Exit with nice warnings when register allocator run out of registers.
[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/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/IndexedMap.h"
30 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
31 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
33 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
34 #include <algorithm>
35 using namespace llvm;
36
37 STATISTIC(NumStores, "Number of stores added");
38 STATISTIC(NumLoads , "Number of loads added");
39
40 static RegisterRegAlloc
41   localRegAlloc("local", "local register allocator",
42                 createLocalRegisterAllocator);
43
44 namespace {
45   class VISIBILITY_HIDDEN RALocal : public MachineFunctionPass {
46   public:
47     static char ID;
48     RALocal() : MachineFunctionPass(&ID), StackSlotForVirtReg(-1) {}
49   private:
50     const TargetMachine *TM;
51     MachineFunction *MF;
52     const TargetRegisterInfo *TRI;
53     const TargetInstrInfo *TII;
54
55     // StackSlotForVirtReg - Maps virtual regs to the frame index where these
56     // values are spilled.
57     IndexedMap<int, VirtReg2IndexFunctor> StackSlotForVirtReg;
58
59     // Virt2PhysRegMap - This map contains entries for each virtual register
60     // that is currently available in a physical register.
61     IndexedMap<unsigned, VirtReg2IndexFunctor> Virt2PhysRegMap;
62
63     unsigned &getVirt2PhysRegMapSlot(unsigned VirtReg) {
64       return Virt2PhysRegMap[VirtReg];
65     }
66
67     // PhysRegsUsed - This array is effectively a map, containing entries for
68     // each physical register that currently has a value (ie, it is in
69     // Virt2PhysRegMap).  The value mapped to is the virtual register
70     // corresponding to the physical register (the inverse of the
71     // Virt2PhysRegMap), or 0.  The value is set to 0 if this register is pinned
72     // because it is used by a future instruction, and to -2 if it is not
73     // allocatable.  If the entry for a physical register is -1, then the
74     // physical register is "not in the map".
75     //
76     std::vector<int> PhysRegsUsed;
77
78     // PhysRegsUseOrder - This contains a list of the physical registers that
79     // currently have a virtual register value in them.  This list provides an
80     // ordering of registers, imposing a reallocation order.  This list is only
81     // used if all registers are allocated and we have to spill one, in which
82     // case we spill the least recently used register.  Entries at the front of
83     // the list are the least recently used registers, entries at the back are
84     // the most recently used.
85     //
86     std::vector<unsigned> PhysRegsUseOrder;
87
88     // Virt2LastUseMap - This maps each virtual register to its last use
89     // (MachineInstr*, operand index pair).
90     IndexedMap<std::pair<MachineInstr*, unsigned>, VirtReg2IndexFunctor>
91     Virt2LastUseMap;
92
93     std::pair<MachineInstr*,unsigned>& getVirtRegLastUse(unsigned Reg) {
94       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
95       return Virt2LastUseMap[Reg];
96     }
97
98     // VirtRegModified - This bitset contains information about which virtual
99     // registers need to be spilled back to memory when their registers are
100     // scavenged.  If a virtual register has simply been rematerialized, there
101     // is no reason to spill it to memory when we need the register back.
102     //
103     BitVector VirtRegModified;
104     
105     // UsedInMultipleBlocks - Tracks whether a particular register is used in
106     // more than one block.
107     BitVector UsedInMultipleBlocks;
108
109     void markVirtRegModified(unsigned Reg, bool Val = true) {
110       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
111       Reg -= TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister;
112       if (Val)
113         VirtRegModified.set(Reg);
114       else
115         VirtRegModified.reset(Reg);
116     }
117
118     bool isVirtRegModified(unsigned Reg) const {
119       assert(TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg) && "Illegal VirtReg!");
120       assert(Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister < VirtRegModified.size()
121              && "Illegal virtual register!");
122       return VirtRegModified[Reg - TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister];
123     }
124
125     void AddToPhysRegsUseOrder(unsigned Reg) {
126       std::vector<unsigned>::iterator It =
127         std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), Reg);
128       if (It != PhysRegsUseOrder.end())
129         PhysRegsUseOrder.erase(It);
130       PhysRegsUseOrder.push_back(Reg);
131     }
132
133     void MarkPhysRegRecentlyUsed(unsigned Reg) {
134       if (PhysRegsUseOrder.empty() ||
135           PhysRegsUseOrder.back() == Reg) return;  // Already most recently used
136
137       for (unsigned i = PhysRegsUseOrder.size(); i != 0; --i)
138         if (areRegsEqual(Reg, PhysRegsUseOrder[i-1])) {
139           unsigned RegMatch = PhysRegsUseOrder[i-1];       // remove from middle
140           PhysRegsUseOrder.erase(PhysRegsUseOrder.begin()+i-1);
141           // Add it to the end of the list
142           PhysRegsUseOrder.push_back(RegMatch);
143           if (RegMatch == Reg)
144             return;    // Found an exact match, exit early
145         }
146     }
147
148   public:
149     virtual const char *getPassName() const {
150       return "Local Register Allocator";
151     }
152
153     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
154       AU.addRequiredID(PHIEliminationID);
155       AU.addRequiredID(TwoAddressInstructionPassID);
156       MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
157     }
158
159   private:
160     /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
161     bool runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn);
162
163     /// AllocateBasicBlock - Register allocate the specified basic block.
