lib/CodeGen/SelectionDAG/ScheduleDAGList.cpp

   1 //===---- ScheduleDAGList.cpp - Implement a list scheduler for isel DAG ---===//
   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 implements a top-down list scheduler, using standard algorithms.
  11 // The basic approach uses a priority queue of available nodes to schedule.
  12 // One at a time, nodes are taken from the priority queue (thus in priority
  13 // order), checked for legality to schedule, and emitted if legal.
  14 //
  15 // Nodes may not be legal to schedule either due to structural hazards (e.g.
  16 // pipeline or resource constraints) or because an input to the instruction has
  17 // not completed execution.
  18 //
  19 //===----------------------------------------------------------------------===//
  20
  21 #define DEBUG_TYPE "pre-RA-sched"
  22 #include "llvm/CodeGen/ScheduleDAG.h"
  23 #include "llvm/CodeGen/SchedulerRegistry.h"
  24 #include "llvm/CodeGen/SelectionDAGISel.h"
  25 #include "llvm/Target/TargetRegisterInfo.h"
  26 #include "llvm/Target/TargetData.h"
  27 #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
  28 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  29 #include "llvm/Support/Debug.h"
  30 #include "llvm/Support/Compiler.h"
  31 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  32 #include <climits>
  33 #include <queue>
  34 using namespace llvm;
  35
  36 STATISTIC(NumNoops , "Number of noops inserted");
  37 STATISTIC(NumStalls, "Number of pipeline stalls");
  38
  39 static RegisterScheduler
  40   tdListDAGScheduler("list-td", "  Top-down list scheduler",
  41                      createTDListDAGScheduler);
  42
  43 namespace {
  44 //===----------------------------------------------------------------------===//
  45 /// ScheduleDAGList - The actual list scheduler implementation.  This supports
  46 /// top-down scheduling.
  47 ///
  48 class VISIBILITY_HIDDEN ScheduleDAGList : public ScheduleDAG {
  49 private:
  50   /// AvailableQueue - The priority queue to use for the available SUnits.
  51   ///
  52   SchedulingPriorityQueue *AvailableQueue;
  53
  54   /// PendingQueue - This contains all of the instructions whose operands have
  55   /// been issued, but their results are not ready yet (due to the latency of
  56   /// the operation).  Once the operands becomes available, the instruction is
  57   /// added to the AvailableQueue.  This keeps track of each SUnit and the
  58   /// number of cycles left to execute before the operation is available.
  59   std::vector<std::pair<unsigned, SUnit*> > PendingQueue;
  60
  61   /// HazardRec - The hazard recognizer to use.
  62   HazardRecognizer *HazardRec;
  63
  64 public:
  65   ScheduleDAGList(SelectionDAG &dag, MachineBasicBlock *bb,
  66                   const TargetMachine &tm,
  67                   SchedulingPriorityQueue *availqueue,
  68                   HazardRecognizer *HR)
  69     : ScheduleDAG(dag, bb, tm),
  70       AvailableQueue(availqueue), HazardRec(HR) {
  71     }
  72
  73   ~ScheduleDAGList() {
  74     delete HazardRec;
  75     delete AvailableQueue;
  76   }
  77
  78   void Schedule();
  79
  80 private:
  81   void ReleaseSucc(SUnit *SuccSU, bool isChain);
  82   void ScheduleNodeTopDown(SUnit *SU, unsigned CurCycle);
  83   void ListScheduleTopDown();
  84 };
  85 }  // end anonymous namespace
  86
  87 HazardRecognizer::~HazardRecognizer() {}
  88
  89
  90 /// Schedule - Schedule the DAG using list scheduling.
  91 void ScheduleDAGList::Schedule() {
  92   DOUT << "********** List Scheduling **********\n";
  93
  94   // Build scheduling units.
