c59d3b8477a01ed2eaf191e4d8a67b9cf2ad3103
[oota-llvm.git] / 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/IndexedMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
32 #include <algorithm>
33 #include <map>
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((intptr_t)&ID) {}
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     std::map<unsigned, int> 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
243     void reloadPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator &I,
244                        unsigned PhysReg);
245   };
246   char RALocal::ID = 0;
247 }
248
249 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
250 /// to be held on the stack.
251 int RALocal::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
252   // Find the location Reg would belong...
253   std::map<unsigned, int>::iterator I = StackSlotForVirtReg.find(VirtReg);
254
255   if (I != StackSlotForVirtReg.end())
256     return I->second;          // Already has space allocated?
257
258   // Allocate a new stack object for this spill location...
259   int FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
260                                                        RC->getAlignment());
261
262   // Assign the slot...
263   StackSlotForVirtReg.insert(I, std::make_pair(VirtReg, FrameIdx));
264   return FrameIdx;
265 }
266
267
268 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
269 /// longer being in use.
270 ///
271 void RALocal::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
272   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
273
274   std::vector<unsigned>::iterator It =
275     std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), PhysReg);
276   if (It != PhysRegsUseOrder.end())
277     PhysRegsUseOrder.erase(It);
278 }
279
280
281 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
282 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
283 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
284 ///
285 void RALocal::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
286                            MachineBasicBlock::iterator I,
287                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
288   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
289          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
290          " the intended one.");
291   DOUT << "  Spilling register " << TRI->getName(PhysReg)
292        << " containing %reg" << VirtReg;
293   
294   if (!isVirtRegModified(VirtReg)) {
295     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
296     std::pair<MachineInstr*, unsigned> &LastUse = getVirtRegLastUse(VirtReg);
297     if (LastUse.first)
298       LastUse.first->getOperand(LastUse.second).setIsKill();
299   } else {
300     // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
301     // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
302     // modified.
303     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
304     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
305     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
306     // If the instruction reads the register that's spilled, (e.g. this can
307     // happen if it is a move to a physical register), then the spill
308     // instruction is not a kill.
309     bool isKill = !(I != MBB.end() && I->readsRegister(PhysReg));
310     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, isKill, FrameIndex, RC);
311     ++NumStores;   // Update statistics
312   }
313
314   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
315
316   DOUT << "\n";
317   removePhysReg(PhysReg);
318 }
319
320
321 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
322 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
323 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
324 /// virtual register.
325 ///
326 void RALocal::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
327                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
328   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
329     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
330     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
331       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
332   } else {
333     // If the selected register aliases any other registers, we must make
334     // sure that one of the aliases isn't alive.
335     for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
336          *AliasSet; ++AliasSet)
337       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
338           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
339           if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
340             spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
341   }
342 }
343
344
345 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
346 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
347 /// register must not be used for anything else when this is called.
348 ///
349 void RALocal::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
350   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
351   // Update information to note the fact that this register was just used, and
352   // it holds VirtReg.
353   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
354   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
355   AddToPhysRegsUseOrder(PhysReg);   // New use of PhysReg
356 }
357
358
359 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
360 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
361 /// registers are all free...
362 ///
363 bool RALocal::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
364   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
365
366   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
367   // not free!
368   for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
369        *AliasSet; ++AliasSet)
370     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] >= 0) // Aliased register in use?
371       return false;                    // Can't use this reg then.
372   return true;
373 }
374
375
376 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
377 /// specified register class.  If not, return 0.
378 ///
379 unsigned RALocal::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
380   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
381   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
382   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
383   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
384
385   for (; RI != RE; ++RI)
386     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
387       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
388       return *RI; // Found an unused register!
389     }
390   return 0;
391 }
392
393
394 /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
395 /// register.  If all compatible physical registers are used, this method spills
396 /// the last used virtual register to the stack, and uses that register.
397 ///
398 unsigned RALocal::getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
399                          unsigned VirtReg) {
400   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
401
402   // First check to see if we have a free register of the requested type...