164     void AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB);
165
166
167     /// areRegsEqual - This method returns true if the specified registers are
168     /// related to each other.  To do this, it checks to see if they are equal
169     /// or if the first register is in the alias set of the second register.
170     ///
171     bool areRegsEqual(unsigned R1, unsigned R2) const {
172       if (R1 == R2) return true;
173       for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(R2);
174            *AliasSet; ++AliasSet) {
175         if (*AliasSet == R1) return true;
176       }
177       return false;
178     }
179
180     /// getStackSpaceFor - This returns the frame index of the specified virtual
181     /// register on the stack, allocating space if necessary.
182     int getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC);
183
184     /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
185     /// longer being in use.
186     ///
187     void removePhysReg(unsigned PhysReg);
188
189     /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into
190     /// the virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA
191     /// data structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
192     ///
193     void spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
194                       unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
195
196     /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into
197     /// the virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to
198     /// true, then the request is ignored if the physical register does not
199     /// contain a virtual register.
200     ///
201     void spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
202                       unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs = false);
203
204     /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
205     /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
206     /// register must not be used for anything else when this is called.
207     ///
208     void assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg);
209
210     /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is
211     /// free and available for use.  This also includes checking to see if
212     /// aliased registers are all free...
213     ///
214     bool isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const;
215
216     /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
217     /// specified register class.  If not, return 0.
218     ///
219     unsigned getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC);
220
221     /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
222     /// register.  If all compatible physical registers are used, this method
223     /// spills the last used virtual register to the stack, and uses that
224     /// register. If NoFree is true, that means the caller knows there isn't
225     /// a free register, do not call getFreeReg().
226     unsigned getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
227                     unsigned VirtReg, bool NoFree = false);
228
229     /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
230     /// register use to refer to a physical register.  This method may do this
231     /// in one of several ways: if the register is available in a physical
232     /// register already, it uses that physical register.  If the value is not
233     /// in a physical register, and if there are physical registers available,
234     /// it loads it into a register.  If register pressure is high, and it is
235     /// possible, it tries to fold the load of the virtual register into the
236     /// instruction itself.  It avoids doing this if register pressure is low to
237     /// improve the chance that subsequent instructions can use the reloaded
238     /// value.  This method returns the modified instruction.
239     ///
240     MachineInstr *reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
241                                 unsigned OpNum, SmallSet<unsigned, 4> &RRegs);
242
243     /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
244     /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
245     void ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB);
246
247     void reloadPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator &I,
248                        unsigned PhysReg);
249   };
250   char RALocal::ID = 0;
251 }
252
253 /// getStackSpaceFor - This allocates space for the specified virtual register
254 /// to be held on the stack.
255 int RALocal::getStackSpaceFor(unsigned VirtReg, const TargetRegisterClass *RC) {
256   // Find the location Reg would belong...
257   int SS = StackSlotForVirtReg[VirtReg];
258   if (SS != -1)
259     return SS;          // Already has space allocated?
260
261   // Allocate a new stack object for this spill location...
262   int FrameIdx = MF->getFrameInfo()->CreateStackObject(RC->getSize(),
263                                                        RC->getAlignment());
264
265   // Assign the slot...
266   StackSlotForVirtReg[VirtReg] = FrameIdx;
267   return FrameIdx;
268 }
269
270
271 /// removePhysReg - This method marks the specified physical register as no
272 /// longer being in use.
273 ///
274 void RALocal::removePhysReg(unsigned PhysReg) {
275   PhysRegsUsed[PhysReg] = -1;      // PhyReg no longer used
276
277   std::vector<unsigned>::iterator It =
278     std::find(PhysRegsUseOrder.begin(), PhysRegsUseOrder.end(), PhysReg);
279   if (It != PhysRegsUseOrder.end())
280     PhysRegsUseOrder.erase(It);
281 }
282
283
284 /// spillVirtReg - This method spills the value specified by PhysReg into the
285 /// virtual register slot specified by VirtReg.  It then updates the RA data
286 /// structures to indicate the fact that PhysReg is now available.
287 ///
288 void RALocal::spillVirtReg(MachineBasicBlock &MBB,
289                            MachineBasicBlock::iterator I,
290                            unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
291   assert(VirtReg && "Spilling a physical register is illegal!"
292          " Must not have appropriate kill for the register or use exists beyond"
293          " the intended one.");
294   DOUT << "  Spilling register " << TRI->getName(PhysReg)
295        << " containing %reg" << VirtReg;
296   
297   if (!isVirtRegModified(VirtReg)) {
298     DOUT << " which has not been modified, so no store necessary!";
299     std::pair<MachineInstr*, unsigned> &LastUse = getVirtRegLastUse(VirtReg);
300     if (LastUse.first)
301       LastUse.first->getOperand(LastUse.second).setIsKill();
302   } else {
303     // Otherwise, there is a virtual register corresponding to this physical
304     // register.  We only need to spill it into its stack slot if it has been
305     // modified.
