]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm/include/llvm/CodeGen/MachineTraceMetrics.h
Merge llvm, clang, lld, lldb, compiler-rt and libc++ trunk r321545,
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm / include / llvm / CodeGen / MachineTraceMetrics.h
1 //===- lib/CodeGen/MachineTraceMetrics.h - Super-scalar metrics -*- C++ -*-===//
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 the interface for the MachineTraceMetrics analysis pass
11 // that estimates CPU resource usage and critical data dependency paths through
12 // preferred traces. This is useful for super-scalar CPUs where execution speed
13 // can be limited both by data dependencies and by limited execution resources.
14 //
15 // Out-of-order CPUs will often be executing instructions from multiple basic
16 // blocks at the same time. This makes it difficult to estimate the resource
17 // usage accurately in a single basic block. Resources can be estimated better
18 // by looking at a trace through the current basic block.
19 //
20 // For every block, the MachineTraceMetrics pass will pick a preferred trace
21 // that passes through the block. The trace is chosen based on loop structure,
22 // branch probabilities, and resource usage. The intention is to pick likely
23 // traces that would be the most affected by code transformations.
24 //
25 // It is expensive to compute a full arbitrary trace for every block, so to
26 // save some computations, traces are chosen to be convergent. This means that
27 // if the traces through basic blocks A and B ever cross when moving away from
28 // A and B, they never diverge again. This applies in both directions - If the
29 // traces meet above A and B, they won't diverge when going further back.
30 //
31 // Traces tend to align with loops. The trace through a block in an inner loop
32 // will begin at the loop entry block and end at a back edge. If there are
33 // nested loops, the trace may begin and end at those instead.
34 //
35 // For each trace, we compute the critical path length, which is the number of
36 // cycles required to execute the trace when execution is limited by data
37 // dependencies only. We also compute the resource height, which is the number
38 // of cycles required to execute all instructions in the trace when ignoring
39 // data dependencies.
40 //
41 // Every instruction in the current block has a slack - the number of cycles
42 // execution of the instruction can be delayed without extending the critical
43 // path.
44 //
45 //===----------------------------------------------------------------------===//
46
47 #ifndef LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H
48 #define LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H
49
50 #include "llvm/ADT/SparseSet.h"
51 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
52 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
53 #include "llvm/ADT/None.h"
54 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
55 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
56 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
57 #include "llvm/CodeGen/TargetSchedule.h"
58
59 namespace llvm {
60
61 class AnalysisUsage;
62 class MachineFunction;
63 class MachineInstr;
64 class MachineLoop;
65 class MachineLoopInfo;
66 class MachineRegisterInfo;
67 struct MCSchedClassDesc;
68 class raw_ostream;
69 class TargetInstrInfo;
70 class TargetRegisterInfo;
71
72 // Keep track of physreg data dependencies by recording each live register unit.
73 // Associate each regunit with an instruction operand. Depending on the
74 // direction instructions are scanned, it could be the operand that defined the
75 // regunit, or the highest operand to read the regunit.
76 struct LiveRegUnit {
77   unsigned RegUnit;
78   unsigned Cycle = 0;
79   const MachineInstr *MI = nullptr;
80   unsigned Op = 0;
81
82   unsigned getSparseSetIndex() const { return RegUnit; }
83
84   LiveRegUnit(unsigned RU) : RegUnit(RU) {}
85 };
86
87
88 class MachineTraceMetrics : public MachineFunctionPass {
89   const MachineFunction *MF = nullptr;
90   const TargetInstrInfo *TII = nullptr;
91   const TargetRegisterInfo *TRI = nullptr;
92   const MachineRegisterInfo *MRI = nullptr;
93   const MachineLoopInfo *Loops = nullptr;
94   TargetSchedModel SchedModel;
95
96 public:
97   friend class Ensemble;
98   friend class Trace;
99
100   class Ensemble;
101
102   static char ID;
103
104   MachineTraceMetrics();
105
106   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage&) const override;
107   bool runOnMachineFunction(MachineFunction&) override;
108   void releaseMemory() override;
109   void verifyAnalysis() const override;
110
111   /// Per-basic block information that doesn't depend on the trace through the
112   /// block.
113   struct FixedBlockInfo {
114     /// The number of non-trivial instructions in the block.
115     /// Doesn't count PHI and COPY instructions that are likely to be removed.
116     unsigned InstrCount = ~0u;
117
118     /// True when the block contains calls.
