lib/CodeGen/RegisterScavenging.cpp

   1 //===-- RegisterScavenging.cpp - Machine register scavenging --------------===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file implements the machine register scavenger. It can provide
  11 // information, such as unused registers, at any point in a machine basic block.
  12 // It also provides a mechanism to make registers available by evicting them to
  13 // spill slots.
  14 //
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 #define DEBUG_TYPE "reg-scavenging"
  18 #include "llvm/CodeGen/RegisterScavenging.h"
  19 #include "llvm/CodeGen/MachineFrameInfo.h"
  20 #include "llvm/CodeGen/MachineFunction.h"
  21 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
  22 #include "llvm/CodeGen/MachineInstr.h"
  23 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  24 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
  25 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  26 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  27 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
  29 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  30 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  31 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  32 using namespace llvm;
  33
  34 /// setUsed - Set the register and its sub-registers as being used.
  35 void RegScavenger::setUsed(unsigned Reg) {
  36   RegsAvailable.reset(Reg);
  37
  38   for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
  39        unsigned SubReg = *SubRegs; ++SubRegs)
  40     RegsAvailable.reset(SubReg);
  41 }
  42
  43 bool RegScavenger::isAliasUsed(unsigned Reg) const {
  44   if (isUsed(Reg))
  45     return true;
  46   for (const unsigned *R = TRI->getAliasSet(Reg); *R; ++R)
  47     if (isUsed(*R))
  48       return true;
  49   return false;
  50 }
  51
  52 void RegScavenger::initRegState() {
  53   ScavengedReg = 0;
  54   ScavengedRC = NULL;
  55   ScavengeRestore = NULL;
  56
  57   // All registers started out unused.
  58   RegsAvailable.set();
  59
  60   // Reserved registers are always used.
  61   RegsAvailable ^= ReservedRegs;
  62
  63   if (!MBB)
  64     return;
  65
  66   // Live-in registers are in use.
  67   for (MachineBasicBlock::const_livein_iterator I = MBB->livein_begin(),
  68          E = MBB->livein_end(); I != E; ++I)
  69     setUsed(*I);
  70
  71   // Pristine CSRs are also unavailable.
  72   BitVector PR = MBB->getParent()->getFrameInfo()->getPristineRegs(MBB);
  73   for (int I = PR.find_first(); I>0; I = PR.find_next(I))
  74     setUsed(I);
  75 }
  76
  77 void RegScavenger::enterBasicBlock(MachineBasicBlock *mbb) {
  78   MachineFunction &MF = *mbb->getParent();
  79   const TargetMachine &TM = MF.getTarget();
  80   TII = TM.getInstrInfo();
  81   TRI = TM.getRegisterInfo();
  82   MRI = &MF.getRegInfo();
  83
  84   assert((NumPhysRegs == 0 || NumPhysRegs == TRI->getNumRegs()) &&
  85          "Target changed?");
  86
  87   // Self-initialize.
  88   if (!MBB) {
  89     NumPhysRegs = TRI->getNumRegs();
  90     RegsAvailable.resize(NumPhysRegs);
  91
  92     // Create reserved registers bitvector.
  93     ReservedRegs = TRI->getReservedRegs(MF);
  94
  95     // Create callee-saved registers bitvector.
  96     CalleeSavedRegs.resize(NumPhysRegs);
  97     const unsigned *CSRegs = TRI->getCalleeSavedRegs();
  98     if (CSRegs != NULL)
  99       for (unsigned i = 0; CSRegs[i]; ++i)
 100         CalleeSavedRegs.set(CSRegs[i]);
 101   }
 102
 103   MBB = mbb;
 104   initRegState();
 105
 106   Tracking = false;
 107 }
 108
 109 void RegScavenger::addRegWithSubRegs(BitVector &BV, unsigned Reg) {
 110   BV.set(Reg);
 111   for (const unsigned *R = TRI->getSubRegisters(Reg); *R; R++)
 112     BV.set(*R);
 113 }
 114
 115 void RegScavenger::addRegWithAliases(BitVector &BV, unsigned Reg) {
 116   BV.set(Reg);
 117   for (const unsigned *R = TRI->getAliasSet(Reg); *R; R++)
 118     BV.set(*R);
 119 }
 120
 121 void RegScavenger::forward() {
 122   // Move ptr forward.
 123   if (!Tracking) {
 124     MBBI = MBB->begin();
 125     Tracking = true;
 126   } else {
 127     assert(MBBI != MBB->end() && "Already at the end of the basic block!");
 128     MBBI = next(MBBI);
 129   }
 130
 131   MachineInstr *MI = MBBI;
 132
 133   if (MI == ScavengeRestore) {
 134     ScavengedReg = 0;
 135     ScavengedRC = NULL;
 136     ScavengeRestore = NULL;
 137   }
 138
 139   // Find out which registers are early clobbered, killed, defined, and marked
 140   // def-dead in this instruction.