403   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
404
405   // If we didn't find an unused register, scavenge one now!
406   if (PhysReg == 0) {
407     assert(!PhysRegsUseOrder.empty() && "No allocated registers??");
408
409     // Loop over all of the preallocated registers from the least recently used
410     // to the most recently used.  When we find one that is capable of holding
411     // our register, use it.
412     for (unsigned i = 0; PhysReg == 0; ++i) {
413       assert(i != PhysRegsUseOrder.size() &&
414              "Couldn't find a register of the appropriate class!");
415
416       unsigned R = PhysRegsUseOrder[i];
417
418       // We can only use this register if it holds a virtual register (ie, it
419       // can be spilled).  Do not use it if it is an explicitly allocated
420       // physical register!
421       assert(PhysRegsUsed[R] != -1 &&
422              "PhysReg in PhysRegsUseOrder, but is not allocated?");
423       if (PhysRegsUsed[R] && PhysRegsUsed[R] != -2) {
424         // If the current register is compatible, use it.
425         if (RC->contains(R)) {
426           PhysReg = R;
427           break;
428         } else {
429           // If one of the registers aliased to the current register is
430           // compatible, use it.
431           for (const unsigned *AliasIt = TRI->getAliasSet(R);
432                *AliasIt; ++AliasIt) {
433             if (RC->contains(*AliasIt) &&
434                 // If this is pinned down for some reason, don't use it.  For
435                 // example, if CL is pinned, and we run across CH, don't use
436                 // CH as justification for using scavenging ECX (which will
437                 // fail).
438                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != 0 &&
439                 
440                 // Make sure the register is allocatable.  Don't allocate SIL on
441                 // x86-32.
442                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != -2) {
443               PhysReg = *AliasIt;    // Take an aliased register
444               break;
445             }
446           }
447         }
448       }
449     }
450
451     assert(PhysReg && "Physical register not assigned!?!?");
452
453     // At this point PhysRegsUseOrder[i] is the least recently used register of
454     // compatible register class.  Spill it to memory and reap its remains.
455     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
456   }
457
458   // Now that we know which register we need to assign this to, do it now!
459   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
460   return PhysReg;
461 }
462
463
464 /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
465 /// register use to refer to a physical register.  This method may do this in
466 /// one of several ways: if the register is available in a physical register
467 /// already, it uses that physical register.  If the value is not in a physical
468 /// register, and if there are physical registers available, it loads it into a
469 /// register.  If register pressure is high, and it is possible, it tries to
470 /// fold the load of the virtual register into the instruction itself.  It
471 /// avoids doing this if register pressure is low to improve the chance that
472 /// subsequent instructions can use the reloaded value.  This method returns the
473 /// modified instruction.
474 ///
475 MachineInstr *RALocal::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
476                                      unsigned OpNum) {
477   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
478
479   // If the virtual register is already available, just update the instruction
480   // and return.
481   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
482     MarkPhysRegRecentlyUsed(PR);       // Already have this value available!
483     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);  // Assign the input register
484     getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
485     return MI;
486   }
487
488   // Otherwise, we need to fold it into the current instruction, or reload it.
489   // If we have registers available to hold the value, use them.
490   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
491   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
492   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
493
494   if (PhysReg) {   // Register is available, allocate it!
495     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
496   } else {         // No registers available.
497     // Force some poor hapless value out of the register file to
498     // make room for the new register, and reload it.
499     PhysReg = getReg(MBB, MI, VirtReg);
500   }
501
502   markVirtRegModified(VirtReg, false);   // Note that this reg was just reloaded
503
504   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
505        << TRI->getName(PhysReg) << "\n";
506
507   // Add move instruction(s)
508   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
509   ++NumLoads;    // Update statistics
510
511   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
512   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
513   getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
514   return MI;
515 }
516
517 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
518 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
519 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
520   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
521     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
522     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
523         MO.isDef() && !MO.isDead())
524       return true;
525   }
526   return false;
527 }
528
529 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
530 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
531 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
532   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
533     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
534     if (MO.isRegister() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
535         !MO.isDef() && MO.isKill())
536       return true;
537   }
538   return false;
539 }
540
541 // precedes - Helper function to determine with MachineInstr A
542 // precedes MachineInstr B within the same MBB.