119     bool HasCalls = false;
120
121     FixedBlockInfo() = default;
122
123     /// Returns true when resource information for this block has been computed.
124     bool hasResources() const { return InstrCount != ~0u; }
125
126     /// Invalidate resource information.
127     void invalidate() { InstrCount = ~0u; }
128   };
129
130   /// Get the fixed resource information about MBB. Compute it on demand.
131   const FixedBlockInfo *getResources(const MachineBasicBlock*);
132
133   /// Get the scaled number of cycles used per processor resource in MBB.
134   /// This is an array with SchedModel.getNumProcResourceKinds() entries.
135   /// The getResources() function above must have been called first.
136   ///
137   /// These numbers have already been scaled by SchedModel.getResourceFactor().
138   ArrayRef<unsigned> getProcResourceCycles(unsigned MBBNum) const;
139
140   /// A virtual register or regunit required by a basic block or its trace
141   /// successors.
142   struct LiveInReg {
143     /// The virtual register required, or a register unit.
144     unsigned Reg;
145
146     /// For virtual registers: Minimum height of the defining instruction.
147     /// For regunits: Height of the highest user in the trace.
148     unsigned Height;
149
150     LiveInReg(unsigned Reg, unsigned Height = 0) : Reg(Reg), Height(Height) {}
151   };
152
153   /// Per-basic block information that relates to a specific trace through the
154   /// block. Convergent traces means that only one of these is required per
155   /// block in a trace ensemble.
156   struct TraceBlockInfo {
157     /// Trace predecessor, or NULL for the first block in the trace.
158     /// Valid when hasValidDepth().
159     const MachineBasicBlock *Pred = nullptr;
160
161     /// Trace successor, or NULL for the last block in the trace.
162     /// Valid when hasValidHeight().
163     const MachineBasicBlock *Succ = nullptr;
164
165     /// The block number of the head of the trace. (When hasValidDepth()).
166     unsigned Head;
167
168     /// The block number of the tail of the trace. (When hasValidHeight()).
169     unsigned Tail;
170
171     /// Accumulated number of instructions in the trace above this block.
172     /// Does not include instructions in this block.
173     unsigned InstrDepth = ~0u;
174
175     /// Accumulated number of instructions in the trace below this block.
176     /// Includes instructions in this block.
177     unsigned InstrHeight = ~0u;
178
179     TraceBlockInfo() = default;
180
181     /// Returns true if the depth resources have been computed from the trace
182     /// above this block.
183     bool hasValidDepth() const { return InstrDepth != ~0u; }
184
185     /// Returns true if the height resources have been computed from the trace
186     /// below this block.
187     bool hasValidHeight() const { return InstrHeight != ~0u; }
188
189     /// Invalidate depth resources when some block above this one has changed.
190     void invalidateDepth() { InstrDepth = ~0u; HasValidInstrDepths = false; }
191
192     /// Invalidate height resources when a block below this one has changed.
193     void invalidateHeight() { InstrHeight = ~0u; HasValidInstrHeights = false; }
194
195     /// Assuming that this is a dominator of TBI, determine if it contains
196     /// useful instruction depths. A dominating block can be above the current
197     /// trace head, and any dependencies from such a far away dominator are not
198     /// expected to affect the critical path.
199     ///
200     /// Also returns true when TBI == this.
201     bool isUsefulDominator(const TraceBlockInfo &TBI) const {
202       // The trace for TBI may not even be calculated yet.
203       if (!hasValidDepth() || !TBI.hasValidDepth())
204         return false;
205       // Instruction depths are only comparable if the traces share a head.
206       if (Head != TBI.Head)
207         return false;
208       // It is almost always the case that TBI belongs to the same trace as
209       // this block, but rare convoluted cases involving irreducible control
210       // flow, a dominator may share a trace head without actually being on the
211       // same trace as TBI. This is not a big problem as long as it doesn't
212       // increase the instruction depth.
213       return HasValidInstrDepths && InstrDepth <= TBI.InstrDepth;
214     }
215
216     // Data-dependency-related information. Per-instruction depth and height
217     // are computed from data dependencies in the current trace, using
218     // itinerary data.
219
220     /// Instruction depths have been computed. This implies hasValidDepth().
221     bool HasValidInstrDepths = false;
222
223     /// Instruction heights have been computed. This implies hasValidHeight().
