396
 397 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
 398 /// specified register class.  If not, return 0.
 399 ///
 400 unsigned RABigBlock::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
 401   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
 402   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
 403   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
 404   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
 405
 406   for (; RI != RE; ++RI)
 407     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
 408       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
 409       return *RI; // Found an unused register!
 410     }
 411   return 0;
 412 }
 413
 414
 415 /// chooseReg - Pick a physical register to hold the specified
 416 /// virtual register by choosing the one whose value will be read
 417 /// furthest in the future.
 418 ///
 419 unsigned RABigBlock::chooseReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
 420                          unsigned VirtReg) {
 421   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
 422   // First check to see if we have a free register of the requested type...
 423   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
 424
 425   // If we didn't find an unused register, find the one which will be
 426   // read at the most distant point in time.
 427   if (PhysReg == 0) {
 428     unsigned delay=0, longest_delay=0;
 429     VRegTimes* ReadTimes;
 430
 431     unsigned curTime = MBBCurTime;
 432
 433     // for all physical regs in the RC,
 434     for(TargetRegisterClass::iterator pReg = RC->begin();
 435                                       pReg != RC->end();  ++pReg) {
 436       // how long until they're read?
 437       if(PhysRegsUsed[*pReg]>0) { // ignore non-allocatable regs
 438         ReadTimes = VRegReadTable[PhysRegsUsed[*pReg]];
 439         if(ReadTimes && !ReadTimes->empty()) {
 440             unsigned& pt = VRegReadIdx[PhysRegsUsed[*pReg]];
 441             while(pt < ReadTimes->size() && (*ReadTimes)[pt] < curTime) {
 442                 ++pt;
 443             }
 444
 445             if(pt < ReadTimes->size())
 446                 delay = (*ReadTimes)[pt] - curTime;
 447             else
 448                 delay = MBBLastInsnTime + 1 - curTime;
 449         } else {
 450             // This register is only defined, but never
 451             // read in this MBB. Therefore the next read
 452             // happens after the end of this MBB
 453             delay = MBBLastInsnTime + 1 - curTime;
 454         }
 455
 456
 457         if(delay > longest_delay) {
 458           longest_delay = delay;
 459           PhysReg = *pReg;
 460         }
 461       }
 462     }
 463
 464     if(PhysReg == 0) { // ok, now we're desperate. We couldn't choose
 465                        // a register to spill by looking through the
 466                        // read timetable, so now we just spill the
 467                        // first allocatable register we find.
 468
 469       // for all physical regs in the RC,
 470       for(TargetRegisterClass::iterator pReg = RC->begin();
 471                                         pReg != RC->end();  ++pReg) {
 472         // if we find a register we can spill
 473         if(PhysRegsUsed[*pReg]>=-1)
 474           PhysReg = *pReg; // choose it to be spilled
 475       }
 476     }
 477
 478     assert(PhysReg && "couldn't choose a register to spill :( ");
 479     // TODO: assert that RC->contains(PhysReg) / handle aliased registers?
 480
 481     // since we needed to look in the table we need to spill this register.
 482     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
 483   }
 484
 485   // assign the vreg to our chosen physical register
 486   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
 487   return PhysReg; // and return it
 488 }
 489
 490
 491 /// reloadVirtReg - This method transforms an instruction with a virtual
 492 /// register use to one that references a physical register. It does this as
 493 /// follows:
 494 ///
 495 ///   1) If the register is already in a physical register, it uses it.
 496 ///   2) Otherwise, if there is a free physical register, it uses that.
 497 ///   3) Otherwise, it calls chooseReg() to get the physical register
 498 ///      holding the most distantly needed value, generating a spill in
 499 ///      the process.
 500 ///
 501 /// This method returns the modified instruction.
 502 MachineInstr *RABigBlock::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
 503                                      unsigned OpNum) {
 504   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
 505
 506   // If the virtual register is already available in a physical register,
 507   // just update the instruction and return.
 508   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
 509     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);
 510     return MI;
 511   }
 512
 513   // Otherwise, if we have free physical registers available to hold the
 514   // value, use them.
 515   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
 516   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
 517   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
 518
 519   if (PhysReg) {   // we have a free register, so use it.
 520     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
 521   } else {  // no free registers available.
 522     // try to fold the spill into the instruction
 523     SmallVector<unsigned, 2> Ops;
 524     Ops.push_back(OpNum);
 525     if(MachineInstr* FMI = RegInfo->foldMemoryOperand(MI, Ops, FrameIndex)) {
 526       ++NumFolded;
 527       // Since we changed the address of MI, make sure to update live variables
 528       // to know that the new instruction has the properties of the old one.
 529       LV->instructionChanged(MI, FMI);
 530       return MBB.insert(MBB.erase(MI), FMI);
 531     }
 532
 533     // determine which of the physical registers we'll kill off, since we
 534     // couldn't fold.