306     const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
307     int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
308     DOUT << " to stack slot #" << FrameIndex;
309     // If the instruction reads the register that's spilled, (e.g. this can
310     // happen if it is a move to a physical register), then the spill
311     // instruction is not a kill.
312     bool isKill = !(I != MBB.end() && I->readsRegister(PhysReg));
313     TII->storeRegToStackSlot(MBB, I, PhysReg, isKill, FrameIndex, RC);
314     ++NumStores;   // Update statistics
315   }
316
317   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = 0;   // VirtReg no longer available
318
319   DOUT << "\n";
320   removePhysReg(PhysReg);
321 }
322
323
324 /// spillPhysReg - This method spills the specified physical register into the
325 /// virtual register slot associated with it.  If OnlyVirtRegs is set to true,
326 /// then the request is ignored if the physical register does not contain a
327 /// virtual register.
328 ///
329 void RALocal::spillPhysReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
330                            unsigned PhysReg, bool OnlyVirtRegs) {
331   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) {            // Only spill it if it's used!
332     assert(PhysRegsUsed[PhysReg] != -2 && "Non allocable reg used!");
333     if (PhysRegsUsed[PhysReg] || !OnlyVirtRegs)
334       spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[PhysReg], PhysReg);
335   } else {
336     // If the selected register aliases any other registers, we must make
337     // sure that one of the aliases isn't alive.
338     for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
339          *AliasSet; ++AliasSet)
340       if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -1 &&     // Spill aliased register.
341           PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2)       // If allocatable.
342           if (PhysRegsUsed[*AliasSet])
343             spillVirtReg(MBB, I, PhysRegsUsed[*AliasSet], *AliasSet);
344   }
345 }
346
347
348 /// assignVirtToPhysReg - This method updates local state so that we know
349 /// that PhysReg is the proper container for VirtReg now.  The physical
350 /// register must not be used for anything else when this is called.
351 ///
352 void RALocal::assignVirtToPhysReg(unsigned VirtReg, unsigned PhysReg) {
353   assert(PhysRegsUsed[PhysReg] == -1 && "Phys reg already assigned!");
354   // Update information to note the fact that this register was just used, and
355   // it holds VirtReg.
356   PhysRegsUsed[PhysReg] = VirtReg;
357   getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg) = PhysReg;
358   AddToPhysRegsUseOrder(PhysReg);   // New use of PhysReg
359 }
360
361
362 /// isPhysRegAvailable - Return true if the specified physical register is free
363 /// and available for use.  This also includes checking to see if aliased
364 /// registers are all free...
365 ///
366 bool RALocal::isPhysRegAvailable(unsigned PhysReg) const {
367   if (PhysRegsUsed[PhysReg] != -1) return false;
368
369   // If the selected register aliases any other allocated registers, it is
370   // not free!
371   for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
372        *AliasSet; ++AliasSet)
373     if (PhysRegsUsed[*AliasSet] >= 0) // Aliased register in use?
374       return false;                    // Can't use this reg then.
375   return true;
376 }
377
378
379 /// getFreeReg - Look to see if there is a free register available in the
380 /// specified register class.  If not, return 0.
381 ///
382 unsigned RALocal::getFreeReg(const TargetRegisterClass *RC) {
383   // Get iterators defining the range of registers that are valid to allocate in
384   // this class, which also specifies the preferred allocation order.
385   TargetRegisterClass::iterator RI = RC->allocation_order_begin(*MF);
386   TargetRegisterClass::iterator RE = RC->allocation_order_end(*MF);
387
388   for (; RI != RE; ++RI)
389     if (isPhysRegAvailable(*RI)) {       // Is reg unused?
390       assert(*RI != 0 && "Cannot use register!");
391       return *RI; // Found an unused register!
392     }
393   return 0;
394 }
395
396
397 /// getReg - Find a physical register to hold the specified virtual
398 /// register.  If all compatible physical registers are used, this method spills
399 /// the last used virtual register to the stack, and uses that register.
400 ///
401 unsigned RALocal::getReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *I,
402                          unsigned VirtReg, bool NoFree) {
403   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
404
405   // First check to see if we have a free register of the requested type...
406   unsigned PhysReg = NoFree ? 0 : getFreeReg(RC);
407
408   // If we didn't find an unused register, scavenge one now!
409   if (PhysReg == 0) {
410     assert(!PhysRegsUseOrder.empty() && "No allocated registers??");
411
412     // Loop over all of the preallocated registers from the least recently used
413     // to the most recently used.  When we find one that is capable of holding
414     // our register, use it.
415     for (unsigned i = 0; PhysReg == 0; ++i) {
416       assert(i != PhysRegsUseOrder.size() &&
417              "Couldn't find a register of the appropriate class!");
418
419       unsigned R = PhysRegsUseOrder[i];
420
421       // We can only use this register if it holds a virtual register (ie, it
422       // can be spilled).  Do not use it if it is an explicitly allocated
423       // physical register!
