lib/Target/X86/X86CallFrameOptimization.cpp

   1 //===----- X86CallFrameOptimization.cpp - Optimize x86 call sequences -----===//
   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 defines a pass that optimizes call sequences on x86.
  11 // Currently, it converts movs of function parameters onto the stack into
  12 // pushes. This is beneficial for two main reasons:
  13 // 1) The push instruction encoding is much smaller than an esp-relative mov
  14 // 2) It is possible to push memory arguments directly. So, if the
  15 //    the transformation is preformed pre-reg-alloc, it can help relieve
  16 //    register pressure.
  17 //
  18 //===----------------------------------------------------------------------===//
  19
  20 #include <algorithm>
  21
  22 #include "X86.h"
  23 #include "X86InstrInfo.h"
  24 #include "X86Subtarget.h"
  25 #include "X86MachineFunctionInfo.h"
  26 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
  27 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
  28 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
  29 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
  30 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
  31 #include "llvm/IR/Function.h"
  32 #include "llvm/Support/Debug.h"
  33 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  34 #include "llvm/Target/TargetInstrInfo.h"
  35
  36 using namespace llvm;
  37
  38 #define DEBUG_TYPE "x86-cf-opt"
  39
  40 static cl::opt<bool>
  41     NoX86CFOpt("no-x86-call-frame-opt",
  42                cl::desc("Avoid optimizing x86 call frames for size"),
  43                cl::init(false), cl::Hidden);
  44
  45 namespace {
  46 class X86CallFrameOptimization : public MachineFunctionPass {
  47 public:
  48   X86CallFrameOptimization() : MachineFunctionPass(ID) {}
  49
  50   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
  51
  52 private:
  53   // Information we know about a particular call site
  54   struct CallContext {
  55     CallContext()
  56         : Call(nullptr), SPCopy(nullptr), ExpectedDist(0),
  57           MovVector(4, nullptr), NoStackParams(false), UsePush(false){}
  58
  59     // Actuall call instruction
  60     MachineInstr *Call;
  61
  62     // A copy of the stack pointer
  63     MachineInstr *SPCopy;
  64
  65     // The total displacement of all passed parameters
  66     int64_t ExpectedDist;
  67
  68     // The sequence of movs used to pass the parameters
  69     SmallVector<MachineInstr *, 4> MovVector;
  70
  71     // True if this call site has no stack parameters
  72     bool NoStackParams;
  73
  74     // True of this callsite can use push instructions
  75     bool UsePush;
  76   };
  77
  78   typedef DenseMap<MachineInstr *, CallContext> ContextMap;
  79
  80   bool isLegal(MachineFunction &MF);
  81
  82   bool isProfitable(MachineFunction &MF, ContextMap &CallSeqMap);
  83
  84   void collectCallInfo(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB,
  85                        MachineBasicBlock::iterator I, CallContext &Context);
  86
  87   bool adjustCallSequence(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock::iterator I,
  88                           const CallContext &Context);
  89
  90   MachineInstr *canFoldIntoRegPush(MachineBasicBlock::iterator FrameSetup,
  91                                    unsigned Reg);
  92
  93   enum InstClassification { Convert, Skip, Exit };
  94
  95   InstClassification classifyInstruction(MachineBasicBlock &MBB,
  96                                          MachineBasicBlock::iterator MI,
  97                                          const X86RegisterInfo &RegInfo,
  98                                          DenseSet<unsigned int> &UsedRegs);
  99
 100   const char *getPassName() const override { return "X86 Optimize Call Frame"; }
 101
 102   const TargetInstrInfo *TII;
 103   const TargetFrameLowering *TFL;
 104   const MachineRegisterInfo *MRI;
 105   static char ID;
 106 };
 107
 108 char X86CallFrameOptimization::ID = 0;
 109 }
 110
 111 FunctionPass *llvm::createX86CallFrameOptimization() {
 112   return new X86CallFrameOptimization();
 113 }
 114
 115 // This checks whether the transformation is legal.
 116 // Also returns false in cases where it's potentially legal, but
 117 // we don't even want to try.
 118 bool X86CallFrameOptimization::isLegal(MachineFunction &MF) {
 119   if (NoX86CFOpt.getValue())
 120     return false;
 121
 122   // We currently only support call sequences where *all* parameters.
 123   // are passed on the stack.
 124   // No point in running this in 64-bit mode, since some arguments are
 125   // passed in-register in all common calling conventions, so the pattern
 126   // we're looking for will never match.