  95   BuildSchedUnits();
  96
  97   AvailableQueue->initNodes(SUnits);
  98
  99   ListScheduleTopDown();
 100
 101   AvailableQueue->releaseState();
 102
 103   DOUT << "*** Final schedule ***\n";
 104   DEBUG(dumpSchedule());
 105   DOUT << "\n";
 106
 107   // Emit in scheduled order
 108   EmitSchedule();
 109 }
 110
 111 //===----------------------------------------------------------------------===//
 112 //  Top-Down Scheduling
 113 //===----------------------------------------------------------------------===//
 114
 115 /// ReleaseSucc - Decrement the NumPredsLeft count of a successor. Add it to
 116 /// the PendingQueue if the count reaches zero.
 117 void ScheduleDAGList::ReleaseSucc(SUnit *SuccSU, bool isChain) {
 118   SuccSU->NumPredsLeft--;
 119
 120   assert(SuccSU->NumPredsLeft >= 0 &&
 121          "List scheduling internal error");
 122
 123   if (SuccSU->NumPredsLeft == 0) {
 124     // Compute how many cycles it will be before this actually becomes
 125     // available.  This is the max of the start time of all predecessors plus
 126     // their latencies.
 127     unsigned AvailableCycle = 0;
 128     for (SUnit::pred_iterator I = SuccSU->Preds.begin(),
 129          E = SuccSU->Preds.end(); I != E; ++I) {
 130       // If this is a token edge, we don't need to wait for the latency of the
 131       // preceeding instruction (e.g. a long-latency load) unless there is also
 132       // some other data dependence.
 133       SUnit &Pred = *I->Dep;
 134       unsigned PredDoneCycle = Pred.Cycle;
 135       if (!I->isCtrl)
 136         PredDoneCycle += Pred.Latency;
 137       else if (Pred.Latency)
 138         PredDoneCycle += 1;
 139
 140       AvailableCycle = std::max(AvailableCycle, PredDoneCycle);
 141     }
 142
 143     PendingQueue.push_back(std::make_pair(AvailableCycle, SuccSU));
 144   }
 145 }
 146
 147 /// ScheduleNodeTopDown - Add the node to the schedule. Decrement the pending
 148 /// count of its successors. If a successor pending count is zero, add it to
 149 /// the Available queue.
 150 void ScheduleDAGList::ScheduleNodeTopDown(SUnit *SU, unsigned CurCycle) {
 151   DOUT << "*** Scheduling [" << CurCycle << "]: ";
 152   DEBUG(SU->dump(&DAG));
 153
 154   Sequence.push_back(SU);
 155   SU->Cycle = CurCycle;
 156
 157   // Bottom up: release successors.
 158   for (SUnit::succ_iterator I = SU->Succs.begin(), E = SU->Succs.end();
 159        I != E; ++I)
 160     ReleaseSucc(I->Dep, I->isCtrl);
 161 }
 162
 163 /// ListScheduleTopDown - The main loop of list scheduling for top-down
 164 /// schedulers.
 165 void ScheduleDAGList::ListScheduleTopDown() {
 166   unsigned CurCycle = 0;
 167
 168   // All leaves to Available queue.
 169   for (unsigned i = 0, e = SUnits.size(); i != e; ++i) {
 170     // It is available if it has no predecessors.
 171     if (SUnits[i].Preds.empty()) {
 172       AvailableQueue->push(&SUnits[i]);
 173       SUnits[i].isAvailable = SUnits[i].isPending = true;
 174     }
 175   }
 176
 177   // While Available queue is not empty, grab the node with the highest
 178   // priority. If it is not ready put it back.  Schedule the node.
 179   std::vector<SUnit*> NotReady;
 180   Sequence.reserve(SUnits.size());
 181   while (!AvailableQueue->empty() || !PendingQueue.empty()) {
 182     // Check to see if any of the pending instructions are ready to issue.  If
 183     // so, add them to the available queue.
 184     for (unsigned i = 0, e = PendingQueue.size(); i != e; ++i) {
 185       if (PendingQueue[i].first == CurCycle) {
 186         AvailableQueue->push(PendingQueue[i].second);
 187         PendingQueue[i].second->isAvailable = true;
 188         PendingQueue[i] = PendingQueue.back();
 189         PendingQueue.pop_back();
 190         --i; --e;
 191       } else {
 192         assert(PendingQueue[i].first > CurCycle && "Negative latency?");
 193       }
 194     }
 195
 196     // If there are no instructions available, don't try to issue anything, and
 197     // don't advance the hazard recognizer.