424       assert(PhysRegsUsed[R] != -1 &&
425              "PhysReg in PhysRegsUseOrder, but is not allocated?");
426       if (PhysRegsUsed[R] && PhysRegsUsed[R] != -2) {
427         // If the current register is compatible, use it.
428         if (RC->contains(R)) {
429           PhysReg = R;
430           break;
431         } else {
432           // If one of the registers aliased to the current register is
433           // compatible, use it.
434           for (const unsigned *AliasIt = TRI->getAliasSet(R);
435                *AliasIt; ++AliasIt) {
436             if (RC->contains(*AliasIt) &&
437                 // If this is pinned down for some reason, don't use it.  For
438                 // example, if CL is pinned, and we run across CH, don't use
439                 // CH as justification for using scavenging ECX (which will
440                 // fail).
441                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != 0 &&
442                 
443                 // Make sure the register is allocatable.  Don't allocate SIL on
444                 // x86-32.
445                 PhysRegsUsed[*AliasIt] != -2) {
446               PhysReg = *AliasIt;    // Take an aliased register
447               break;
448             }
449           }
450         }
451       }
452     }
453
454     assert(PhysReg && "Physical register not assigned!?!?");
455
456     // At this point PhysRegsUseOrder[i] is the least recently used register of
457     // compatible register class.  Spill it to memory and reap its remains.
458     spillPhysReg(MBB, I, PhysReg);
459   }
460
461   // Now that we know which register we need to assign this to, do it now!
462   assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
463   return PhysReg;
464 }
465
466
467 /// reloadVirtReg - This method transforms the specified specified virtual
468 /// register use to refer to a physical register.  This method may do this in
469 /// one of several ways: if the register is available in a physical register
470 /// already, it uses that physical register.  If the value is not in a physical
471 /// register, and if there are physical registers available, it loads it into a
472 /// register.  If register pressure is high, and it is possible, it tries to
473 /// fold the load of the virtual register into the instruction itself.  It
474 /// avoids doing this if register pressure is low to improve the chance that
475 /// subsequent instructions can use the reloaded value.  This method returns the
476 /// modified instruction.
477 ///
478 MachineInstr *RALocal::reloadVirtReg(MachineBasicBlock &MBB, MachineInstr *MI,
479                                      unsigned OpNum,
480                                      SmallSet<unsigned, 4> &ReloadedRegs) {
481   unsigned VirtReg = MI->getOperand(OpNum).getReg();
482
483   // If the virtual register is already available, just update the instruction
484   // and return.
485   if (unsigned PR = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg)) {
486     MarkPhysRegRecentlyUsed(PR);       // Already have this value available!
487     MI->getOperand(OpNum).setReg(PR);  // Assign the input register
488     getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
489     return MI;
490   }
491
492   // Otherwise, we need to fold it into the current instruction, or reload it.
493   // If we have registers available to hold the value, use them.
494   const TargetRegisterClass *RC = MF->getRegInfo().getRegClass(VirtReg);
495   unsigned PhysReg = getFreeReg(RC);
496   int FrameIndex = getStackSpaceFor(VirtReg, RC);
497
498   if (PhysReg) {   // Register is available, allocate it!
499     assignVirtToPhysReg(VirtReg, PhysReg);
500   } else {         // No registers available.
501     // Force some poor hapless value out of the register file to
502     // make room for the new register, and reload it.
503     PhysReg = getReg(MBB, MI, VirtReg, true);
504   }
505
506   markVirtRegModified(VirtReg, false);   // Note that this reg was just reloaded
507
508   DOUT << "  Reloading %reg" << VirtReg << " into "
509        << TRI->getName(PhysReg) << "\n";
510
511   // Add move instruction(s)
512   TII->loadRegFromStackSlot(MBB, MI, PhysReg, FrameIndex, RC);
513   ++NumLoads;    // Update statistics
514
515   MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(PhysReg);
516   MI->getOperand(OpNum).setReg(PhysReg);  // Assign the input register
517   getVirtRegLastUse(VirtReg) = std::make_pair(MI, OpNum);
518
519   if (!ReloadedRegs.insert(PhysReg)) {
520     cerr << "Ran out of registers during register allocation!\n";
521     if (MI->getOpcode() == TargetInstrInfo::INLINEASM) {
522       cerr << "Please check your inline asm statement for invalid "
523            << "constraints:\n";
524       MI->print(cerr.stream(), TM);
525     }
526     exit(1);
527   }
528   for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
529        *SubRegs; ++SubRegs) {
530     if (!ReloadedRegs.insert(*SubRegs)) {
531       cerr << "Ran out of registers during register allocation!\n";
532       if (MI->getOpcode() == TargetInstrInfo::INLINEASM) {
533         cerr << "Please check your inline asm statement for invalid "
534              << "constraints:\n";
535         MI->print(cerr.stream(), TM);
536       }
537       exit(1);
538     }
539   }
540
541   return MI;
542 }
543
544 /// isReadModWriteImplicitKill - True if this is an implicit kill for a
545 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
546 static bool isReadModWriteImplicitKill(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
547   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
548     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
549     if (MO.isReg() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
550         MO.isDef() && !MO.isDead())
551       return true;
552   }
553   return false;
554 }
555
556 /// isReadModWriteImplicitDef - True if this is an implicit def for a
557 /// read/mod/write register, i.e. update partial register.