 127   const X86Subtarget &STI = MF.getSubtarget<X86Subtarget>();
 128   if (STI.is64Bit())
 129     return false;
 130
 131   // You would expect straight-line code between call-frame setup and
 132   // call-frame destroy. You would be wrong. There are circumstances (e.g.
 133   // CMOV_GR8 expansion of a select that feeds a function call!) where we can
 134   // end up with the setup and the destroy in different basic blocks.
 135   // This is bad, and breaks SP adjustment.
 136   // So, check that all of the frames in the function are closed inside
 137   // the same block, and, for good measure, that there are no nested frames.
 138   unsigned FrameSetupOpcode = TII->getCallFrameSetupOpcode();
 139   unsigned FrameDestroyOpcode = TII->getCallFrameDestroyOpcode();
 140   for (MachineBasicBlock &BB : MF) {
 141     bool InsideFrameSequence = false;
 142     for (MachineInstr &MI : BB) {
 143       if (MI.getOpcode() == FrameSetupOpcode) {
 144         if (InsideFrameSequence)
 145           return false;
 146         InsideFrameSequence = true;
 147       } else if (MI.getOpcode() == FrameDestroyOpcode) {
 148         if (!InsideFrameSequence)
 149           return false;
 150         InsideFrameSequence = false;
 151       }
 152     }
 153
 154     if (InsideFrameSequence)
 155       return false;
 156   }
 157
 158   return true;
 159 }
 160
 161 // Check whether this trasnformation is profitable for a particular
 162 // function - in terms of code size.
 163 bool X86CallFrameOptimization::isProfitable(MachineFunction &MF,
 164   ContextMap &CallSeqMap) {
 165   // This transformation is always a win when we do not expect to have
 166   // a reserved call frame. Under other circumstances, it may be either
 167   // a win or a loss, and requires a heuristic.
 168   bool CannotReserveFrame = MF.getFrameInfo()->hasVarSizedObjects();
 169   if (CannotReserveFrame)
 170     return true;
 171
 172   // Don't do this when not optimizing for size.
 173   if (!MF.getFunction()->optForSize())
 174     return false;
 175
 176   unsigned StackAlign = TFL->getStackAlignment();
 177
 178   int64_t Advantage = 0;
 179   for (auto CC : CallSeqMap) {
 180     // Call sites where no parameters are passed on the stack
 181     // do not affect the cost, since there needs to be no
 182     // stack adjustment.
 183     if (CC.second.NoStackParams)
 184       continue;
 185
 186     if (!CC.second.UsePush) {
 187       // If we don't use pushes for a particular call site,
 188       // we pay for not having a reserved call frame with an
 189       // additional sub/add esp pair. The cost is ~3 bytes per instruction,
 190       // depending on the size of the constant.
 191       // TODO: Callee-pop functions should have a smaller penalty, because
 192       // an add is needed even with a reserved call frame.
 193       Advantage -= 6;
 194     } else {
 195       // We can use pushes. First, account for the fixed costs.
 196       // We'll need a add after the call.
 197       Advantage -= 3;
 198       // If we have to realign the stack, we'll also need and sub before
 199       if (CC.second.ExpectedDist % StackAlign)
 200         Advantage -= 3;
 201       // Now, for each push, we save ~3 bytes. For small constants, we actually,
 202       // save more (up to 5 bytes), but 3 should be a good approximation.
 203       Advantage += (CC.second.ExpectedDist / 4) * 3;
 204     }
 205   }
 206
 207   return (Advantage >= 0);
 208 }
 209
 210 bool X86CallFrameOptimization::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
 211   TII = MF.getSubtarget().getInstrInfo();
 212   TFL = MF.getSubtarget().getFrameLowering();
 213   MRI = &MF.getRegInfo();
 214
 215   if (!isLegal(MF))
 216     return false;
 217
 218   unsigned FrameSetupOpcode = TII->getCallFrameSetupOpcode();
 219
 220   bool Changed = false;
 221
 222   ContextMap CallSeqMap;
 223
 224   for (MachineFunction::iterator BB = MF.begin(), E = MF.end(); BB != E; ++BB)
 225     for (MachineBasicBlock::iterator I = BB->begin(); I != BB->end(); ++I)
 226       if (I->getOpcode() == FrameSetupOpcode) {
 227         CallContext &Context = CallSeqMap[I];
 228         collectCallInfo(MF, *BB, I, Context);
 229       }
 230
 231   if (!isProfitable(MF, CallSeqMap))
 232     return false;
 233
 234   for (auto CC : CallSeqMap)
 235     if (CC.second.UsePush)
 236       Changed |= adjustCallSequence(MF, CC.first, CC.second);
 237
 238   return Changed;
 239 }
 240
 241 X86CallFrameOptimization::InstClassification
 242 X86CallFrameOptimization::classifyInstruction(
 243     MachineBasicBlock &MBB, MachineBasicBlock::iterator MI,
 244     const X86RegisterInfo &RegInfo, DenseSet<unsigned int> &UsedRegs) {
 245   if (MI == MBB.end())
 246     return Exit;
 247
 248   // The instructions we actually care about are movs onto the stack
 249   int Opcode = MI->getOpcode();
 250   if (Opcode == X86::MOV32mi || Opcode == X86::MOV32mr)
 251     return Convert;
 252
 253   // Not all calling conventions have only stack MOVs between the stack
 254   // adjust and the call.