224     bool HasValidInstrHeights = false;
225
226     /// Critical path length. This is the number of cycles in the longest data
227     /// dependency chain through the trace. This is only valid when both
228     /// HasValidInstrDepths and HasValidInstrHeights are set.
229     unsigned CriticalPath;
230
231     /// Live-in registers. These registers are defined above the current block
232     /// and used by this block or a block below it.
233     /// This does not include PHI uses in the current block, but it does
234     /// include PHI uses in deeper blocks.
235     SmallVector<LiveInReg, 4> LiveIns;
236
237     void print(raw_ostream&) const;
238   };
239
240   /// InstrCycles represents the cycle height and depth of an instruction in a
241   /// trace.
242   struct InstrCycles {
243     /// Earliest issue cycle as determined by data dependencies and instruction
244     /// latencies from the beginning of the trace. Data dependencies from
245     /// before the trace are not included.
246     unsigned Depth;
247
248     /// Minimum number of cycles from this instruction is issued to the of the
249     /// trace, as determined by data dependencies and instruction latencies.
250     unsigned Height;
251   };
252
253   /// A trace represents a plausible sequence of executed basic blocks that
254   /// passes through the current basic block one. The Trace class serves as a
255   /// handle to internal cached data structures.
256   class Trace {
257     Ensemble &TE;
258     TraceBlockInfo &TBI;
259
260     unsigned getBlockNum() const { return &TBI - &TE.BlockInfo[0]; }
261
262   public:
263     explicit Trace(Ensemble &te, TraceBlockInfo &tbi) : TE(te), TBI(tbi) {}
264
265     void print(raw_ostream&) const;
266
267     /// Compute the total number of instructions in the trace.
268     unsigned getInstrCount() const {
269       return TBI.InstrDepth + TBI.InstrHeight;
270     }
271
272     /// Return the resource depth of the top/bottom of the trace center block.
273     /// This is the number of cycles required to execute all instructions from
274     /// the trace head to the trace center block. The resource depth only
275     /// considers execution resources, it ignores data dependencies.
276     /// When Bottom is set, instructions in the trace center block are included.
277     unsigned getResourceDepth(bool Bottom) const;
278
279     /// Return the resource length of the trace. This is the number of cycles
280     /// required to execute the instructions in the trace if they were all
281     /// independent, exposing the maximum instruction-level parallelism.
282     ///
283     /// Any blocks in Extrablocks are included as if they were part of the
284     /// trace. Likewise, extra resources required by the specified scheduling
285     /// classes are included. For the caller to account for extra machine
286     /// instructions, it must first resolve each instruction's scheduling class.
287     unsigned getResourceLength(
288         ArrayRef<const MachineBasicBlock *> Extrablocks = None,
289         ArrayRef<const MCSchedClassDesc *> ExtraInstrs = None,
290         ArrayRef<const MCSchedClassDesc *> RemoveInstrs = None) const;
291
292     /// Return the length of the (data dependency) critical path through the
293     /// trace.
294     unsigned getCriticalPath() const { return TBI.CriticalPath; }
295
296     /// Return the depth and height of MI. The depth is only valid for
297     /// instructions in or above the trace center block. The height is only
298     /// valid for instructions in or below the trace center block.
299     InstrCycles getInstrCycles(const MachineInstr &MI) const {
300       return TE.Cycles.lookup(&MI);
301     }
302
303     /// Return the slack of MI. This is the number of cycles MI can be delayed
304     /// before the critical path becomes longer.
305     /// MI must be an instruction in the trace center block.
306     unsigned getInstrSlack(const MachineInstr &MI) const;
307
308     /// Return the Depth of a PHI instruction in a trace center block successor.
309     /// The PHI does not have to be part of the trace.
310     unsigned getPHIDepth(const MachineInstr &PHI) const;
311
312     /// A dependence is useful if the basic block of the defining instruction
313     /// is part of the trace of the user instruction. It is assumed that DefMI
314     /// dominates UseMI (see also isUsefulDominator).
315     bool isDepInTrace(const MachineInstr &DefMI,
316                       const MachineInstr &UseMI) const;
317   };
318
319   /// A trace ensemble is a collection of traces selected using the same
320   /// strategy, for example 'minimum resource height'. There is one trace for
321   /// every block in the function.
