lib/CodeGen/RegAllocLocal.cpp

   1 //===-- RegAllocLocal.cpp - A BasicBlock generic register allocator -------===//
   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 register allocator allocates registers to a basic block at a time,
  11 // attempting to keep values in registers and reusing registers as appropriate.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 #define DEBUG_TYPE "regalloc"
  16 #include "llvm/BasicBlock.h"
  17 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
  18 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
  20 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  21 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/RegAllocRegistry.h"
  23 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  24 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  25 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  26 #include "llvm/Support/Debug.h"
  27 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  29 #include "llvm/ADT/IndexedMap.h"
  30 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  31 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  32 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  33 #include <algorithm>
  34 using namespace llvm;
  35
  36 STATISTIC(NumStores, "Number of stores added");
  37 STATISTIC(NumLoads , "Number of loads added");
  38
  39 static RegisterRegAlloc
  40   localRegAlloc("local", "  local register allocator",
  41                 createLocalRegisterAllocator);
  42
  43 namespace {
  44   class VISIBILITY_HIDDEN RALocal : public MachineFunctionPass {
  45   public:
  46     static char ID;
  47     RALocal() : MachineFunctionPass(&ID), StackSlotForVirtReg(-1) {}
  48   private:
  49     const TargetMachine *TM;
  50     MachineFunction *MF;
  51     const TargetRegisterInfo *TRI;
  52     const TargetInstrInfo *TII;
  53
  54     // StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
  55     // values are spilled.
  56     IndexedMap<int, VirtReg2IndexFunctor> StackSlotForVirtReg;
  57
  58     // Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
  59     // that is currently available in a physical register.
  60     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
  61
  62     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
  63       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
  64     }
  65
  66     // PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
  67     // each physical register that currently has a value (ie, it is in
  68     // Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
  69     // corresponding to the physical register (the inverse of the
  70     // Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
  71     // because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
  72     // allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
  73     // physical register is "not in the map".
  74     //
  75     std::vector<int> PhysRegsUsed;
  76
  77     // PhysRegsUseOrder - This contains a list of the physical registers that
  78     // currently have a virtual register value in them.  This list provides an
  79     // ordering of registers, imposing a reallocation order.  This list is only
  80     // used if all registers are allocated and we have to spill one, in which
  81     // case we spill the least recently used register.  Entries at the front of
  82     // the list are the least recently used registers, entries at the back are
  83     // the most recently used.
  84     //
  85     std::vector<unsigned> PhysRegsUseOrder;
  86
  87     // Virt2LastUseMap - This maps each virtual register to its last use
  88     // (MachineInstr*, operand index pair).
  89     IndexedMap<std::pair<MachineInstr*, unsigned>, VirtReg2IndexFunctor>
  90     Virt2LastUseMap;
  91
  92     std::pair<MachineInstr*,unsigned>& getVirtRegLastUse(unsigned Reg) {
  93       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
  94       return Virt2LastUseMap[Reg];
  95     }
  96
  97     // VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
  98     // registers need to be spilled back to memory when their registers are
  99     // scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
 100     // is no reason to spill it to memory when we need the register back.
 101     //
 102     BitVector VirtRegModified;
 103
 104     // UsedInMultipleBlocks - Tracks whether a particular register is used in
 105     // more than one block.