558 static bool isReadModWriteImplicitDef(MachineInstr *MI, unsigned Reg) {
559   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
560     MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
561     if (MO.isReg() && MO.getReg() == Reg && MO.isImplicit() &&
562         !MO.isDef() && MO.isKill())
563       return true;
564   }
565   return false;
566 }
567
568 // precedes - Helper function to determine with MachineInstr A
569 // precedes MachineInstr B within the same MBB.
570 static bool precedes(MachineBasicBlock::iterator A,
571                      MachineBasicBlock::iterator B) {
572   if (A == B)
573     return false;
574   
575   MachineBasicBlock::iterator I = A->getParent()->begin();
576   while (I != A->getParent()->end()) {
577     if (I == A)
578       return true;
579     else if (I == B)
580       return false;
581     
582     ++I;
583   }
584   
585   return false;
586 }
587
588 /// ComputeLocalLiveness - Computes liveness of registers within a basic
589 /// block, setting the killed/dead flags as appropriate.
590 void RALocal::ComputeLocalLiveness(MachineBasicBlock& MBB) {
591   MachineRegisterInfo& MRI = MBB.getParent()->getRegInfo();
592   // Keep track of the most recently seen previous use or def of each reg, 
593   // so that we can update them with dead/kill markers.
594   DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> > LastUseDef;
595   for (MachineBasicBlock::iterator I = MBB.begin(), E = MBB.end();
596        I != E; ++I) {
597     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
598       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
599       // Uses don't trigger any flags, but we need to save
600       // them for later.  Also, we have to process these
601       // _before_ processing the defs, since an instr
602       // uses regs before it defs them.
603       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isUse()) {
604         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
605         
606         
607         if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) continue;
608         
609         const unsigned* Aliases = TRI->getAliasSet(MO.getReg());
610         if (Aliases) {
611           while (*Aliases) {
612             DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
613               alias = LastUseDef.find(*Aliases);
614             
615             if (alias != LastUseDef.end() && alias->second.first != I)
616               LastUseDef[*Aliases] = std::make_pair(I, i);
617             
618             ++Aliases;
619           }
620         }
621       }
622     }
623     
624     for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
625       MachineOperand& MO = I->getOperand(i);
626       // Defs others than 2-addr redefs _do_ trigger flag changes:
627       //   - A def followed by a def is dead
628       //   - A use followed by a def is a kill
629       if (MO.isReg() && MO.getReg() && MO.isDef()) {
630         DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
631           last = LastUseDef.find(MO.getReg());
632         if (last != LastUseDef.end()) {
633           // Check if this is a two address instruction.  If so, then
634           // the def does not kill the use.
635           if (last->second.first == I &&
636               I->isRegReDefinedByTwoAddr(i))
637             continue;
638           
639           MachineOperand& lastUD =
640                       last->second.first->getOperand(last->second.second);
641           if (lastUD.isDef())
642             lastUD.setIsDead(true);
643           else
644             lastUD.setIsKill(true);
645         }
646         
647         LastUseDef[MO.getReg()] = std::make_pair(I, i);
648       }
649     }
650   }
651   
652   // Live-out (of the function) registers contain return values of the function,
653   // so we need to make sure they are alive at return time.
654   if (!MBB.empty() && MBB.back().getDesc().isReturn()) {
655     MachineInstr* Ret = &MBB.back();
656     for (MachineRegisterInfo::liveout_iterator
657          I = MF->getRegInfo().liveout_begin(),
658          E = MF->getRegInfo().liveout_end(); I != E; ++I)
659       if (!Ret->readsRegister(*I)) {
660         Ret->addOperand(MachineOperand::CreateReg(*I, false, true));
661         LastUseDef[*I] = std::make_pair(Ret, Ret->getNumOperands()-1);
662       }
663   }
664   
665   // Finally, loop over the final use/def of each reg 
666   // in the block and determine if it is dead.
667   for (DenseMap<unsigned, std::pair<MachineInstr*, unsigned> >::iterator
668        I = LastUseDef.begin(), E = LastUseDef.end(); I != E; ++I) {
669     MachineInstr* MI = I->second.first;
670     unsigned idx = I->second.second;
671     MachineOperand& MO = MI->getOperand(idx);
672     
673     bool isPhysReg = TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg());
674     
675     // A crude approximation of "live-out" calculation
676     bool usedOutsideBlock = isPhysReg ? false :   
677           UsedInMultipleBlocks.test(MO.getReg() -  
678                                     TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
679     if (!isPhysReg && !usedOutsideBlock)
680       for (MachineRegisterInfo::reg_iterator UI = MRI.reg_begin(MO.getReg()),
681            UE = MRI.reg_end(); UI != UE; ++UI)
682         // Two cases:
683         // - used in another block
684         // - used in the same block before it is defined (loop)
685         if (UI->getParent() != &MBB ||
686             (MO.isDef() && UI.getOperand().isUse() && precedes(&*UI, MI))) {
687           UsedInMultipleBlocks.set(MO.getReg() - 
688                                    TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
689           usedOutsideBlock = true;
690           break;
691         }
692     
693     // Physical registers and those that are not live-out of the block
694     // are killed/dead at their last use/def within this block.