 535     PhysReg = chooseReg(MBB, MI, VirtReg);
 536   }
 537
 538   // this virtual register is now unmodified (since we just reloaded it)
 539   markVirtRegModified(VirtReg, false);
 540
 541   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
 542        << RegInfo->getName(PhysReg) << "\n";
 543
 544   // Add move instruction(s)
 545   RegInfo->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
 546   ++NumLoads;    // Update statistics
 547
 548   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
 549   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
 550   return MI;
 551 }
 552
 553 /// Fill out the vreg read timetable. Since ReadTime increases
 554 /// monotonically, the individual readtime sets will be sorted
 555 /// in ascending order.
 556 void RABigBlock::FillVRegReadTable(MachineBasicBlock &MBB) {
 557   // loop over each instruction
 558   MachineBasicBlock::iterator MII;
 559   unsigned ReadTime;
 560
 561   for(ReadTime=0, MII = MBB.begin(); MII != MBB.end(); ++ReadTime, ++MII) {
 562     MachineInstr *MI = MII;
 563
 564     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
 565       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 566       // look for vreg reads..
 567       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() &&
 568           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
 569           // ..and add them to the read table.
 570           VRegTimes* &Times = VRegReadTable[MO.getReg()];
 571           if(!VRegReadTable[MO.getReg()]) {
 572               Times = new VRegTimes;
 573               VRegReadIdx[MO.getReg()] = 0;
 574           }
 575         Times->push_back(ReadTime);
 576       }
 577     }
 578
 579   }
 580
 581   MBBLastInsnTime = ReadTime;
 582
 583   for(DenseMap<unsigned, VRegTimes*, VRegKeyInfo>::iterator Reads = VRegReadTable.begin();
 584       Reads != VRegReadTable.end(); ++Reads) {
 585       if(Reads->second) {
 586           DOUT << "Reads[" << Reads->first << "]=" << Reads->second->size() << "\n";
 587       }
 588   }
 589 }
 590
 591 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
 592 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
 593 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
 594   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 595     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 596     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
 597         MO.isDef() && !MO.isDead())
 598       return true;
 599   }
 600   return false;
 601 }
 602
 603 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
 604 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
 605 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
 606   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 607     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 608     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
 609         !MO.isDef() && MO.isKill())
 610       return true;
 611   }
 612   return false;
 613 }
 614
 615
 616 void RABigBlock::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
 617   // loop over each instruction
 618   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
 619   const TargetInstrInfo &TII = *TM->getInstrInfo();
 620
 621   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
 622         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
 623
 624   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
 625   // registers as active.
 626   if (&MBB == &*MF->begin()) {
 627     for (MachineRegisterInfo::livein_iterator
 628          I = MF->getRegInfo().livein_begin(),
 629          E = MF->getRegInfo().livein_end(); I != E; ++I) {
 630       unsigned Reg = I->first;
 631       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
 632       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
 633       for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
 634            *AliasSet; ++AliasSet) {
 635         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 636           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
 637           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
 638         }
 639       }
 640     }
 641   }
 642
 643   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
 644   MBBCurTime = -1;
 645   while (MII != MBB.end()) {
 646     MachineInstr *MI = MII++;
 647     MBBCurTime++;
 648     const TargetInstrDescriptor &TID = TII.get(MI->getOpcode());
 649     DEBUG(DOUT << "\nTime=" << MBBCurTime << " Starting RegAlloc of: " << *MI;
 650           DOUT << "  Regs have values: ";
 651           for (unsigned i = 0; i != RegInfo->getNumRegs(); ++i)
 652             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
 653                DOUT << "[" << RegInfo->getName(i)
 654                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
 655           DOUT << "\n");
 656
 657     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
 658     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 659       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 660       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
 661         if (!MO.isImplicit())
 662           Kills.push_back(MO.getReg());
 663         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
 664           // These are extra physical register kills when a sub-register
 665           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
 666           // larger registers). Ignore.
 667           Kills.push_back(MO.getReg());
 668       }
 669     }
 670
 671     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
 672     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
 673     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
 674     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
 675     // to be live-in, or the input is badly hosed.
 676     //
 677     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
 678       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 679       // here we are looking for only used operands (never def&use)
 680       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
 681           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
 682         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
 683     }
 684
 685     // If this instruction is the last user of this register, kill the
 686     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
 687     // spilled to memory.
 688     //
 689     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
 690       unsigned VirtReg = Kills[i];
 691       unsigned PhysReg = VirtReg;
 692       if (MRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
 693         // If the virtual register was never materialized into a register, it
 694         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
 695         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
 696         PhysReg = PhysRegSlot;
 697         PhysRegSlot = 0;
 698       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
 699         // Unallocatable register dead, ignore.