 198     if (AvailableQueue->empty()) {
 199       ++CurCycle;
 200       continue;
 201     }
 202
 203     SUnit *FoundSUnit = 0;
 204     SDNode *FoundNode = 0;
 205
 206     bool HasNoopHazards = false;
 207     while (!AvailableQueue->empty()) {
 208       SUnit *CurSUnit = AvailableQueue->pop();
 209
 210       // Get the node represented by this SUnit.
 211       FoundNode = CurSUnit->Node;
 212
 213       // If this is a pseudo op, like copyfromreg, look to see if there is a
 214       // real target node flagged to it.  If so, use the target node.
 215       for (unsigned i = 0, e = CurSUnit->FlaggedNodes.size();
 216            FoundNode->getOpcode() < ISD::BUILTIN_OP_END && i != e; ++i)
 217         FoundNode = CurSUnit->FlaggedNodes[i];
 218
 219       HazardRecognizer::HazardType HT = HazardRec->getHazardType(FoundNode);
 220       if (HT == HazardRecognizer::NoHazard) {
 221         FoundSUnit = CurSUnit;
 222         break;
 223       }
 224
 225       // Remember if this is a noop hazard.
 226       HasNoopHazards |= HT == HazardRecognizer::NoopHazard;
 227
 228       NotReady.push_back(CurSUnit);
 229     }
 230
 231     // Add the nodes that aren't ready back onto the available list.
 232     if (!NotReady.empty()) {
 233       AvailableQueue->push_all(NotReady);
 234       NotReady.clear();
 235     }
 236
 237     // If we found a node to schedule, do it now.
 238     if (FoundSUnit) {
 239       ScheduleNodeTopDown(FoundSUnit, CurCycle);
 240       HazardRec->EmitInstruction(FoundNode);
 241       FoundSUnit->isScheduled = true;
 242       AvailableQueue->ScheduledNode(FoundSUnit);
 243
 244       // If this is a pseudo-op node, we don't want to increment the current
 245       // cycle.
 246       if (FoundSUnit->Latency)  // Don't increment CurCycle for pseudo-ops!
 247         ++CurCycle;
 248     } else if (!HasNoopHazards) {
 249       // Otherwise, we have a pipeline stall, but no other problem, just advance
 250       // the current cycle and try again.
 251       DOUT << "*** Advancing cycle, no work to do\n";
 252       HazardRec->AdvanceCycle();
 253       ++NumStalls;
 254       ++CurCycle;
 255     } else {
 256       // Otherwise, we have no instructions to issue and we have instructions
 257       // that will fault if we don't do this right.  This is the case for
 258       // processors without pipeline interlocks and other cases.
 259       DOUT << "*** Emitting noop\n";
 260       HazardRec->EmitNoop();
 261       Sequence.push_back(0);   // NULL SUnit* -> noop
 262       ++NumNoops;
 263       ++CurCycle;
 264     }
 265   }
 266
 267 #ifndef NDEBUG
 268   // Verify that all SUnits were scheduled.
 269   bool AnyNotSched = false;
 270   for (unsigned i = 0, e = SUnits.size(); i != e; ++i) {
 271     if (SUnits[i].NumPredsLeft != 0) {
 272       if (!AnyNotSched)
 273         cerr << "*** List scheduling failed! ***\n";
 274       SUnits[i].dump(&DAG);
 275       cerr << "has not been scheduled!\n";
 276       AnyNotSched = true;
 277     }
 278   }
 279   assert(!AnyNotSched);
 280 #endif
 281 }
 282
 283 //===----------------------------------------------------------------------===//
 284 //                    LatencyPriorityQueue Implementation
 285 //===----------------------------------------------------------------------===//
 286 //
 287 // This is a SchedulingPriorityQueue that schedules using latency information to
 288 // reduce the length of the critical path through the basic block.
 289 //
 290 namespace {
 291   class LatencyPriorityQueue;
 292
 293   /// Sorting functions for the Available queue.