 141   BitVector EarlyClobberRegs(NumPhysRegs);
 142   BitVector KillRegs(NumPhysRegs);
 143   BitVector DefRegs(NumPhysRegs);
 144   BitVector DeadRegs(NumPhysRegs);
 145   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 146     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 147     if (!MO.isReg() || MO.isUndef())
 148       continue;
 149     unsigned Reg = MO.getReg();
 150     if (!Reg || isReserved(Reg))
 151       continue;
 152
 153     if (MO.isUse()) {
 154       // Two-address operands implicitly kill.
 155       if (MO.isKill() || MI->isRegTiedToDefOperand(i))
 156         addRegWithSubRegs(KillRegs, Reg);
 157     } else {
 158       assert(MO.isDef());
 159       if (MO.isDead())
 160         addRegWithSubRegs(DeadRegs, Reg);
 161       else
 162         addRegWithSubRegs(DefRegs, Reg);
 163       if (MO.isEarlyClobber())
 164         addRegWithAliases(EarlyClobberRegs, Reg);
 165     }
 166   }
 167
 168   // Verify uses and defs.
 169   for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 170     const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 171     if (!MO.isReg() || MO.isUndef())
 172       continue;
 173     unsigned Reg = MO.getReg();
 174     if (!Reg || isReserved(Reg))
 175       continue;
 176     if (MO.isUse()) {
 177       if (!isUsed(Reg)) {
 178         // Check if it's partial live: e.g.
 179         // D0 = insert_subreg D0<undef>, S0
 180         // ... D0
 181         // The problem is the insert_subreg could be eliminated. The use of
 182         // D0 is using a partially undef value. This is not *incorrect* since
 183         // S1 is can be freely clobbered.
 184         // Ideally we would like a way to model this, but leaving the
 185         // insert_subreg around causes both correctness and performance issues.
 186         bool SubUsed = false;
 187         for (const unsigned *SubRegs = TRI->getSubRegisters(Reg);
 188              unsigned SubReg = *SubRegs; ++SubRegs)
 189           if (isUsed(SubReg)) {
 190             SubUsed = true;
 191             break;
 192           }
 193         assert(SubUsed && "Using an undefined register!");
 194       }
 195       assert((!EarlyClobberRegs.test(Reg) || MI->isRegTiedToDefOperand(i)) &&
 196              "Using an early clobbered register!");
 197     } else {
 198       assert(MO.isDef());
 199 #if 0
 200       // FIXME: Enable this once we've figured out how to correctly transfer
 201       // implicit kills during codegen passes like the coalescer.
 202       assert((KillRegs.test(Reg) || isUnused(Reg) ||
 203               isLiveInButUnusedBefore(Reg, MI, MBB, TRI, MRI)) &&
 204              "Re-defining a live register!");
 205 #endif
 206     }
 207   }
 208
 209   // Commit the changes.
 210   setUnused(KillRegs);
 211   setUnused(DeadRegs);
 212   setUsed(DefRegs);
 213 }
 214
 215 void RegScavenger::getRegsUsed(BitVector &used, bool includeReserved) {
 216   if (includeReserved)
 217     used = ~RegsAvailable;
 218   else
 219     used = ~RegsAvailable & ~ReservedRegs;
 220 }
 221
 222 /// CreateRegClassMask - Set the bits that represent the registers in the
 223 /// TargetRegisterClass.
 224 static void CreateRegClassMask(const TargetRegisterClass *RC, BitVector &Mask) {
 225   for (TargetRegisterClass::iterator I = RC->begin(), E = RC->end(); I != E;
 226        ++I)
 227     Mask.set(*I);
 228 }
 229
 230 unsigned RegScavenger::FindUnusedReg(const TargetRegisterClass *RC) const {
 231   for (TargetRegisterClass::iterator I = RC->begin(), E = RC->end();
 232        I != E; ++I)
 233     if (!isAliasUsed(*I))
 234       return *I;
 235   return 0;
 236 }
 237
 238 /// findSurvivorReg - Return the candidate register that is unused for the
 239 /// longest after MBBI. UseMI is set to the instruction where the search
 240 /// stopped.
 241 ///
 242 /// No more than InstrLimit instructions are inspected.