 106     BitVector UsedInMultipleBlocks;
 107
 108     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
 109       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
 110       Reg -= TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
 111       if (Val)
 112         VirtRegModified.set(Reg);
 113       else
 114         VirtRegModified.reset(Reg);
 115     }
 116
 117     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
 118       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
 119       assert(Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
 120              && "Illegal virtual register!");
 121       return VirtRegModified[Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
 122     }
 123
 124     void AddToPhysRegsUseOrder(unsigned Reg) {
 125       std::vector<unsigned>::iterator It =
 126         std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), Reg);
 127       if (It != PhysRegsUseOrder.end())
 128         PhysRegsUseOrder.erase(It);
 129       PhysRegsUseOrder.push_back(Reg);
 130     }
 131
 132     void MarkPhysRegRecentlyUsed(unsigned Reg) {
 133       if (PhysRegsUseOrder.empty() ||
 134           PhysRegsUseOrder.back() == Reg) return;  // Already most recently used
 135
 136       for (unsigned i = PhysRegsUseOrder.size(); i != 0; --i)
 137         if (areRegsEqual(Reg, PhysRegsUseOrder[i-1])) {
 138           unsigned RegMatch = PhysRegsUseOrder[i-1];       // remove from middle
 139           PhysRegsUseOrder.erase(PhysRegsUseOrder.begin()+i-1);
 140           // Add it to the end of the list
 141           PhysRegsUseOrder.push_back(RegMatch);
 142           if (RegMatch == Reg)
 143             return;    // Found an exact match, exit early
 144         }
 145     }
 146
 147   public:
 148     virtual const char *getPassName() const {
 149       return "Local Register Allocator";
 150     }
 151
 152     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 153       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
 154       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
 155       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
 156     }
 157
 158   private:
 159     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
 160     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
 161
 162     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
 163     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
 164
 165
 166     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
 167     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
 168     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
 169     ///
 170     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
 171       if (R1 == R2) return true;
 172       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(R2);
 173            *AliasSet; ++AliasSet) {
 174         if (*AliasSet == R1) return true;
 175       }
 176       return false;
 177     }
 178
 179     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
 180     /// register on the stack, allocating space if necessary.
 181     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
 182
 183     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
 184     /// longer being in use.
 185     ///
 186     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
 187
 188     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
 189     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
 190     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
 191     ///
 192     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
 193                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
 194
 195     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
 196     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
 197     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
 198     /// contain a virtual register.
 199     ///
 200     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
 201                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
 202
 203     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
 204     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
 205     /// register must not be used for anything else when this is called.
 206     ///
 207     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
 208
 209     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
 210     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
 211     /// aliased registers are all free...
 212     ///
 213     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
 214
 215     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
 216     /// specified register class.  If not, return 0.
 217     ///
 218     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
 219
 220     /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
 221     /// register.  If all compatible physical registers are used, this method
 222     /// spills the last used virtual register to the stack, and uses that
 223     /// register.
 224     ///
 225     unsigned getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
 226                     unsigned VirtReg);
 227
 228     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
 229     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
 230     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
 231     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
 232     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
 233     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
 234     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
 235     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
 236     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
 237     /// value.  This method returns the modified instruction.
 238     ///
 239     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
 240                                 unsigned OpNum);
 241
 242     /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
 243     /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
 244     void ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB);
 245
 246     void reloadPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator &I,
 247                        unsigned PhysReg);
 248   };
 249   char RALocal::ID = 0;
 250 }
 251
 252 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
 253 /// to be held on the stack.
 254 int RALocal::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
 255   // Find the location Reg would belong...
 256   int SS = StackSlotForVirtReg[VirtReg];
 257   if (SS != -1)
 258     return SS;          // Already has space allocated?
 259
 260   // Allocate a new stack object for this spill location...
 261   int FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
 262                                                        RC->getAlignment());
 263
 264   // Assign the slot...
 265   StackSlotForVirtReg[VirtReg] = FrameIdx;
 266   return FrameIdx;
 267 }
 268
 269
 270 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
 271 /// longer being in use.
 272 ///
 273 void RALocal::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
 274   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
 275
 276   std::vector<unsigned>::iterator It =
 277     std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), PhysReg);
 278   if (It != PhysRegsUseOrder.end())
 279     PhysRegsUseOrder.erase(It);
 280 }
 281
 282
 283 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
 284 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
 285 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
 286 ///
 287 void RALocal::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
 288                            MachineBasicBlock::iterator I,
 289                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
 290   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
 291          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
 292          " the intended one.");
 293   DOUT << "  Spilling register " << TRI->getName(PhysReg)
 294        << " containing %reg" << VirtReg;
 295
 296   if (!isVirtRegModified(VirtReg)) {
 297     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
 298     std::pair<MachineInstr*, unsigned> &LastUse = getVirtRegLastUse(VirtReg);
 299     if (LastUse.first)
 300       LastUse.first->getOperand(LastUse.second).setIsKill();
 301   } else {
 302     // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
 303     // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
 304     // modified.