 255
 256   // We want to tolerate other instructions, to cover more cases.
 257   // In particular:
 258   // a) PCrel calls, where we expect an additional COPY of the basereg.
 259   // b) Passing frame-index addresses.
 260   // c) Calling conventions that have inreg parameters. These generate
 261   //    both copies and movs into registers.
 262   // To avoid creating lots of special cases, allow any instruction
 263   // that does not write into memory, does not def or use the stack
 264   // pointer, and does not def any register that was used by a preceding
 265   // push.
 266   // (Reading from memory is allowed, even if referenced through a
 267   // frame index, since these will get adjusted properly in PEI)
 268
 269   // The reason for the last condition is that the pushes can't replace
 270   // the movs in place, because the order must be reversed.
 271   // So if we have a MOV32mr that uses EDX, then an instruction that defs
 272   // EDX, and then the call, after the transformation the push will use
 273   // the modified version of EDX, and not the original one.
 274   // Since we are still in SSA form at this point, we only need to
 275   // make sure we don't clobber any *physical* registers that were
 276   // used by an earlier mov that will become a push.
 277
 278   if (MI->isCall() || MI->mayStore())
 279     return Exit;
 280
 281   for (const MachineOperand &MO : MI->operands()) {
 282     if (!MO.isReg())
 283       continue;
 284     unsigned int Reg = MO.getReg();
 285     if (!RegInfo.isPhysicalRegister(Reg))
 286       continue;
 287     if (RegInfo.regsOverlap(Reg, RegInfo.getStackRegister()))
 288       return Exit;
 289     if (MO.isDef()) {
 290       for (unsigned int U : UsedRegs)
 291         if (RegInfo.regsOverlap(Reg, U))
 292           return Exit;
 293     }
 294   }
 295
 296   return Skip;
 297 }
 298
 299 void X86CallFrameOptimization::collectCallInfo(MachineFunction &MF,
 300                                                MachineBasicBlock &MBB,
 301                                                MachineBasicBlock::iterator I,
 302                                                CallContext &Context) {
 303   // Check that this particular call sequence is amenable to the
 304   // transformation.
 305   const X86RegisterInfo &RegInfo = *static_cast<const X86RegisterInfo *>(
 306                                        MF.getSubtarget().getRegisterInfo());
 307   unsigned FrameDestroyOpcode = TII->getCallFrameDestroyOpcode();
 308
 309   // We expect to enter this at the beginning of a call sequence
 310   assert(I->getOpcode() == TII->getCallFrameSetupOpcode());
 311   MachineBasicBlock::iterator FrameSetup = I++;
 312
 313   // How much do we adjust the stack? This puts an upper bound on
 314   // the number of parameters actually passed on it.
 315   unsigned int MaxAdjust = FrameSetup->getOperand(0).getImm() / 4;
 316
 317   // A zero adjustment means no stack parameters
 318   if (!MaxAdjust) {
 319     Context.NoStackParams = true;
 320     return;
 321   }
 322
 323   // For globals in PIC mode, we can have some LEAs here.
 324   // Ignore them, they don't bother us.
 325   // TODO: Extend this to something that covers more cases.
 326   while (I->getOpcode() == X86::LEA32r)
 327     ++I;
 328
 329   // We expect a copy instruction here.
 330   // TODO: The copy instruction is a lowering artifact.
 331   //       We should also support a copy-less version, where the stack
 332   //       pointer is used directly.
 333   if (!I->isCopy() || !I->getOperand(0).isReg())
 334     return;
 335   Context.SPCopy = I++;
 336
 337   unsigned StackPtr = Context.SPCopy->getOperand(0).getReg();
 338
 339   // Scan the call setup sequence for the pattern we're looking for.