543 static bool precedes(MachineBasicBlock::iterator A,
544                      MachineBasicBlock::iterator B) {
545   if (A == B)
546     return false;
547   
548   MachineBasicBlock::iterator I = A->getParent()->begin();
549   while (I != A->getParent()->end()) {
550     if (I == A)
551       return true;
552     else if (I == B)
553       return false;
554     
555     ++I;
556   }
557   
558   return false;
559 }
560
561 void RALocal::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
562   // loop over each instruction
563   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
564   
565   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
566         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
567
568   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
569   // registers as active.
570   if (&MBB == &*MF->begin() || MBB.isLandingPad()) {
571     for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = MBB.livein_begin(),
572          E = MBB.livein_end(); I != E; ++I) {
573       unsigned Reg = *I;
574       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
575       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
576       AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
577       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
578            *AliasSet; ++AliasSet) {
579         if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
580           AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
581           PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
582           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
583         }
584       }
585     }    
586   }
587   
588   
589   MachineRegisterInfo& MRI = MBB.getParent()->getRegInfo();
590   // Keep track of the most recently seen previous use or def of each reg, 
591   // so that we can update them with dead/kill markers.
592   std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> > LastUseDef;
593   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB.begin(), E = MBB.end();
594        I != E; ++I) {
595     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
596       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
597       // Uses don't trigger any flags, but we need to save
598       // them for later.  Also, we have to process these
599       // _before_ processing the defs, since an instr
600       // uses regs before it defs them.
601       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isUse())
602         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
603     }
604     
605     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
606       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
607       // Defs others than 2-addr redefs _do_ trigger flag changes:
608       //   - A def followed by a def is dead
609       //   - A use followed by a def is a kill
610       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isDef() && 
611          !I->isRegReDefinedByTwoAddr(MO.getReg())) {
612         std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
613           last = LastUseDef.find(MO.getReg());
614         if (last != LastUseDef.end()) {
615           MachineOperand& lastUD =
616                       last->second.first->getOperand(last->second.second);
617           if (lastUD.isDef())
618             lastUD.setIsDead(true);
619           else if (lastUD.isUse())
620             lastUD.setIsKill(true);
621         }
622         
623         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
624       }
625     }
626   }
627   
628   // Live-out (of the function) registers contain return values of the function,
629   // so we need to make sure they are alive at return time.
630   if (!MBB.empty() && MBB.back().getDesc().isReturn()) {
631     MachineInstr* Ret = &MBB.back();
632     for (MachineRegisterInfo::liveout_iterator
633          I = MF->getRegInfo().liveout_begin(),
634          E = MF->getRegInfo().liveout_end(); I != E; ++I)
635       if (!Ret->readsRegister(*I)) {
636         Ret->addOperand(MachineOperand::CreateReg(*I, false, true));
637         LastUseDef[*I] = std::make_pair(Ret, Ret->getNumOperands()-1);
638       }
639   }
640   
641   // Finally, loop over the final use/def of each reg 
642   // in the block and determine if it is dead.
643   for (std::map<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
644        I = LastUseDef.begin(), E = LastUseDef.end(); I != E; ++I) {
645     MachineInstr* MI = I->second.first;
646     unsigned idx = I->second.second;
647     MachineOperand& MO = MI->getOperand(idx);
648     
649     bool isPhysReg = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg());
650     
651     // A crude approximation of "live-out" calculation
652     bool usedOutsideBlock = isPhysReg ? false :   
653           UsedInMultipleBlocks.test(MO.getReg() -  
654                                     TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
655     if (!isPhysReg && !usedOutsideBlock)
656       for (MachineRegisterInfo::reg_iterator UI = MRI.reg_begin(MO.getReg()),
657            UE = MRI.reg_end(); UI != UE; ++UI)
658         // Two cases:
659         // - used in another block
660         // - used in the same block before it is defined (loop)
661         if (UI->getParent() != &MBB ||
662             (MO.isDef() && UI.getOperand().isUse() && precedes(&*UI, MI))) {
663           UsedInMultipleBlocks.set(MO.getReg() - 
664                                    TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
665           usedOutsideBlock = true;
666           break;
667         }
668     
669     // Physical registers and those that are not live-out of the block
670     // are killed/dead at their last use/def within this block.