 305     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
 306     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
 307     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
 308     // If the instruction reads the register that's spilled, (e.g. this can
 309     // happen if it is a move to a physical register), then the spill
 310     // instruction is not a kill.
 311     bool isKill = !(I != MBB.end() && I->readsRegister(PhysReg));
 312     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, isKill, FrameIndex, RC);
 313     ++NumStores;   // Update statistics
 314   }
 315
 316   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
 317
 318   DOUT << "\n";
 319   removePhysReg(PhysReg);
 320 }
 321
 322
 323 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
 324 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
 325 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
 326 /// virtual register.
 327 ///
 328 void RALocal::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
 329                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
 330   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
 331     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
 332     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
 333       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
 334   } else {
 335     // If the selected register aliases any other registers, we must make
 336     // sure that one of the aliases isn't alive.
 337     for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
 338          *AliasSet; ++AliasSet)
 339       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
 340           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
 341           if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
 342             spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
 343   }
 344 }
 345
 346
 347 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
 348 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
 349 /// register must not be used for anything else when this is called.
 350 ///
 351 void RALocal::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
 352   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
 353   // Update information to note the fact that this register was just used, and
 354   // it holds VirtReg.
 355   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
 356   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
 357   AddToPhysRegsUseOrder(PhysReg);   // New use of PhysReg
 358 }
 359
 360
 361 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
 362 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
 363 /// registers are all free...
 364 ///
 365 bool RALocal::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
 366   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
 367
 368   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
 369   // not free!
 370   for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
 371        *AliasSet; ++AliasSet)
 372     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] >= 0) // Aliased register in use?
 373       return false;                    // Can't use this reg then.
 374   return true;
 375 }
 376
 377
 378 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
 379 /// specified register class.  If not, return 0.
 380 ///
 381 unsigned RALocal::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
 382   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
 383   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
 384   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
 385   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
 386
 387   for (; RI != RE; ++RI)
 388     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
 389       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
 390       return *RI; // Found an unused register!
 391     }
 392   return 0;
 393 }
 394
 395
 396 /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
 397 /// register.  If all compatible physical registers are used, this method spills
 398 /// the last used virtual register to the stack, and uses that register.
 399 ///
 400 unsigned RALocal::getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
 401                          unsigned VirtReg) {
 402   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
 403
 404   // First check to see if we have a free register of the requested type...
 405   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
 406
 407   // If we didn't find an unused register, scavenge one now!
 408   if (PhysReg == 0) {
 409     assert(!PhysRegsUseOrder.empty() && "No allocated registers??");
 410
 411     // Loop over all of the preallocated registers from the least recently used
 412     // to the most recently used.  When we find one that is capable of holding
 413     // our register, use it.
 414     for (unsigned i = 0; PhysReg == 0; ++i) {
 415       assert(i != PhysRegsUseOrder.size() &&
 416              "Couldn't find a register of the appropriate class!");
 417
 418       unsigned R = PhysRegsUseOrder[i];
 419
 420       // We can only use this register if it holds a virtual register (ie, it
 421       // can be spilled).  Do not use it if it is an explicitly allocated
 422       // physical register!
 423       assert(PhysRegsUsed[R] != -1 &&
 424              "PhysReg in PhysRegsUseOrder, but is not allocated?");
 425       if (PhysRegsUsed[R] && PhysRegsUsed[R] != -2) {
 426         // If the current register is compatible, use it.
 427         if (RC->contains(R)) {
 428           PhysReg = R;
 429           break;
 430         } else {
 431           // If one of the registers aliased to the current register is
 432           // compatible, use it.