 340   // We only handle a simple case - a sequence of MOV32mi or MOV32mr
 341   // instructions, that push a sequence of 32-bit values onto the stack, with
 342   // no gaps between them.
 343   if (MaxAdjust > 4)
 344     Context.MovVector.resize(MaxAdjust, nullptr);
 345
 346   InstClassification Classification;
 347   DenseSet<unsigned int> UsedRegs;
 348
 349   while ((Classification = classifyInstruction(MBB, I, RegInfo, UsedRegs)) !=
 350          Exit) {
 351     if (Classification == Skip) {
 352       ++I;
 353       continue;
 354     }
 355
 356     // We know the instruction is a MOV32mi/MOV32mr.
 357     // We only want movs of the form:
 358     // movl imm/r32, k(%esp)
 359     // If we run into something else, bail.
 360     // Note that AddrBaseReg may, counter to its name, not be a register,
 361     // but rather a frame index.
 362     // TODO: Support the fi case. This should probably work now that we
 363     // have the infrastructure to track the stack pointer within a call
 364     // sequence.
 365     if (!I->getOperand(X86::AddrBaseReg).isReg() ||
 366         (I->getOperand(X86::AddrBaseReg).getReg() != StackPtr) ||
 367         !I->getOperand(X86::AddrScaleAmt).isImm() ||
 368         (I->getOperand(X86::AddrScaleAmt).getImm() != 1) ||
 369         (I->getOperand(X86::AddrIndexReg).getReg() != X86::NoRegister) ||
 370         (I->getOperand(X86::AddrSegmentReg).getReg() != X86::NoRegister) ||
 371         !I->getOperand(X86::AddrDisp).isImm())
 372       return;
 373
 374     int64_t StackDisp = I->getOperand(X86::AddrDisp).getImm();
 375     assert(StackDisp >= 0 &&
 376            "Negative stack displacement when passing parameters");
 377
 378     // We really don't want to consider the unaligned case.
 379     if (StackDisp % 4)
 380       return;
 381     StackDisp /= 4;
 382
 383     assert((size_t)StackDisp < Context.MovVector.size() &&
 384            "Function call has more parameters than the stack is adjusted for.");
 385
 386     // If the same stack slot is being filled twice, something's fishy.
 387     if (Context.MovVector[StackDisp] != nullptr)
 388       return;
 389     Context.MovVector[StackDisp] = I;
 390
 391     for (const MachineOperand &MO : I->uses()) {
 392       if (!MO.isReg())
 393         continue;
 394       unsigned int Reg = MO.getReg();
 395       if (RegInfo.isPhysicalRegister(Reg))
 396         UsedRegs.insert(Reg);
 397     }
 398
 399     ++I;
 400   }
 401
 402   // We now expect the end of the sequence. If we stopped early,
 403   // or reached the end of the block without finding a call, bail.
 404   if (I == MBB.end() || !I->isCall())
 405     return;
 406
 407   Context.Call = I;
 408   if ((++I)->getOpcode() != FrameDestroyOpcode)
 409     return;
 410
 411   // Now, go through the vector, and see that we don't have any gaps,
 412   // but only a series of 32-bit MOVs.
 413   auto MMI = Context.MovVector.begin(), MME = Context.MovVector.end();
 414   for (; MMI != MME; ++MMI, Context.ExpectedDist += 4)
 415     if (*MMI == nullptr)
 416       break;
 417
 418   // If the call had no parameters, do nothing
 419   if (MMI == Context.MovVector.begin())
 420     return;
 421
 422   // We are either at the last parameter, or a gap.
 423   // Make sure it's not a gap
 424   for (; MMI != MME; ++MMI)
 425     if (*MMI != nullptr)
 426       return;
 427
 428   Context.UsePush = true;
 429   return;
 430 }
 431
 432 bool X86CallFrameOptimization::adjustCallSequence(MachineFunction &MF,
 433                                                   MachineBasicBlock::iterator I,
 434                                                   const CallContext &Context) {
 435   // Ok, we can in fact do the transformation for this call.
 436   // Do not remove the FrameSetup instruction, but adjust the parameters.
 437   // PEI will end up finalizing the handling of this.
 438   MachineBasicBlock::iterator FrameSetup = I;
 439   MachineBasicBlock &MBB = *(I->getParent());
 440   FrameSetup->getOperand(1).setImm(Context.ExpectedDist);
 441
 442   DebugLoc DL = I->getDebugLoc();
 443   // Now, iterate through the vector in reverse order, and replace the movs
 444   // with pushes. MOVmi/MOVmr doesn't have any defs, so no need to
 445   // replace uses.
