]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm-project/llvm/include/llvm/CodeGen/MachineTraceMetrics.h
Merge llvm, clang, compiler-rt, libc++, libunwind, lld, lldb and openmp
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm-project / llvm / include / llvm / CodeGen / MachineTraceMetrics.h
1 //===- lib/CodeGen/MachineTraceMetrics.h - Super-scalar metrics -*- C++ -*-===//
2 //
3 // Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions.
4 // See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information.
5 // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception
6 //
7 //===----------------------------------------------------------------------===//
8 //
9 // This file defines the interface for the MachineTraceMetrics analysis pass
10 // that estimates CPU resource usage and critical data dependency paths through
11 // preferred traces. This is useful for super-scalar CPUs where execution speed
12 // can be limited both by data dependencies and by limited execution resources.
13 //
14 // Out-of-order CPUs will often be executing instructions from multiple basic
15 // blocks at the same time. This makes it difficult to estimate the resource
16 // usage accurately in a single basic block. Resources can be estimated better
17 // by looking at a trace through the current basic block.
18 //
19 // For every block, the MachineTraceMetrics pass will pick a preferred trace
20 // that passes through the block. The trace is chosen based on loop structure,
21 // branch probabilities, and resource usage. The intention is to pick likely
22 // traces that would be the most affected by code transformations.
23 //
24 // It is expensive to compute a full arbitrary trace for every block, so to
25 // save some computations, traces are chosen to be convergent. This means that
26 // if the traces through basic blocks A and B ever cross when moving away from
27 // A and B, they never diverge again. This applies in both directions - If the
28 // traces meet above A and B, they won't diverge when going further back.
29 //
30 // Traces tend to align with loops. The trace through a block in an inner loop
31 // will begin at the loop entry block and end at a back edge. If there are
32 // nested loops, the trace may begin and end at those instead.
33 //
34 // For each trace, we compute the critical path length, which is the number of
35 // cycles required to execute the trace when execution is limited by data
36 // dependencies only. We also compute the resource height, which is the number
37 // of cycles required to execute all instructions in the trace when ignoring
38 // data dependencies.
39 //
40 // Every instruction in the current block has a slack - the number of cycles
41 // execution of the instruction can be delayed without extending the critical
42 // path.
43 //
44 //===----------------------------------------------------------------------===//
45
46 #ifndef LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H
47 #define LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H
48
49 #include "llvm/ADT/SparseSet.h"
50 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
51 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
52 #include "llvm/ADT/None.h"
53 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
54 #include "llvm/CodeGen/MachineBasicBlock.h"
55 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
56 #include "llvm/CodeGen/TargetSchedule.h"
57
58 namespace llvm {
59
60 class AnalysisUsage;
61 class MachineFunction;
62 class MachineInstr;
63 class MachineLoop;
64 class MachineLoopInfo;
65 class MachineRegisterInfo;
66 struct MCSchedClassDesc;
67 class raw_ostream;
68 class TargetInstrInfo;
69 class TargetRegisterInfo;
70
71 // Keep track of physreg data dependencies by recording each live register unit.
72 // Associate each regunit with an instruction operand. Depending on the
73 // direction instructions are scanned, it could be the operand that defined the
74 // regunit, or the highest operand to read the regunit.
75 struct LiveRegUnit {
76   unsigned RegUnit;
77   unsigned Cycle = 0;
78   const MachineInstr *MI = nullptr;
79   unsigned Op = 0;
80
81   unsigned getSparseSetIndex() const { return RegUnit; }
82
83   LiveRegUnit(unsigned RU) : RegUnit(RU) {}
84 };
85
86
87 class MachineTraceMetrics : public MachineFunctionPass {
88   const MachineFunction *MF = nullptr;
89   const TargetInstrInfo *TII = nullptr;
90   const TargetRegisterInfo *TRI = nullptr;
91   const MachineRegisterInfo *MRI = nullptr;
92   const MachineLoopInfo *Loops = nullptr;
93   TargetSchedModel SchedModel;
94
95 public:
96   friend class Ensemble;
97   friend class Trace;
98
99   class Ensemble;
100
101   static char ID;
102
103   MachineTraceMetrics();
104
105   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage&) const override;
106   bool runOnMachineFunction(MachineFunction&) override;
107   void releaseMemory() override;
108   void verifyAnalysis() const override;
109
110   /// Per-basic block information that doesn't depend on the trace through the
111   /// block.
112   struct FixedBlockInfo {
113     /// The number of non-trivial instructions in the block.