322   class Ensemble {
323     friend class Trace;
324
325     SmallVector<TraceBlockInfo, 4> BlockInfo;
326     DenseMap<const MachineInstr*, InstrCycles> Cycles;
327     SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceDepths;
328     SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceHeights;
329
330     void computeTrace(const MachineBasicBlock*);
331     void computeDepthResources(const MachineBasicBlock*);
332     void computeHeightResources(const MachineBasicBlock*);
333     unsigned computeCrossBlockCriticalPath(const TraceBlockInfo&);
334     void computeInstrDepths(const MachineBasicBlock*);
335     void computeInstrHeights(const MachineBasicBlock*);
336     void addLiveIns(const MachineInstr *DefMI, unsigned DefOp,
337                     ArrayRef<const MachineBasicBlock*> Trace);
338
339   protected:
340     MachineTraceMetrics &MTM;
341
342     explicit Ensemble(MachineTraceMetrics*);
343
344     virtual const MachineBasicBlock *pickTracePred(const MachineBasicBlock*) =0;
345     virtual const MachineBasicBlock *pickTraceSucc(const MachineBasicBlock*) =0;
346     const MachineLoop *getLoopFor(const MachineBasicBlock*) const;
347     const TraceBlockInfo *getDepthResources(const MachineBasicBlock*) const;
348     const TraceBlockInfo *getHeightResources(const MachineBasicBlock*) const;
349     ArrayRef<unsigned> getProcResourceDepths(unsigned MBBNum) const;
350     ArrayRef<unsigned> getProcResourceHeights(unsigned MBBNum) const;
351
352   public:
353     virtual ~Ensemble();
354
355     virtual const char *getName() const = 0;
356     void print(raw_ostream&) const;
357     void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
358     void verify() const;
359
360     /// Get the trace that passes through MBB.
361     /// The trace is computed on demand.
362     Trace getTrace(const MachineBasicBlock *MBB);
363
364     /// Updates the depth of an machine instruction, given RegUnits.
365     void updateDepth(TraceBlockInfo &TBI, const MachineInstr&,
366                      SparseSet<LiveRegUnit> &RegUnits);
367     void updateDepth(const MachineBasicBlock *, const MachineInstr&,
368                      SparseSet<LiveRegUnit> &RegUnits);
369
370     /// Updates the depth of the instructions from Start to End.
371     void updateDepths(MachineBasicBlock::iterator Start,
372                       MachineBasicBlock::iterator End,
373                       SparseSet<LiveRegUnit> &RegUnits);
374
375   };
376
377   /// Strategies for selecting traces.
378   enum Strategy {
379     /// Select the trace through a block that has the fewest instructions.
380     TS_MinInstrCount,
381
382     TS_NumStrategies
383   };
384
385   /// Get the trace ensemble representing the given trace selection strategy.
386   /// The returned Ensemble object is owned by the MachineTraceMetrics analysis,
387   /// and valid for the lifetime of the analysis pass.
388   Ensemble *getEnsemble(Strategy);
389
390   /// Invalidate cached information about MBB. This must be called *before* MBB
391   /// is erased, or the CFG is otherwise changed.
392   ///
393   /// This invalidates per-block information about resource usage for MBB only,
394   /// and it invalidates per-trace information for any trace that passes
395   /// through MBB.
396   ///
397   /// Call Ensemble::getTrace() again to update any trace handles.
398   void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
399
400 private:
401   // One entry per basic block, indexed by block number.
402   SmallVector<FixedBlockInfo, 4> BlockInfo;
403
404   // Cycles consumed on each processor resource per block.
405   // The number of processor resource kinds is constant for a given subtarget,
406   // but it is not known at compile time. The number of cycles consumed by
407   // block B on processor resource R is at ProcResourceCycles[B*Kinds + R]
408   // where Kinds = SchedModel.getNumProcResourceKinds().
409   SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceCycles;
410
411   // One ensemble per strategy.
412   Ensemble* Ensembles[TS_NumStrategies];
413
414   // Convert scaled resource usage to a cycle count that can be compared with
415   // latencies.
416   unsigned getCycles(unsigned Scaled) {
417     unsigned Factor = SchedModel.getLatencyFactor();
418     return (Scaled + Factor - 1) / Factor;
419   }
420 };
421
422 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
423                                const MachineTraceMetrics::Trace &Tr) {
424   Tr.print(OS);
425   return OS;
426 }
427
428 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
429                                const MachineTraceMetrics::Ensemble &En) {
430   En.print(OS);
431   return OS;
432 }
433
434 } // end namespace llvm
435
436 #endif // LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H