 433           for (const unsigned *AliasIt = TRI->getAliasSet(R);
 434                *AliasIt; ++AliasIt) {
 435             if (RC->contains(*AliasIt) &&
 436                 // If this is pinned down for some reason, don't use it.  For
 437                 // example, if CL is pinned, and we run across CH, don't use
 438                 // CH as justification for using scavenging ECX (which will
 439                 // fail).
 440                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != 0 &&
 441
 442                 // Make sure the register is allocatable.  Don't allocate SIL on
 443                 // x86-32.
 444                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != -2) {
 445               PhysReg = *AliasIt;    // Take an aliased register
 446               break;
 447             }
 448           }
 449         }
 450       }
 451     }
 452
 453     assert(PhysReg && "Physical register not assigned!?!?");
 454
 455     // At this point PhysRegsUseOrder[i] is the least recently used register of
 456     // compatible register class.  Spill it to memory and reap its remains.
 457     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
 458   }
 459
 460   // Now that we know which register we need to assign this to, do it now!
 461   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
 462   return PhysReg;
 463 }
 464
 465
 466 /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
 467 /// register use to refer to a physical register.  This method may do this in
 468 /// one of several ways: if the register is available in a physical register
 469 /// already, it uses that physical register.  If the value is not in a physical
 470 /// register, and if there are physical registers available, it loads it into a
 471 /// register.  If register pressure is high, and it is possible, it tries to
 472 /// fold the load of the virtual register into the instruction itself.  It
 473 /// avoids doing this if register pressure is low to improve the chance that
 474 /// subsequent instructions can use the reloaded value.  This method returns the
 475 /// modified instruction.
 476 ///
 477 MachineInstr *RALocal::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
 478                                      unsigned OpNum) {
 479   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
 480
 481   // If the virtual register is already available, just update the instruction
 482   // and return.
 483   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
 484     MarkPhysRegRecentlyUsed(PR);       // Already have this value available!
 485     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);  // Assign the input register
 486     getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
 487     return MI;
 488   }
 489
 490   // Otherwise, we need to fold it into the current instruction, or reload it.
 491   // If we have registers available to hold the value, use them.
 492   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
 493   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
 494   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
 495
 496   if (PhysReg) {   // Register is available, allocate it!
 497     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
 498   } else {         // No registers available.
 499     // Force some poor hapless value out of the register file to
 500     // make room for the new register, and reload it.
 501     PhysReg = getReg(MBB, MI, VirtReg);
 502   }
 503
 504   markVirtRegModified(VirtReg, false);   // Note that this reg was just reloaded
 505
 506   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
 507        << TRI->getName(PhysReg) << "\n";
 508
 509   // Add move instruction(s)
 510   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
 511   ++NumLoads;    // Update statistics
 512
 513   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
 514   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
 515   getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
 516   return MI;
 517 }
 518
 519 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
 520 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
 521 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
 522   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 523     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 524     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
 525         MO.isDef() && !MO.isDead())
 526       return true;
 527   }
 528   return false;
 529 }
 530
 531 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
 532 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
 533 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
 534   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 535     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 536     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
 537         !MO.isDef() && MO.isKill())
 538       return true;
 539   }
 540   return false;
 541 }
 542
 543 // precedes - Helper function to determine with MachineInstr A
 544 // precedes MachineInstr B within the same MBB.
 545 static bool precedes(MachineBasicBlock::iterator A,
 546                      MachineBasicBlock::iterator B) {
 547   if (A == B)
 548     return false;
 549
 550   MachineBasicBlock::iterator I = A->getParent()->begin();
 551   while (I != A->getParent()->end()) {
 552     if (I == A)
 553       return true;
 554     else if (I == B)
 555       return false;
 556
 557     ++I;
 558   }
 559
 560   return false;
 561 }
 562
 563 /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
 564 /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
 565 void RALocal::ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB) {
 566   MachineRegisterInfo& MRI = MBB.getParent()->getRegInfo();
 567   // Keep track of the most recently seen previous use or def of each reg,
 568   // so that we can update them with dead/kill markers.