 294   struct latency_sort : public std::binary_function<SUnit*, SUnit*, bool> {
 295     LatencyPriorityQueue *PQ;
 296     latency_sort(LatencyPriorityQueue *pq) : PQ(pq) {}
 297     latency_sort(const latency_sort &RHS) : PQ(RHS.PQ) {}
 298
 299     bool operator()(const SUnit* left, const SUnit* right) const;
 300   };
 301 }  // end anonymous namespace
 302
 303 namespace {
 304   class LatencyPriorityQueue : public SchedulingPriorityQueue {
 305     // SUnits - The SUnits for the current graph.
 306     std::vector<SUnit> *SUnits;
 307
 308     // Latencies - The latency (max of latency from this node to the bb exit)
 309     // for each node.
 310     std::vector<int> Latencies;
 311
 312     /// NumNodesSolelyBlocking - This vector contains, for every node in the
 313     /// Queue, the number of nodes that the node is the sole unscheduled
 314     /// predecessor for.  This is used as a tie-breaker heuristic for better
 315     /// mobility.
 316     std::vector<unsigned> NumNodesSolelyBlocking;
 317
 318     std::priority_queue<SUnit*, std::vector<SUnit*>, latency_sort> Queue;
 319 public:
 320     LatencyPriorityQueue() : Queue(latency_sort(this)) {
 321     }
 322
 323     void initNodes(std::vector<SUnit> &sunits) {
 324       SUnits = &sunits;
 325       // Calculate node priorities.
 326       CalculatePriorities();
 327     }
 328
 329     void addNode(const SUnit *SU) {
 330       Latencies.resize(SUnits->size(), -1);
 331       NumNodesSolelyBlocking.resize(SUnits->size(), 0);
 332       CalcLatency(*SU);
 333     }
 334
 335     void updateNode(const SUnit *SU) {
 336       Latencies[SU->NodeNum] = -1;
 337       CalcLatency(*SU);
 338     }
 339
 340     void releaseState() {
 341       SUnits = 0;
 342       Latencies.clear();
 343     }
 344
 345     unsigned getLatency(unsigned NodeNum) const {
 346       assert(NodeNum < Latencies.size());
 347       return Latencies[NodeNum];
 348     }
 349
 350     unsigned getNumSolelyBlockNodes(unsigned NodeNum) const {
 351       assert(NodeNum < NumNodesSolelyBlocking.size());
 352       return NumNodesSolelyBlocking[NodeNum];
 353     }
 354
 355     unsigned size() const { return Queue.size(); }
 356
 357     bool empty() const { return Queue.empty(); }
 358
 359     virtual void push(SUnit *U) {
 360       push_impl(U);
 361     }
 362     void push_impl(SUnit *U);
 363
 364     void push_all(const std::vector<SUnit *> &Nodes) {
 365       for (unsigned i = 0, e = Nodes.size(); i != e; ++i)
 366         push_impl(Nodes[i]);
 367     }
 368
 369     SUnit *pop() {
 370       if (empty()) return NULL;
 371       SUnit *V = Queue.top();
 372       Queue.pop();
 373       return V;
 374     }
 375
 376     /// remove - This is a really inefficient way to remove a node from a
 377     /// priority queue.  We should roll our own heap to make this better or
 378     /// something.
 379     void remove(SUnit *SU) {
 380       std::vector<SUnit*> Temp;
 381
 382       assert(!Queue.empty() && "Not in queue!");
 383       while (Queue.top() != SU) {
 384         Temp.push_back(Queue.top());
 385         Queue.pop();
 386         assert(!Queue.empty() && "Not in queue!");
 387       }
 388
 389       // Remove the node from the PQ.
 390       Queue.pop();
 391
 392       // Add all the other nodes back.
 393       for (unsigned i = 0, e = Temp.size(); i != e; ++i)
 394         Queue.push(Temp[i]);
 395     }
 396
 397     // ScheduledNode - As nodes are scheduled, we look to see if there are any
 398     // successor nodes that have a single unscheduled predecessor.  If so, that
 399     // single predecessor has a higher priority, since scheduling it will make
 400     // the node available.