695     if (isPhysReg || !usedOutsideBlock) {
696       if (MO.isUse()) {
697         // Don't mark uses that are tied to defs as kills.
698         if (MI->getDesc().getOperandConstraint(idx, TOI::TIED_TO) == -1)
699           MO.setIsKill(true);
700       } else
701         MO.setIsDead(true);
702     }
703   }
704 }
705
706 void RALocal::AllocateBasicBlock(MachineBasicBlock &MBB) {
707   // loop over each instruction
708   MachineBasicBlock::iterator MII = MBB.begin();
709   
710   DEBUG(const BasicBlock *LBB = MBB.getBasicBlock();
711         if (LBB) DOUT << "\nStarting RegAlloc of BB: " << LBB->getName());
712
713   // If this is the first basic block in the machine function, add live-in
714   // registers as active.
715   if (&MBB == &*MF->begin() || MBB.isLandingPad()) {
716     for (MachineBasicBlock::livein_iterator I = MBB.livein_begin(),
717          E = MBB.livein_end(); I != E; ++I) {
718       unsigned Reg = *I;
719       MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
720       PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
721       AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
722       for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
723            *SubRegs; ++SubRegs) {
724         if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
725           AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
726           PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
727           MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
728         }
729       }
730     }    
731   }
732   
733   ComputeLocalLiveness(MBB);
734   
735   // Otherwise, sequentially allocate each instruction in the MBB.
736   while (MII != MBB.end()) {
737     MachineInstr *MI = MII++;
738     const TargetInstrDesc &TID = MI->getDesc();
739     DEBUG(DOUT << "\nStarting RegAlloc of: " << *MI;
740           DOUT << "  Regs have values: ";
741           for (unsigned i = 0; i != TRI->getNumRegs(); ++i)
742             if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2)
743                DOUT << "[" << TRI->getName(i)
744                     << ",%reg" << PhysRegsUsed[i] << "] ";
745           DOUT << "\n");
746
747     // Loop over the implicit uses, making sure that they are at the head of the
748     // use order list, so they don't get reallocated.
749     if (TID.ImplicitUses) {
750       for (const unsigned *ImplicitUses = TID.ImplicitUses;
751            *ImplicitUses; ++ImplicitUses)
752         MarkPhysRegRecentlyUsed(*ImplicitUses);
753     }
754
755     SmallVector<unsigned, 8> Kills;
756     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
757       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
758       if (MO.isReg() && MO.isKill()) {
759         if (!MO.isImplicit())
760           Kills.push_back(MO.getReg());
761         else if (!isReadModWriteImplicitKill(MI, MO.getReg()))
762           // These are extra physical register kills when a sub-register
763           // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
764           // larger registers). Ignore.
765           Kills.push_back(MO.getReg());
766       }
767     }
768
769     // If any physical regs are earlyclobber, spill any value they might
770     // have in them, then mark them unallocatable.
771     // If any virtual regs are earlyclobber, allocate them now (before
772     // freeing inputs that are killed).
773     if (MI->getOpcode()==TargetInstrInfo::INLINEASM) {
774       for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
775         MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
776         if (MO.isReg() && MO.isDef() && MO.isEarlyClobber() &&
777             MO.getReg()) {
778           if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
779             unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
780             unsigned DestPhysReg;
781
782             // If DestVirtReg already has a value, use it.
783             if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
784               DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
785             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
786             markVirtRegModified(DestVirtReg);
787             getVirtRegLastUse(DestVirtReg) =
788                    std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
789             DOUT << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
790                  << " to %reg" << DestVirtReg << "\n";
791             MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the earlyclobber register
792           } else {
793             unsigned Reg = MO.getReg();
794             if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
795             // These are extra physical register defs when a sub-register
796             // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
797             // larger registers). Ignore.
798             if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
799
800             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
801             spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
802             PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
803             AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
804
805             for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
806                  *SubRegs; ++SubRegs) {
807               if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
808                 MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
809                 PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
810                 AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
811               }
812             }
813           }
814         }
815       }
816     }
817
818     // Get the used operands into registers.  This has the potential to spill
819     // incoming values if we are out of registers.  Note that we completely
820     // ignore physical register uses here.  We assume that if an explicit
821     // physical register is referenced by the instruction, that it is guaranteed
822     // to be live-in, or the input is badly hosed.