 569   DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> > LastUseDef;
 570   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB.begin(), E = MBB.end();
 571        I != E; ++I) {
 572     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 573       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
 574       // Uses don't trigger any flags, but we need to save
 575       // them for later.  Also, we have to process these
 576       // _before_ processing the defs, since an instr
 577       // uses regs before it defs them.
 578       if (MO.isRegister() && MO.getReg() && MO.isUse())
 579         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
 580     }
 581
 582     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 583       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
 584       // Defs others than 2-addr redefs _do_ trigger flag changes:
 585       //   - A def followed by a def is dead
 586       //   - A use followed by a def is a kill
 587       if (MO.isRegister() && MO.getReg() && MO.isDef()) {
 588         DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
 589           last = LastUseDef.find(MO.getReg());
 590         if (last != LastUseDef.end()) {
 591           // Check if this is a two address instruction.  If so, then
 592           // the def does not kill the use.
 593           if (last->second.first == I &&
 594               I->isRegReDefinedByTwoAddr(MO.getReg(), i))
 595             continue;
 596
 597           MachineOperand& lastUD =
 598                       last->second.first->getOperand(last->second.second);
 599           if (lastUD.isDef())
 600             lastUD.setIsDead(true);
 601           else
 602             lastUD.setIsKill(true);
 603         }
 604
 605         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
 606       }
 607     }
 608   }
 609
 610   // Live-out (of the function) registers contain return values of the function,
 611   // so we need to make sure they are alive at return time.
 612   if (!MBB.empty() && MBB.back().getDesc().isReturn()) {
 613     MachineInstr* Ret = &MBB.back();
 614     for (MachineRegisterInfo::liveout_iterator
 615          I = MF->getRegInfo().liveout_begin(),
 616          E = MF->getRegInfo().liveout_end(); I != E; ++I)
 617       if (!Ret->readsRegister(*I)) {
 618         Ret->addOperand(MachineOperand::CreateReg(*I, false, true));
 619         LastUseDef[*I] = std::make_pair(Ret, Ret->getNumOperands()-1);
 620       }
 621   }
 622
 623   // Finally, loop over the final use/def of each reg
 624   // in the block and determine if it is dead.
 625   for (DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
 626        I = LastUseDef.begin(), E = LastUseDef.end(); I != E; ++I) {
 627     MachineInstr* MI = I->second.first;
 628     unsigned idx = I->second.second;
 629     MachineOperand& MO = MI->getOperand(idx);
 630
 631     bool isPhysReg = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg());
 632
 633     // A crude approximation of "live-out" calculation
 634     bool usedOutsideBlock = isPhysReg ? false :
 635           UsedInMultipleBlocks.test(MO.getReg() -
 636                                     TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
 637     if (!isPhysReg && !usedOutsideBlock)
 638       for (MachineRegisterInfo::reg_iterator UI = MRI.reg_begin(MO.getReg()),
 639            UE = MRI.reg_end(); UI != UE; ++UI)
 640         // Two cases:
 641         // - used in another block
 642         // - used in the same block before it is defined (loop)
 643         if (UI->getParent() != &MBB ||
 644             (MO.isDef() && UI.getOperand().isUse() && precedes(&*UI, MI))) {
 645           UsedInMultipleBlocks.set(MO.getReg() -
 646                                    TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
 647           usedOutsideBlock = true;
 648           break;
 649         }
 650
 651     // Physical registers and those that are not live-out of the block
 652     // are killed/dead at their last use/def within this block.
 653     if (isPhysReg || !usedOutsideBlock) {
 654       if (MO.isUse())
 655         MO.setIsKill(true);
 656       else
 657         MO.setIsDead(true);
 658     }
 659   }
 660 }
 661
 662 void RALocal::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
 663   // loop over each instruction
 664   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
 665
 666   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
 667         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
 668
 669   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
 670   // registers as active.