 700         continue;
 701       } else {
 702         assert(!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 &&
 703                "Silently clearing a virtual register?");
 704       }
 705
 706       if (PhysReg) {
 707         DOUT << "  Last use of " << RegInfo->getName(PhysReg)
 708              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
 709         removePhysReg(PhysReg);
 710         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(PhysReg);
 711              *AliasSet; ++AliasSet) {
 712           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 713             DOUT  << "  Last use of "
 714                   << RegInfo->getName(*AliasSet)
 715                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
 716             removePhysReg(*AliasSet);
 717           }
 718         }
 719       }
 720     }
 721
 722     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
 723     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
 724     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 725       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 726       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
 727           MRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
 728         unsigned Reg = MO.getReg();
 729         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
 730         // These are extra physical register defs when a sub-register
 731         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
 732         // larger registers). Ignore.
 733         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
 734
 735         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
 736         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
 737         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
 738         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
 739              *AliasSet; ++AliasSet) {
 740           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 741             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
 742             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
 743           }
 744         }
 745       }
 746     }
 747
 748     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
 749     if (TID.ImplicitDefs) {
 750       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
 751            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
 752         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
 753         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
 754           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
 755           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
 756         }
 757         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
 758         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getSubRegisters(Reg);
 759              *AliasSet; ++AliasSet) {
 760           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 761             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
 762             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
 763           }
 764         }
 765       }
 766     }
 767
 768     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
 769     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 770       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 771       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
 772         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
 773     }
 774
 775     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
 776     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
 777     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
 778     // we need to scavenge a register.
 779     //
 780     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 781       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 782       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
 783           MRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
 784         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
 785         unsigned DestPhysReg;
 786
 787         // If DestVirtReg already has a value, use it.
 788         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
 789           DestPhysReg = chooseReg(MBB, MI, DestVirtReg);
 790         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
 791         markVirtRegModified(DestVirtReg);
 792         MI->getOperand(i).setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
 793       }
 794     }
 795
 796     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
 797     // kill them now.
 798     //
 799     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
 800       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
 801       unsigned PhysReg = VirtReg;
 802       if (MRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
 803         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
 804         PhysReg = PhysRegSlot;
 805         assert(PhysReg != 0);
 806         PhysRegSlot = 0;
 807       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
 808         // Unallocatable register dead, ignore.
 809         continue;
 810       }
 811
 812       if (PhysReg) {
 813         DOUT  << "  Register " << RegInfo->getName(PhysReg)
 814               << " [%reg" << VirtReg
 815               << "] is never used, removing it frame live list\n";
 816         removePhysReg(PhysReg);
 817         for (const unsigned *AliasSet = RegInfo->getAliasSet(PhysReg);
 818              *AliasSet; ++AliasSet) {
 819           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 820             DOUT  << "  Register " << RegInfo->getName(*AliasSet)
 821                   << " [%reg" << *AliasSet
 822                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
 823             removePhysReg(*AliasSet);
 824           }
 825         }
 826       }
 827     }
 828
 829     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
 830     unsigned SrcReg, DstReg;
 831     if (TII.isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg) {
 832       LV->removeVirtualRegistersKilled(MI);
 833       LV->removeVirtualRegistersDead(MI);
 834       MBB.erase(MI);
 835     }
 836   }
 837
 838   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
 839
 840   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
 841   for (unsigned i = 0, e = RegInfo->getNumRegs(); i != e; ++i)
 842     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
 843       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
 844         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
 845       else
 846         removePhysReg(i);
 847 }
 848
 849 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
 850 ///
 851 bool RABigBlock::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
 852   DOUT << "Machine Function " << "\n";
 853   MF = &Fn;
 854   TM = &Fn.getTarget();
 855   RegInfo = TM->getRegisterInfo();
 856   LV = &getAnalysis<LiveVariables>();
 857
 858   PhysRegsUsed.assign(RegInfo->getNumRegs(), -1);
 859
 860   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
 861   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
 862   // being pinned down, permanently.
 863   {
 864     BitVector Allocable = RegInfo->getAllocatableSet(Fn);
 865     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
 866       if (!Allocable[i])
 867         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
 868   }
 869
 870   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
 871   // mapping for all virtual registers
 872   Virt2PhysRegMap.grow(MF->getRegInfo().getLastVirtReg());
 873   StackSlotForVirtReg.grow(MF->getRegInfo().getLastVirtReg());
 874   VirtRegModified.resize(MF->getRegInfo().getLastVirtReg() -
 875                          MRegisterInfo::FirstVirtualRegister + 1, 0);
 876
 877   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
 878   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
 879        MBB != MBBe; ++MBB) {
 880     // fill out the read timetable
 881     FillVRegReadTable(*MBB);
 882     // use it to allocate the BB
 883     AllocateBasicBlock(*MBB);
 884     // clear it
 885     VRegReadTable.clear();
 886   }
 887
 888   StackSlotForVirtReg.clear();
 889   PhysRegsUsed.clear();
 890   VirtRegModified.clear();
 891   Virt2PhysRegMap.clear();
 892   return true;
 893 }
 894
 895 FunctionPass *llvm::createBigBlockRegisterAllocator() {
 896   return new RABigBlock();
 897 }
 898