823     //
824     SmallSet<unsigned, 4> ReloadedRegs;
825     for (unsigned i = 0; i != MI->getNumOperands(); ++i) {
826       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
827       // here we are looking for only used operands (never def&use)
828       if (MO.isReg() && !MO.isDef() && MO.getReg() && !MO.isImplicit() &&
829           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
830         MI = reloadVirtReg(MBB, MI, i, ReloadedRegs);
831     }
832
833     // If this instruction is the last user of this register, kill the
834     // value, freeing the register being used, so it doesn't need to be
835     // spilled to memory.
836     //
837     for (unsigned i = 0, e = Kills.size(); i != e; ++i) {
838       unsigned VirtReg = Kills[i];
839       unsigned PhysReg = VirtReg;
840       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
841         // If the virtual register was never materialized into a register, it
842         // might not be in the map, but it won't hurt to zero it out anyway.
843         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
844         PhysReg = PhysRegSlot;
845         PhysRegSlot = 0;
846       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
847         // Unallocatable register dead, ignore.
848         continue;
849       } else {
850         assert((!PhysRegsUsed[PhysReg] || PhysRegsUsed[PhysReg] == -1) &&
851                "Silently clearing a virtual register?");
852       }
853
854       if (PhysReg) {
855         DOUT << "  Last use of " << TRI->getName(PhysReg)
856              << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
857         removePhysReg(PhysReg);
858         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(PhysReg);
859              *SubRegs; ++SubRegs) {
860           if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
861             DOUT  << "  Last use of "
862                   << TRI->getName(*SubRegs)
863                   << "[%reg" << VirtReg <<"], removing it from live set\n";
864             removePhysReg(*SubRegs);
865           }
866         }
867       }
868     }
869
870     // Loop over all of the operands of the instruction, spilling registers that
871     // are defined, and marking explicit destinations in the PhysRegsUsed map.
872     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
873       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
874       if (MO.isReg() && MO.isDef() && !MO.isImplicit() && MO.getReg() &&
875           !MO.isEarlyClobber() &&
876           TargetRegisterInfo::isPhysicalRegister(MO.getReg())) {
877         unsigned Reg = MO.getReg();
878         if (PhysRegsUsed[Reg] == -2) continue;  // Something like ESP.
879         // These are extra physical register defs when a sub-register
880         // is defined (def of a sub-register is a read/mod/write of the
881         // larger registers). Ignore.
882         if (isReadModWriteImplicitDef(MI, MO.getReg())) continue;
883
884         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
885         spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true); // Spill any existing value in reg
886         PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
887         AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
888
889         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
890              *SubRegs; ++SubRegs) {
891           if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
892             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
893             PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
894             AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
895           }
896         }
897       }
898     }
899
900     // Loop over the implicit defs, spilling them as well.
901     if (TID.ImplicitDefs) {
902       for (const unsigned *ImplicitDefs = TID.ImplicitDefs;
903            *ImplicitDefs; ++ImplicitDefs) {
904         unsigned Reg = *ImplicitDefs;
905         if (PhysRegsUsed[Reg] != -2) {
906           spillPhysReg(MBB, MI, Reg, true);
907           AddToPhysRegsUseOrder(Reg); 
908           PhysRegsUsed[Reg] = 0;            // It is free and reserved now
909         }
910         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(Reg);
911         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
912              *SubRegs; ++SubRegs) {
913           if (PhysRegsUsed[*SubRegs] != -2) {
914             AddToPhysRegsUseOrder(*SubRegs); 
915             PhysRegsUsed[*SubRegs] = 0;  // It is free and reserved now
916             MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(*SubRegs);
917           }
918         }
919       }
920     }
921
922     SmallVector<unsigned, 8> DeadDefs;
923     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
924       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
925       if (MO.isReg() && MO.isDead())
926         DeadDefs.push_back(MO.getReg());
927     }
928
929     // Okay, we have allocated all of the source operands and spilled any values
930     // that would be destroyed by defs of this instruction.  Loop over the
931     // explicit defs and assign them to a register, spilling incoming values if
932     // we need to scavenge a register.
933     //
934     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
935       MachineOperand& MO = MI->getOperand(i);
936       if (MO.isReg() && MO.isDef() && MO.getReg() &&
937           !MO.isEarlyClobber() &&
938           TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
939         unsigned DestVirtReg = MO.getReg();
940         unsigned DestPhysReg;
941
942         // If DestVirtReg already has a value, use it.
943         if (!(DestPhysReg = getVirt2PhysRegMapSlot(DestVirtReg)))
944           DestPhysReg = getReg(MBB, MI, DestVirtReg);
945         MF->getRegInfo().setPhysRegUsed(DestPhysReg);
946         markVirtRegModified(DestVirtReg);
947         getVirtRegLastUse(DestVirtReg) = std::make_pair((MachineInstr*)0, 0);
948         DOUT << "  Assigning " << TRI->getName(DestPhysReg)
949              << " to %reg" << DestVirtReg << "\n";
950         MO.setReg(DestPhysReg);  // Assign the output register
951       }
952     }
953
954     // If this instruction defines any registers that are immediately dead,
955     // kill them now.