 671   if (&MBB == &*MF->begin() || MBB.isLandingPad()) {
 672     for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = MBB.livein_begin(),
 673          E = MBB.livein_end(); I != E; ++I) {
 674       unsigned Reg = *I;
 675       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
 676       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
 677       AddToPhysRegsUseOrder(Reg);
 678       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
 679            *AliasSet; ++AliasSet) {
 680         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 681           AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet);
 682           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
 683           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
 684         }
 685       }
 686     }
 687   }
 688
 689   ComputeLocalLiveness(MBB);
 690
 691   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
 692   while (MII != MBB.end()) {
 693     MachineInstr *MI = MII++;
 694     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
 695     DEBUG(DOUT << "\nStarting RegAlloc of: " << *MI;
 696           DOUT << "  Regs have values: ";
 697           for (unsigned i = 0; i != TRI->getNumRegs(); ++i)
 698             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
 699                DOUT << "[" << TRI->getName(i)
 700                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
 701           DOUT << "\n");
 702
 703     // Loop over the implicit uses, making sure that they are at the head of the
 704     // use order list, so they don't get reallocated.
 705     if (TID.ImplicitUses) {
 706       for (const unsigned *ImplicitUses = TID.ImplicitUses;
 707            *ImplicitUses; ++ImplicitUses)
 708         MarkPhysRegRecentlyUsed(*ImplicitUses);
 709     }
 710
 711     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
 712     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 713       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 714       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
 715         if (!MO.isImplicit())
 716           Kills.push_back(MO.getReg());
 717         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
 718           // These are extra physical register kills when a sub-register
 719           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
 720           // larger registers). Ignore.
 721           Kills.push_back(MO.getReg());
 722       }
 723     }
 724
 725     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
 726     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
 727     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
 728     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
 729     // to be live-in, or the input is badly hosed.
 730     //
 731     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
 732       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 733       // here we are looking for only used operands (never def&use)
 734       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
 735           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
 736         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
 737     }
 738
 739     // If this instruction is the last user of this register, kill the
 740     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
 741     // spilled to memory.
 742     //
 743     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
 744       unsigned VirtReg = Kills[i];
 745       unsigned PhysReg = VirtReg;
 746       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
 747         // If the virtual register was never materialized into a register, it
 748         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
 749         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
 750         PhysReg = PhysRegSlot;
 751         PhysRegSlot = 0;
 752       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
 753         // Unallocatable register dead, ignore.
 754         continue;
 755       } else {
 756         assert((!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1) &&
 757                "Silently clearing a virtual register?");
 758       }
 759
 760       if (PhysReg) {
 761         DOUT << "  Last use of " << TRI->getName(PhysReg)
 762              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
 763         removePhysReg(PhysReg);
 764         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
 765              *AliasSet; ++AliasSet) {
 766           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 767             DOUT  << "  Last use of "
 768                   << TRI->getName(*AliasSet)
 769                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
 770             removePhysReg(*AliasSet);
 771           }
 772         }
 773       }
 774     }
 775
 776     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
 777     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
 778     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 779       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 780       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
 781           TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
 782         unsigned Reg = MO.getReg();
 783         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
 784         // These are extra physical register defs when a sub-register
 785         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
 786         // larger registers). Ignore.
 787         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
 788
 789         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
 790         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
 791         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
 792         AddToPhysRegsUseOrder(Reg);
 793
 794         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
 795              *AliasSet; ++AliasSet) {
 796           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 797             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
 798             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
 799             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet);
 800           }
 801         }
 802       }
 803     }
 804
 805     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
 806     if (TID.ImplicitDefs) {
 807       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
 808            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
 809         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
 810         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
 811           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
 812           AddToPhysRegsUseOrder(Reg);
 813           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
 814         }
 815         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
 816         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
 817              *AliasSet; ++AliasSet) {
 818           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 819             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet);
 820             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
 821             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
 822           }
 823         }
 824       }
 825     }
 826
 827     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
 828     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 829       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 830       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
 831         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
 832     }
 833
 834     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
 835     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
 836     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
 837     // we need to scavenge a register.
 838     //
 839     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 840       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
 841       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
 842           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
 843         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
 844         unsigned DestPhysReg;
 845
 846         // If DestVirtReg already has a value, use it.