 446   for (int Idx = (Context.ExpectedDist / 4) - 1; Idx >= 0; --Idx) {
 447     MachineBasicBlock::iterator MOV = *Context.MovVector[Idx];
 448     MachineOperand PushOp = MOV->getOperand(X86::AddrNumOperands);
 449     if (MOV->getOpcode() == X86::MOV32mi) {
 450       unsigned PushOpcode = X86::PUSHi32;
 451       // If the operand is a small (8-bit) immediate, we can use a
 452       // PUSH instruction with a shorter encoding.
 453       // Note that isImm() may fail even though this is a MOVmi, because
 454       // the operand can also be a symbol.
 455       if (PushOp.isImm()) {
 456         int64_t Val = PushOp.getImm();
 457         if (isInt<8>(Val))
 458           PushOpcode = X86::PUSH32i8;
 459       }
 460       BuildMI(MBB, Context.Call, DL, TII->get(PushOpcode)).addOperand(PushOp);
 461     } else {
 462       unsigned int Reg = PushOp.getReg();
 463
 464       // If PUSHrmm is not slow on this target, try to fold the source of the
 465       // push into the instruction.
 466       const X86Subtarget &ST = MF.getSubtarget<X86Subtarget>();
 467       bool SlowPUSHrmm = ST.isAtom() || ST.isSLM();
 468
 469       // Check that this is legal to fold. Right now, we're extremely
 470       // conservative about that.
 471       MachineInstr *DefMov = nullptr;
 472       if (!SlowPUSHrmm && (DefMov = canFoldIntoRegPush(FrameSetup, Reg))) {
 473         MachineInstr *Push =
 474             BuildMI(MBB, Context.Call, DL, TII->get(X86::PUSH32rmm));
 475
 476         unsigned NumOps = DefMov->getDesc().getNumOperands();
 477         for (unsigned i = NumOps - X86::AddrNumOperands; i != NumOps; ++i)
 478           Push->addOperand(DefMov->getOperand(i));
 479
 480         DefMov->eraseFromParent();
 481       } else {
 482         BuildMI(MBB, Context.Call, DL, TII->get(X86::PUSH32r))
 483             .addReg(Reg)
 484             .getInstr();
 485       }
 486     }
 487
 488     MBB.erase(MOV);
 489   }
 490
 491   // The stack-pointer copy is no longer used in the call sequences.
 492   // There should not be any other users, but we can't commit to that, so:
 493   if (MRI->use_empty(Context.SPCopy->getOperand(0).getReg()))
 494     Context.SPCopy->eraseFromParent();
 495
 496   // Once we've done this, we need to make sure PEI doesn't assume a reserved
 497   // frame.
 498   X86MachineFunctionInfo *FuncInfo = MF.getInfo<X86MachineFunctionInfo>();
 499   FuncInfo->setHasPushSequences(true);
 500
 501   return true;
 502 }
 503
 504 MachineInstr *X86CallFrameOptimization::canFoldIntoRegPush(
 505     MachineBasicBlock::iterator FrameSetup, unsigned Reg) {
 506   // Do an extremely restricted form of load folding.
 507   // ISel will often create patterns like:
 508   // movl    4(%edi), %eax
 509   // movl    8(%edi), %ecx
 510   // movl    12(%edi), %edx
 511   // movl    %edx, 8(%esp)
 512   // movl    %ecx, 4(%esp)
 513   // movl    %eax, (%esp)
 514   // call
 515   // Get rid of those with prejudice.
 516   if (!TargetRegisterInfo::isVirtualRegister(Reg))
 517     return nullptr;
 518
 519   // Make sure this is the only use of Reg.
 520   if (!MRI->hasOneNonDBGUse(Reg))
 521     return nullptr;
 522
 523   MachineBasicBlock::iterator DefMI = MRI->getVRegDef(Reg);
 524
 525   // Make sure the def is a MOV from memory.
 526   // If the def is an another block, give up.
 527   if (DefMI->getOpcode() != X86::MOV32rm ||
 528       DefMI->getParent() != FrameSetup->getParent())
 529     return nullptr;
 530
 531   // Make sure we don't have any instructions between DefMI and the
 532   // push that make folding the load illegal.
 533   for (auto I = DefMI; I != FrameSetup; ++I)
 534     if (I->isLoadFoldBarrier())
 535       return nullptr;
 536
 537   return DefMI;
 538 }