114     /// Doesn't count PHI and COPY instructions that are likely to be removed.
115     unsigned InstrCount = ~0u;
116
117     /// True when the block contains calls.
118     bool HasCalls = false;
119
120     FixedBlockInfo() = default;
121
122     /// Returns true when resource information for this block has been computed.
123     bool hasResources() const { return InstrCount != ~0u; }
124
125     /// Invalidate resource information.
126     void invalidate() { InstrCount = ~0u; }
127   };
128
129   /// Get the fixed resource information about MBB. Compute it on demand.
130   const FixedBlockInfo *getResources(const MachineBasicBlock*);
131
132   /// Get the scaled number of cycles used per processor resource in MBB.
133   /// This is an array with SchedModel.getNumProcResourceKinds() entries.
134   /// The getResources() function above must have been called first.
135   ///
136   /// These numbers have already been scaled by SchedModel.getResourceFactor().
137   ArrayRef<unsigned> getProcResourceCycles(unsigned MBBNum) const;
138
139   /// A virtual register or regunit required by a basic block or its trace
140   /// successors.
141   struct LiveInReg {
142     /// The virtual register required, or a register unit.
143     unsigned Reg;
144
145     /// For virtual registers: Minimum height of the defining instruction.
146     /// For regunits: Height of the highest user in the trace.
147     unsigned Height;
148
149     LiveInReg(unsigned Reg, unsigned Height = 0) : Reg(Reg), Height(Height) {}
150   };
151
152   /// Per-basic block information that relates to a specific trace through the
153   /// block. Convergent traces means that only one of these is required per
154   /// block in a trace ensemble.
155   struct TraceBlockInfo {
156     /// Trace predecessor, or NULL for the first block in the trace.
157     /// Valid when hasValidDepth().
158     const MachineBasicBlock *Pred = nullptr;
159
160     /// Trace successor, or NULL for the last block in the trace.
161     /// Valid when hasValidHeight().
162     const MachineBasicBlock *Succ = nullptr;
163
164     /// The block number of the head of the trace. (When hasValidDepth()).
165     unsigned Head;
166
167     /// The block number of the tail of the trace. (When hasValidHeight()).
168     unsigned Tail;
169
170     /// Accumulated number of instructions in the trace above this block.
171     /// Does not include instructions in this block.
172     unsigned InstrDepth = ~0u;
173
174     /// Accumulated number of instructions in the trace below this block.
175     /// Includes instructions in this block.
176     unsigned InstrHeight = ~0u;
177
178     TraceBlockInfo() = default;
179
180     /// Returns true if the depth resources have been computed from the trace
181     /// above this block.
182     bool hasValidDepth() const { return InstrDepth != ~0u; }
183
184     /// Returns true if the height resources have been computed from the trace
185     /// below this block.
186     bool hasValidHeight() const { return InstrHeight != ~0u; }
187
188     /// Invalidate depth resources when some block above this one has changed.
189     void invalidateDepth() { InstrDepth = ~0u; HasValidInstrDepths = false; }
190
191     /// Invalidate height resources when a block below this one has changed.
192     void invalidateHeight() { InstrHeight = ~0u; HasValidInstrHeights = false; }
193
194     /// Assuming that this is a dominator of TBI, determine if it contains
195     /// useful instruction depths. A dominating block can be above the current
196     /// trace head, and any dependencies from such a far away dominator are not
197     /// expected to affect the critical path.
198     ///
199     /// Also returns true when TBI == this.
200     bool isUsefulDominator(const TraceBlockInfo &TBI) const {
201       // The trace for TBI may not even be calculated yet.
202       if (!hasValidDepth() || !TBI.hasValidDepth())
203         return false;
204       // Instruction depths are only comparable if the traces share a head.
205       if (Head != TBI.Head)
206         return false;
207       // It is almost always the case that TBI belongs to the same trace as
208       // this block, but rare convoluted cases involving irreducible control
209       // flow, a dominator may share a trace head without actually being on the
210       // same trace as TBI. This is not a big problem as long as it doesn't
211       // increase the instruction depth.
212       return HasValidInstrDepths && InstrDepth <= TBI.InstrDepth;
213     }
214
215     // Data-dependency-related information. Per-instruction depth and height
216     // are computed from data dependencies in the current trace, using
217     // itinerary data.
218
219     /// Instruction depths have been computed. This implies hasValidDepth().
220     bool HasValidInstrDepths = false;
221
222     /// Instruction heights have been computed. This implies hasValidHeight().