 847         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
 848           DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
 849         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
 850         markVirtRegModified(DestVirtReg);
 851         getVirtRegLastUse(DestVirtReg) = std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
 852         DOUT << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
 853              << " to %reg" << DestVirtReg << "\n";
 854         MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
 855       }
 856     }
 857
 858     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
 859     // kill them now.
 860     //
 861     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
 862       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
 863       unsigned PhysReg = VirtReg;
 864       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
 865         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
 866         PhysReg = PhysRegSlot;
 867         assert(PhysReg != 0);
 868         PhysRegSlot = 0;
 869       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
 870         // Unallocatable register dead, ignore.
 871         continue;
 872       }
 873
 874       if (PhysReg) {
 875         DOUT  << "  Register " << TRI->getName(PhysReg)
 876               << " [%reg" << VirtReg
 877               << "] is never used, removing it frame live list\n";
 878         removePhysReg(PhysReg);
 879         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
 880              *AliasSet; ++AliasSet) {
 881           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
 882             DOUT  << "  Register " << TRI->getName(*AliasSet)
 883                   << " [%reg" << *AliasSet
 884                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
 885             removePhysReg(*AliasSet);
 886           }
 887         }
 888       }
 889     }
 890
 891     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
 892     unsigned SrcReg, DstReg;
 893     if (TII->isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg)
 894       MBB.erase(MI);
 895   }
 896
 897   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
 898
 899   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
 900   for (unsigned i = 0, e = TRI->getNumRegs(); i != e; ++i)
 901     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2) {
 902       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
 903         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
 904       else
 905         removePhysReg(i);
 906     }
 907
 908 #if 0
 909   // This checking code is very expensive.
 910   bool AllOk = true;
 911   for (unsigned i = TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister,
 912            e = MF->getRegInfo().getLastVirtReg(); i <= e; ++i)
 913     if (unsigned PR = Virt2PhysRegMap[i]) {
 914       cerr << "Register still mapped: " << i << " -> " << PR << "\n";
 915       AllOk = false;
 916     }
 917   assert(AllOk && "Virtual registers still in phys regs?");
 918 #endif
 919
 920   // Clear any physical register which appear live at the end of the basic
 921   // block, but which do not hold any virtual registers.  e.g., the stack
 922   // pointer.
 923   PhysRegsUseOrder.clear();
 924 }
 925
 926 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
 927 ///
 928 bool RALocal::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
 929   DOUT << "Machine Function " << "\n";
 930   MF = &Fn;
 931   TM = &Fn.getTarget();
 932   TRI = TM->getRegisterInfo();
 933   TII = TM->getInstrInfo();
 934
 935   PhysRegsUsed.assign(TRI->getNumRegs(), -1);
 936
 937   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
 938   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
 939   // being pinned down, permanently.
 940   {
 941     BitVector Allocable = TRI->getAllocatableSet(Fn);
 942     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
 943       if (!Allocable[i])
 944         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
 945   }
 946
 947   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
 948   // mapping for all virtual registers
 949   unsigned LastVirtReg = MF->getRegInfo().getLastVirtReg();
 950   StackSlotForVirtReg.grow(LastVirtReg);
 951   Virt2PhysRegMap.grow(LastVirtReg);
 952   Virt2LastUseMap.grow(LastVirtReg);
 953   VirtRegModified.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
 954   UsedInMultipleBlocks.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
 955
 956   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
 957   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
 958        MBB != MBBe; ++MBB)
 959     AllocateBasicBlock(*MBB);
 960
 961   StackSlotForVirtReg.clear();
 962   PhysRegsUsed.clear();
 963   VirtRegModified.clear();
 964   UsedInMultipleBlocks.clear();
 965   Virt2PhysRegMap.clear();
 966   Virt2LastUseMap.clear();
 967   return true;
 968 }
 969
 970 FunctionPass *llvm::createLocalRegisterAllocator() {
 971   return new RALocal();
 972 }