671     if (isPhysReg || !usedOutsideBlock) {
672       if (MO.isUse())
673         MO.setIsKill(true);
674       else if (MI->getOperand(idx).isDef())
675         MO.setIsDead(true);
676     }
677   }
678   
679   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
680   while (MII != MBB.end()) {
681     MachineInstr *MI = MII++;
682     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
683     DEBUG(DOUT << "\nStarting RegAlloc of: " << *MI;
684           DOUT << "  Regs have values: ";
685           for (unsigned i = 0; i != TRI->getNumRegs(); ++i)
686             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
687                DOUT << "[" << TRI->getName(i)
688                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
689           DOUT << "\n");
690
691     // Loop over the implicit uses, making sure that they are at the head of the
692     // use order list, so they don't get reallocated.
693     if (TID.ImplicitUses) {
694       for (const unsigned *ImplicitUses = TID.ImplicitUses;
695            *ImplicitUses; ++ImplicitUses)
696         MarkPhysRegRecentlyUsed(*ImplicitUses);
697     }
698
699     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
700     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
701       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
702       if (MO.isRegister() && MO.isKill()) {
703         if (!MO.isImplicit())
704           Kills.push_back(MO.getReg());
705         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
706           // These are extra physical register kills when a sub-register
707           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
708           // larger registers). Ignore.
709           Kills.push_back(MO.getReg());
710       }
711     }
712
713     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
714     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
715     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
716     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
717     // to be live-in, or the input is badly hosed.
718     //
719     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
720       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
721       // here we are looking for only used operands (never def&use)
722       if (MO.isRegister() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
723           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
724         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i);
725     }
726
727     // If this instruction is the last user of this register, kill the
728     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
729     // spilled to memory.
730     //
731     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
732       unsigned VirtReg = Kills[i];
733       unsigned PhysReg = VirtReg;
734       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
735         // If the virtual register was never materialized into a register, it
736         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
737         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
738         PhysReg = PhysRegSlot;
739         PhysRegSlot = 0;
740       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
741         // Unallocatable register dead, ignore.
742         continue;
743       } else {
744         assert((!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1) &&
745                "Silently clearing a virtual register?");
746       }
747
748       if (PhysReg) {
749         DOUT << "  Last use of " << TRI->getName(PhysReg)
750              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
751         removePhysReg(PhysReg);
752         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
753              *AliasSet; ++AliasSet) {
754           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
755             DOUT  << "  Last use of "
756                   << TRI->getName(*AliasSet)
757                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
758             removePhysReg(*AliasSet);
759           }
760         }
761       }
762     }
763
764     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
765     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
766     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
767       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
768       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
769           TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
770         unsigned Reg = MO.getReg();
771         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
772         // These are extra physical register defs when a sub-register
773         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
774         // larger registers). Ignore.
775         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
776
777         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
778         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
779         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
780         AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
781
782         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
783              *AliasSet; ++AliasSet) {
784           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
785             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
786             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
787             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
788           }
789         }
790       }
791     }
792
793     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
794     if (TID.ImplicitDefs) {
795       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
796            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
797         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
798         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
799           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
800           AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
801           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
802         }
803         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
804         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getSubRegisters(Reg);
805              *AliasSet; ++AliasSet) {
806           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
807             AddToPhysRegsUseOrder(*AliasSet); 
808             PhysRegsUsed[*AliasSet] = 0;  // It is free and reserved now
809             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*AliasSet);
810           }
811         }
812       }
813     }
814
815     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
816     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
817       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
818       if (MO.isRegister() && MO.isDead())
819         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
820     }
821
822     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
823     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
824     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
825     // we need to scavenge a register.