223     bool HasValidInstrHeights = false;
224
225     /// Critical path length. This is the number of cycles in the longest data
226     /// dependency chain through the trace. This is only valid when both
227     /// HasValidInstrDepths and HasValidInstrHeights are set.
228     unsigned CriticalPath;
229
230     /// Live-in registers. These registers are defined above the current block
231     /// and used by this block or a block below it.
232     /// This does not include PHI uses in the current block, but it does
233     /// include PHI uses in deeper blocks.
234     SmallVector<LiveInReg, 4> LiveIns;
235
236     void print(raw_ostream&) const;
237   };
238
239   /// InstrCycles represents the cycle height and depth of an instruction in a
240   /// trace.
241   struct InstrCycles {
242     /// Earliest issue cycle as determined by data dependencies and instruction
243     /// latencies from the beginning of the trace. Data dependencies from
244     /// before the trace are not included.
245     unsigned Depth;
246
247     /// Minimum number of cycles from this instruction is issued to the of the
248     /// trace, as determined by data dependencies and instruction latencies.
249     unsigned Height;
250   };
251
252   /// A trace represents a plausible sequence of executed basic blocks that
253   /// passes through the current basic block one. The Trace class serves as a
254   /// handle to internal cached data structures.
255   class Trace {
256     Ensemble &TE;
257     TraceBlockInfo &TBI;
258
259     unsigned getBlockNum() const { return &TBI - &TE.BlockInfo[0]; }
260
261   public:
262     explicit Trace(Ensemble &te, TraceBlockInfo &tbi) : TE(te), TBI(tbi) {}
263
264     void print(raw_ostream&) const;
265
266     /// Compute the total number of instructions in the trace.
267     unsigned getInstrCount() const {
268       return TBI.InstrDepth + TBI.InstrHeight;
269     }
270
271     /// Return the resource depth of the top/bottom of the trace center block.
272     /// This is the number of cycles required to execute all instructions from
273     /// the trace head to the trace center block. The resource depth only
274     /// considers execution resources, it ignores data dependencies.
275     /// When Bottom is set, instructions in the trace center block are included.
276     unsigned getResourceDepth(bool Bottom) const;
277
278     /// Return the resource length of the trace. This is the number of cycles
279     /// required to execute the instructions in the trace if they were all
280     /// independent, exposing the maximum instruction-level parallelism.
281     ///
282     /// Any blocks in Extrablocks are included as if they were part of the
283     /// trace. Likewise, extra resources required by the specified scheduling
284     /// classes are included. For the caller to account for extra machine
285     /// instructions, it must first resolve each instruction's scheduling class.
286     unsigned getResourceLength(
287         ArrayRef<const MachineBasicBlock *> Extrablocks = None,
288         ArrayRef<const MCSchedClassDesc *> ExtraInstrs = None,
289         ArrayRef<const MCSchedClassDesc *> RemoveInstrs = None) const;
290
291     /// Return the length of the (data dependency) critical path through the
292     /// trace.
293     unsigned getCriticalPath() const { return TBI.CriticalPath; }
294
295     /// Return the depth and height of MI. The depth is only valid for
296     /// instructions in or above the trace center block. The height is only
297     /// valid for instructions in or below the trace center block.
298     InstrCycles getInstrCycles(const MachineInstr &MI) const {
299       return TE.Cycles.lookup(&MI);
300     }
301
302     /// Return the slack of MI. This is the number of cycles MI can be delayed
303     /// before the critical path becomes longer.
304     /// MI must be an instruction in the trace center block.
305     unsigned getInstrSlack(const MachineInstr &MI) const;
306
307     /// Return the Depth of a PHI instruction in a trace center block successor.
308     /// The PHI does not have to be part of the trace.
309     unsigned getPHIDepth(const MachineInstr &PHI) const;
310
311     /// A dependence is useful if the basic block of the defining instruction
312     /// is part of the trace of the user instruction. It is assumed that DefMI
313     /// dominates UseMI (see also isUsefulDominator).
314     bool isDepInTrace(const MachineInstr &DefMI,
315                       const MachineInstr &UseMI) const;
316   };
317
318   /// A trace ensemble is a collection of traces selected using the same
319   /// strategy, for example 'minimum resource height'. There is one trace for
320   /// every block in the function.