 401     void ScheduledNode(SUnit *Node);
 402
 403 private:
 404     void CalculatePriorities();
 405     int CalcLatency(const SUnit &SU);
 406     void AdjustPriorityOfUnscheduledPreds(SUnit *SU);
 407     SUnit *getSingleUnscheduledPred(SUnit *SU);
 408   };
 409 }
 410
 411 bool latency_sort::operator()(const SUnit *LHS, const SUnit *RHS) const {
 412   unsigned LHSNum = LHS->NodeNum;
 413   unsigned RHSNum = RHS->NodeNum;
 414
 415   // The most important heuristic is scheduling the critical path.
 416   unsigned LHSLatency = PQ->getLatency(LHSNum);
 417   unsigned RHSLatency = PQ->getLatency(RHSNum);
 418   if (LHSLatency < RHSLatency) return true;
 419   if (LHSLatency > RHSLatency) return false;
 420
 421   // After that, if two nodes have identical latencies, look to see if one will
 422   // unblock more other nodes than the other.
 423   unsigned LHSBlocked = PQ->getNumSolelyBlockNodes(LHSNum);
 424   unsigned RHSBlocked = PQ->getNumSolelyBlockNodes(RHSNum);
 425   if (LHSBlocked < RHSBlocked) return true;
 426   if (LHSBlocked > RHSBlocked) return false;
 427
 428   // Finally, just to provide a stable ordering, use the node number as a
 429   // deciding factor.
 430   return LHSNum < RHSNum;
 431 }
 432
 433
 434 /// CalcNodePriority - Calculate the maximal path from the node to the exit.
 435 ///
 436 int LatencyPriorityQueue::CalcLatency(const SUnit &SU) {
 437   int &Latency = Latencies[SU.NodeNum];
 438   if (Latency != -1)
 439     return Latency;
 440
 441   std::vector<const SUnit*> WorkList;
 442   WorkList.push_back(&SU);
 443   while (!WorkList.empty()) {
 444     const SUnit *Cur = WorkList.back();
 445     bool AllDone = true;
 446     int MaxSuccLatency = 0;
 447     for (SUnit::const_succ_iterator I = Cur->Succs.begin(),E = Cur->Succs.end();
 448          I != E; ++I) {
 449       int SuccLatency = Latencies[I->Dep->NodeNum];
 450       if (SuccLatency == -1) {
 451         AllDone = false;
 452         WorkList.push_back(I->Dep);
 453       } else {
 454         MaxSuccLatency = std::max(MaxSuccLatency, SuccLatency);
 455       }
 456     }
 457     if (AllDone) {
 458       Latencies[Cur->NodeNum] = MaxSuccLatency + Cur->Latency;
 459       WorkList.pop_back();
 460     }
 461   }
 462
 463   return Latency;
 464 }
 465
 466 /// CalculatePriorities - Calculate priorities of all scheduling units.
 467 void LatencyPriorityQueue::CalculatePriorities() {
 468   Latencies.assign(SUnits->size(), -1);
 469   NumNodesSolelyBlocking.assign(SUnits->size(), 0);
 470
 471   // For each node, calculate the maximal path from the node to the exit.
 472   std::vector<std::pair<const SUnit*, unsigned> > WorkList;
 473   for (unsigned i = 0, e = SUnits->size(); i != e; ++i) {
 474     const SUnit *SU = &(*SUnits)[i];
 475     if (SU->Succs.empty())
 476       WorkList.push_back(std::make_pair(SU, 0U));
 477   }
 478
 479   while (!WorkList.empty()) {
 480     const SUnit *SU = WorkList.back().first;
 481     unsigned SuccLat = WorkList.back().second;
 482     WorkList.pop_back();
 483     int &Latency = Latencies[SU->NodeNum];
 484     if (Latency == -1 || (SU->Latency + SuccLat) > (unsigned)Latency) {
 485       Latency = SU->Latency + SuccLat;
 486       for (SUnit::const_pred_iterator I = SU->Preds.begin(),E = SU->Preds.end();
 487            I != E; ++I)
 488         WorkList.push_back(std::make_pair(I->Dep, Latency));
 489     }
 490   }
 491 }
 492
 493 /// getSingleUnscheduledPred - If there is exactly one unscheduled predecessor
 494 /// of SU, return it, otherwise return null.