 243 ///
 244 unsigned RegScavenger::findSurvivorReg(MachineBasicBlock::iterator StartMI,
 245                                        BitVector &Candidates,
 246                                        unsigned InstrLimit,
 247                                        MachineBasicBlock::iterator &UseMI) {
 248   int Survivor = Candidates.find_first();
 249   assert(Survivor > 0 && "No candidates for scavenging");
 250
 251   MachineBasicBlock::iterator ME = MBB->getFirstTerminator();
 252   assert(StartMI != ME && "MI already at terminator");
 253   MachineBasicBlock::iterator RestorePointMI = StartMI;
 254   MachineBasicBlock::iterator MI = StartMI;
 255
 256   bool inVirtLiveRange = false;
 257   for (++MI; InstrLimit > 0 && MI != ME; ++MI, --InstrLimit) {
 258     bool isVirtKillInsn = false;
 259     bool isVirtDefInsn = false;
 260     // Remove any candidates touched by instruction.
 261     for (unsigned i = 0, e = MI->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 262       const MachineOperand &MO = MI->getOperand(i);
 263       if (!MO.isReg() || MO.isUndef() || !MO.getReg())
 264         continue;
 265       if (TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg())) {
 266         if (MO.isDef())
 267           isVirtDefInsn = true;
 268         else if (MO.isKill())
 269           isVirtKillInsn = true;
 270         continue;
 271       }
 272       Candidates.reset(MO.getReg());
 273       for (const unsigned *R = TRI->getAliasSet(MO.getReg()); *R; R++)
 274         Candidates.reset(*R);
 275     }
 276     // If we're not in a virtual reg's live range, this is a valid
 277     // restore point.
 278     if (!inVirtLiveRange) RestorePointMI = MI;
 279
 280     // Update whether we're in the live range of a virtual register
 281     if (isVirtKillInsn) inVirtLiveRange = false;
 282     if (isVirtDefInsn) inVirtLiveRange = true;
 283
 284     // Was our survivor untouched by this instruction?
 285     if (Candidates.test(Survivor))
 286       continue;
 287
 288     // All candidates gone?
 289     if (Candidates.none())
 290       break;
 291
 292     Survivor = Candidates.find_first();
 293   }
 294   // If we ran off the end, that's where we want to restore.
 295   if (MI == ME) RestorePointMI = ME;
 296   assert (RestorePointMI != StartMI &&
 297           "No available scavenger restore location!");
 298
 299   // We ran out of candidates, so stop the search.
 300   UseMI = RestorePointMI;
 301   return Survivor;
 302 }
 303
 304 unsigned RegScavenger::scavengeRegister(const TargetRegisterClass *RC,
 305                                         MachineBasicBlock::iterator I,
 306                                         int SPAdj) {
 307   // Mask off the registers which are not in the TargetRegisterClass.
 308   BitVector Candidates(NumPhysRegs, false);
 309   CreateRegClassMask(RC, Candidates);
 310   // Do not include reserved registers.
 311   Candidates ^= ReservedRegs & Candidates;
 312
 313   // Exclude all the registers being used by the instruction.
 314   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
 315     MachineOperand &MO = I->getOperand(i);
 316     if (MO.isReg() && MO.getReg() != 0 &&
 317         !TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(MO.getReg()))
 318       Candidates.reset(MO.getReg());
 319   }
 320
 321   // Find the register whose use is furthest away.
 322   MachineBasicBlock::iterator UseMI;
 323   unsigned SReg = findSurvivorReg(I, Candidates, 25, UseMI);
 324
 325   // If we found an unused register there is no reason to spill it. We have
 326   // probably found a callee-saved register that has been saved in the
 327   // prologue, but happens to be unused at this point.
 328   if (!isAliasUsed(SReg))
 329     return SReg;
 330
 331   assert(ScavengedReg == 0 &&
 332          "Scavenger slot is live, unable to scavenge another register!");
 333
 334   // Avoid infinite regress
 335   ScavengedReg = SReg;
 336
 337   // If the target knows how to save/restore the register, let it do so;
 338   // otherwise, use the emergency stack spill slot.
 339   if (!TRI->saveScavengerRegister(*MBB, I, UseMI, RC, SReg)) {
 340     // Spill the scavenged register before I.
 341     assert(ScavengingFrameIndex >= 0 &&
 342            "Cannot scavenge register without an emergency spill slot!");
 343     TII->storeRegToStackSlot(*MBB, I, SReg, true, ScavengingFrameIndex, RC);
 344     MachineBasicBlock::iterator II = prior(I);
 345     TRI->eliminateFrameIndex(II, SPAdj, NULL, this);
 346
 347     // Restore the scavenged register before its use (or first terminator).
 348     TII->loadRegFromStackSlot(*MBB, UseMI, SReg, ScavengingFrameIndex, RC);
 349     II = prior(UseMI);
 350     TRI->eliminateFrameIndex(II, SPAdj, NULL, this);
 351   }
 352
 353   ScavengeRestore = prior(UseMI);
 354
 355   // Doing this here leads to infinite regress.
 356   // ScavengedReg = SReg;
 357   ScavengedRC = RC;
 358
 359   return SReg;
 360 }