321   class Ensemble {
322     friend class Trace;
323
324     SmallVector<TraceBlockInfo, 4> BlockInfo;
325     DenseMap<const MachineInstr*, InstrCycles> Cycles;
326     SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceDepths;
327     SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceHeights;
328
329     void computeTrace(const MachineBasicBlock*);
330     void computeDepthResources(const MachineBasicBlock*);
331     void computeHeightResources(const MachineBasicBlock*);
332     unsigned computeCrossBlockCriticalPath(const TraceBlockInfo&);
333     void computeInstrDepths(const MachineBasicBlock*);
334     void computeInstrHeights(const MachineBasicBlock*);
335     void addLiveIns(const MachineInstr *DefMI, unsigned DefOp,
336                     ArrayRef<const MachineBasicBlock*> Trace);
337
338   protected:
339     MachineTraceMetrics &MTM;
340
341     explicit Ensemble(MachineTraceMetrics*);
342
343     virtual const MachineBasicBlock *pickTracePred(const MachineBasicBlock*) =0;
344     virtual const MachineBasicBlock *pickTraceSucc(const MachineBasicBlock*) =0;
345     const MachineLoop *getLoopFor(const MachineBasicBlock*) const;
346     const TraceBlockInfo *getDepthResources(const MachineBasicBlock*) const;
347     const TraceBlockInfo *getHeightResources(const MachineBasicBlock*) const;
348     ArrayRef<unsigned> getProcResourceDepths(unsigned MBBNum) const;
349     ArrayRef<unsigned> getProcResourceHeights(unsigned MBBNum) const;
350
351   public:
352     virtual ~Ensemble();
353
354     virtual const char *getName() const = 0;
355     void print(raw_ostream&) const;
356     void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
357     void verify() const;
358
359     /// Get the trace that passes through MBB.
360     /// The trace is computed on demand.
361     Trace getTrace(const MachineBasicBlock *MBB);
362
363     /// Updates the depth of an machine instruction, given RegUnits.
364     void updateDepth(TraceBlockInfo &TBI, const MachineInstr&,
365                      SparseSet<LiveRegUnit> &RegUnits);
366     void updateDepth(const MachineBasicBlock *, const MachineInstr&,
367                      SparseSet<LiveRegUnit> &RegUnits);
368
369     /// Updates the depth of the instructions from Start to End.
370     void updateDepths(MachineBasicBlock::iterator Start,
371                       MachineBasicBlock::iterator End,
372                       SparseSet<LiveRegUnit> &RegUnits);
373
374   };
375
376   /// Strategies for selecting traces.
377   enum Strategy {
378     /// Select the trace through a block that has the fewest instructions.
379     TS_MinInstrCount,
380
381     TS_NumStrategies
382   };
383
384   /// Get the trace ensemble representing the given trace selection strategy.
385   /// The returned Ensemble object is owned by the MachineTraceMetrics analysis,
386   /// and valid for the lifetime of the analysis pass.
387   Ensemble *getEnsemble(Strategy);
388
389   /// Invalidate cached information about MBB. This must be called *before* MBB
390   /// is erased, or the CFG is otherwise changed.
391   ///
392   /// This invalidates per-block information about resource usage for MBB only,
393   /// and it invalidates per-trace information for any trace that passes
394   /// through MBB.
395   ///
396   /// Call Ensemble::getTrace() again to update any trace handles.
397   void invalidate(const MachineBasicBlock *MBB);
398
399 private:
400   // One entry per basic block, indexed by block number.
401   SmallVector<FixedBlockInfo, 4> BlockInfo;
402
403   // Cycles consumed on each processor resource per block.
404   // The number of processor resource kinds is constant for a given subtarget,
405   // but it is not known at compile time. The number of cycles consumed by
406   // block B on processor resource R is at ProcResourceCycles[B*Kinds + R]
407   // where Kinds = SchedModel.getNumProcResourceKinds().
408   SmallVector<unsigned, 0> ProcResourceCycles;
409
410   // One ensemble per strategy.
411   Ensemble* Ensembles[TS_NumStrategies];
412
413   // Convert scaled resource usage to a cycle count that can be compared with
414   // latencies.
415   unsigned getCycles(unsigned Scaled) {
416     unsigned Factor = SchedModel.getLatencyFactor();
417     return (Scaled + Factor - 1) / Factor;
418   }
419 };
420
421 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
422                                const MachineTraceMetrics::Trace &Tr) {
423   Tr.print(OS);
424   return OS;
425 }
426
427 inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS,
428                                const MachineTraceMetrics::Ensemble &En) {
429   En.print(OS);
430   return OS;
431 }
432
433 } // end namespace llvm
434
435 #endif // LLVM_CODEGEN_MACHINETRACEMETRICS_H