956     //
957     for (unsigned i = 0, e = DeadDefs.size(); i != e; ++i) {
958       unsigned VirtReg = DeadDefs[i];
959       unsigned PhysReg = VirtReg;
960       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(VirtReg)) {
961         unsigned &PhysRegSlot = getVirt2PhysRegMapSlot(VirtReg);
962         PhysReg = PhysRegSlot;
963         assert(PhysReg != 0);
964         PhysRegSlot = 0;
965       } else if (PhysRegsUsed[PhysReg] == -2) {
966         // Unallocatable register dead, ignore.
967         continue;
968       }
969
970       if (PhysReg) {
971         DOUT  << "  Register " << TRI->getName(PhysReg)
972               << " [%reg" << VirtReg
973               << "] is never used, removing it from live set\n";
974         removePhysReg(PhysReg);
975         for (const unsigned *AliasSet = TRI->getAliasSet(PhysReg);
976              *AliasSet; ++AliasSet) {
977           if (PhysRegsUsed[*AliasSet] != -2) {
978             DOUT  << "  Register " << TRI->getName(*AliasSet)
979                   << " [%reg" << *AliasSet
980                   << "] is never used, removing it from live set\n";
981             removePhysReg(*AliasSet);
982           }
983         }
984       }
985     }
986     
987     // Finally, if this is a noop copy instruction, zap it.
988     unsigned SrcReg, DstReg, SrcSubReg, DstSubReg;
989     if (TII->isMoveInstr(*MI, SrcReg, DstReg, SrcSubReg, DstSubReg) &&
990         SrcReg == DstReg)
991       MBB.erase(MI);
992   }
993
994   MachineBasicBlock::iterator MI = MBB.getFirstTerminator();
995
996   // Spill all physical registers holding virtual registers now.
997   for (unsigned i = 0, e = TRI->getNumRegs(); i != e; ++i)
998     if (PhysRegsUsed[i] != -1 && PhysRegsUsed[i] != -2) {
999       if (unsigned VirtReg = PhysRegsUsed[i])
1000         spillVirtReg(MBB, MI, VirtReg, i);
1001       else
1002         removePhysReg(i);
1003     }
1004
1005 #if 0
1006   // This checking code is very expensive.
1007   bool AllOk = true;
1008   for (unsigned i = TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister,
1009            e = MF->getRegInfo().getLastVirtReg(); i <= e; ++i)
1010     if (unsigned PR = Virt2PhysRegMap[i]) {
1011       cerr << "Register still mapped: " << i << " -> " << PR << "\n";
1012       AllOk = false;
1013     }
1014   assert(AllOk && "Virtual registers still in phys regs?");
1015 #endif
1016
1017   // Clear any physical register which appear live at the end of the basic
1018   // block, but which do not hold any virtual registers.  e.g., the stack
1019   // pointer.
1020   PhysRegsUseOrder.clear();
1021 }
1022
1023 /// runOnMachineFunction - Register allocate the whole function
1024 ///
1025 bool RALocal::runOnMachineFunction(MachineFunction &Fn) {
1026   DOUT << "Machine Function " << "\n";
1027   MF = &Fn;
1028   TM = &Fn.getTarget();
1029   TRI = TM->getRegisterInfo();
1030   TII = TM->getInstrInfo();
1031
1032   PhysRegsUsed.assign(TRI->getNumRegs(), -1);
1033   
1034   // At various places we want to efficiently check to see whether a register
1035   // is allocatable.  To handle this, we mark all unallocatable registers as
1036   // being pinned down, permanently.
1037   {
1038     BitVector Allocable = TRI->getAllocatableSet(Fn);
1039     for (unsigned i = 0, e = Allocable.size(); i != e; ++i)
1040       if (!Allocable[i])
1041         PhysRegsUsed[i] = -2;  // Mark the reg unallocable.
1042   }
1043
1044   // initialize the virtual->physical register map to have a 'null'
1045   // mapping for all virtual registers
1046   unsigned LastVirtReg = MF->getRegInfo().getLastVirtReg();
1047   StackSlotForVirtReg.grow(LastVirtReg);
1048   Virt2PhysRegMap.grow(LastVirtReg);
1049   Virt2LastUseMap.grow(LastVirtReg);
1050   VirtRegModified.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
1051   UsedInMultipleBlocks.resize(LastVirtReg+1-TargetRegisterInfo::FirstVirtualRegister);
1052  
1053   // Loop over all of the basic blocks, eliminating virtual register references
1054   for (MachineFunction::iterator MBB = Fn.begin(), MBBe = Fn.end();
1055        MBB != MBBe; ++MBB)
1056     AllocateBasicBlock(*MBB);
1057
1058   StackSlotForVirtReg.clear();
1059   PhysRegsUsed.clear();
1060   VirtRegModified.clear();
1061   UsedInMultipleBlocks.clear();
1062   Virt2PhysRegMap.clear();
1063   Virt2LastUseMap.clear();
1064   return true;
1065 }
1066
1067 FunctionPass *llvm::createLocalRegisterAllocator() {
1068   return new RALocal();
1069 }