826     //
827     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
828       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
829       if (MO.isRegister() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
830           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
831         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
832         unsigned DestPhysReg;
833
834         // If DestVirtReg already has a value, use it.
835         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
836           DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
837         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
838         markVirtRegModified(DestVirtReg);
839         getVirtRegLastUse(DestVirtReg) = std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
840         DOUT << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
841              << " to %reg" << DestVirtReg << "\n";
842         MI->getOperand(i).setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
843       }
844     }
845
846     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
847     // kill them now.
848     //
849     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
850       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
851       unsigned PhysReg = VirtReg;
852       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
853         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
854         PhysReg = PhysRegSlot;
855         assert(PhysReg != 0);
856         PhysRegSlot = 0;
857       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
858         // Unallocatable register dead, ignore.
859         continue;
860       }
861
862       if (PhysReg) {
863         DOUT  << "  Register " << TRI->getName(PhysReg)
864               << " [%reg" << VirtReg
865               << "] is never used, removing it frame live list\n";
866         removePhysReg(PhysReg);
867         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
868              *AliasSet; ++AliasSet) {
869           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
870             DOUT  << "  Register " << TRI->getName(*AliasSet)
871                   << " [%reg" << *AliasSet
872                   << "] is never used, removing it frame live list\n";
873             removePhysReg(*AliasSet);
874           }
875         }
876       }
877     }
878     
879     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
880     unsigned SrcReg, DstReg;
881     if (TII->isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg) && SrcReg == DstReg)
882       MBB.erase(MI);
883   }
884
885   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
886
887   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
888   for (unsigned i = 0, e = TRI->getNumRegs(); i != e; ++i)
889     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2) {
890       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
891         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
892       else
893         removePhysReg(i);
894     }
895
896 #if 0
897   // This checking code is very expensive.
898   bool AllOk = true;
899   for (unsigned i = TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister,
900            e = MF->getRegInfo().getLastVirtReg(); i <= e; ++i)
901     if (unsigned PR = Virt2PhysRegMap[i]) {
902       cerr << "Register still mapped: " << i << " -> " << PR << "\n";
903       AllOk = false;
904     }
905   assert(AllOk && "Virtual registers still in phys regs?");
906 #endif
907
908   // Clear any physical register which appear live at the end of the basic
909   // block, but which do not hold any virtual registers.  e.g., the stack
910   // pointer.
911   PhysRegsUseOrder.clear();
912 }
913
914 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
915 ///
916 bool RALocal::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
917   DOUT << "Machine Function " << "\n";
918   MF = &Fn;
919   TM = &Fn.getTarget();
920   TRI = TM->getRegisterInfo();
921   TII = TM->getInstrInfo();
922
923   PhysRegsUsed.assign(TRI->getNumRegs(), -1);
924   
925   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
926   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
927   // being pinned down, permanently.
928   {
929     BitVector Allocable = TRI->getAllocatableSet(Fn);
930     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
931       if (!Allocable[i])
932         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
933   }
934
935   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
936   // mapping for all virtual registers
937   unsigned LastVirtReg = MF->getRegInfo().getLastVirtReg();
938   Virt2PhysRegMap.grow(LastVirtReg);
939   Virt2LastUseMap.grow(LastVirtReg);
940   VirtRegModified.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
941   UsedInMultipleBlocks.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
942  
943   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
944   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
945        MBB != MBBe; ++MBB)
946     AllocateBasicBlock(*MBB);
947
948   StackSlotForVirtReg.clear();
949   PhysRegsUsed.clear();
950   VirtRegModified.clear();
951   UsedInMultipleBlocks.clear();
952   Virt2PhysRegMap.clear();
953   Virt2LastUseMap.clear();
954   return true;
955 }
956
957 FunctionPass *llvm::createLocalRegisterAllocator() {
958   return new RALocal();
959 }