 495 SUnit *LatencyPriorityQueue::getSingleUnscheduledPred(SUnit *SU) {
 496   SUnit *OnlyAvailablePred = 0;
 497   for (SUnit::const_pred_iterator I = SU->Preds.begin(), E = SU->Preds.end();
 498        I != E; ++I) {
 499     SUnit &Pred = *I->Dep;
 500     if (!Pred.isScheduled) {
 501       // We found an available, but not scheduled, predecessor.  If it's the
 502       // only one we have found, keep track of it... otherwise give up.
 503       if (OnlyAvailablePred && OnlyAvailablePred != &Pred)
 504         return 0;
 505       OnlyAvailablePred = &Pred;
 506     }
 507   }
 508
 509   return OnlyAvailablePred;
 510 }
 511
 512 void LatencyPriorityQueue::push_impl(SUnit *SU) {
 513   // Look at all of the successors of this node.  Count the number of nodes that
 514   // this node is the sole unscheduled node for.
 515   unsigned NumNodesBlocking = 0;
 516   for (SUnit::const_succ_iterator I = SU->Succs.begin(), E = SU->Succs.end();
 517        I != E; ++I)
 518     if (getSingleUnscheduledPred(I->Dep) == SU)
 519       ++NumNodesBlocking;
 520   NumNodesSolelyBlocking[SU->NodeNum] = NumNodesBlocking;
 521
 522   Queue.push(SU);
 523 }
 524
 525
 526 // ScheduledNode - As nodes are scheduled, we look to see if there are any
 527 // successor nodes that have a single unscheduled predecessor.  If so, that
 528 // single predecessor has a higher priority, since scheduling it will make
 529 // the node available.
 530 void LatencyPriorityQueue::ScheduledNode(SUnit *SU) {
 531   for (SUnit::const_succ_iterator I = SU->Succs.begin(), E = SU->Succs.end();
 532        I != E; ++I)
 533     AdjustPriorityOfUnscheduledPreds(I->Dep);
 534 }
 535
 536 /// AdjustPriorityOfUnscheduledPreds - One of the predecessors of SU was just
 537 /// scheduled.  If SU is not itself available, then there is at least one
 538 /// predecessor node that has not been scheduled yet.  If SU has exactly ONE
 539 /// unscheduled predecessor, we want to increase its priority: it getting
 540 /// scheduled will make this node available, so it is better than some other
 541 /// node of the same priority that will not make a node available.
 542 void LatencyPriorityQueue::AdjustPriorityOfUnscheduledPreds(SUnit *SU) {
 543   if (SU->isPending) return;  // All preds scheduled.
 544
 545   SUnit *OnlyAvailablePred = getSingleUnscheduledPred(SU);
 546   if (OnlyAvailablePred == 0 || !OnlyAvailablePred->isAvailable) return;
 547
 548   // Okay, we found a single predecessor that is available, but not scheduled.
 549   // Since it is available, it must be in the priority queue.  First remove it.
 550   remove(OnlyAvailablePred);
 551
 552   // Reinsert the node into the priority queue, which recomputes its
 553   // NumNodesSolelyBlocking value.
 554   push(OnlyAvailablePred);
 555 }
 556
 557
 558 //===----------------------------------------------------------------------===//
 559 //                         Public Constructor Functions
 560 //===----------------------------------------------------------------------===//
 561
 562 /// createTDListDAGScheduler - This creates a top-down list scheduler with a
 563 /// new hazard recognizer. This scheduler takes ownership of the hazard
 564 /// recognizer and deletes it when done.
 565 ScheduleDAG* llvm::createTDListDAGScheduler(SelectionDAGISel *IS,
 566                                             SelectionDAG *DAG,
 567                                             MachineBasicBlock *BB) {
 568   return new ScheduleDAGList(*DAG, BB, DAG->getTarget(),
 569                              new LatencyPriorityQueue(),
 570                              IS->CreateTargetHazardRecognizer());
 571 }