]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - contrib/llvm-project/llvm/lib/Target/X86/X86FixupBWInsts.cpp
Merge llvm, clang, compiler-rt, libc++, libunwind, lld, lldb and openmp
[FreeBSD/FreeBSD.git] / contrib / llvm-project / llvm / lib / Target / X86 / X86FixupBWInsts.cpp
1 //===-- X86FixupBWInsts.cpp - Fixup Byte or Word instructions -----------===//
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 /// \file
9 /// This file defines the pass that looks through the machine instructions
10 /// late in the compilation, and finds byte or word instructions that
11 /// can be profitably replaced with 32 bit instructions that give equivalent
12 /// results for the bits of the results that are used. There are two possible
13 /// reasons to do this.
14 ///
15 /// One reason is to avoid false-dependences on the upper portions
16 /// of the registers.  Only instructions that have a destination register
17 /// which is not in any of the source registers can be affected by this.
18 /// Any instruction where one of the source registers is also the destination
19 /// register is unaffected, because it has a true dependence on the source
20 /// register already.  So, this consideration primarily affects load
21 /// instructions and register-to-register moves.  It would
22 /// seem like cmov(s) would also be affected, but because of the way cmov is
23 /// really implemented by most machines as reading both the destination and
24 /// and source registers, and then "merging" the two based on a condition,
25 /// it really already should be considered as having a true dependence on the
26 /// destination register as well.
27 ///
28 /// The other reason to do this is for potential code size savings.  Word
29 /// operations need an extra override byte compared to their 32 bit
30 /// versions. So this can convert many word operations to their larger
31 /// size, saving a byte in encoding. This could introduce partial register
32 /// dependences where none existed however.  As an example take:
33 ///   orw  ax, $0x1000
34 ///   addw ax, $3
35 /// now if this were to get transformed into
36 ///   orw  ax, $1000
37 ///   addl eax, $3
38 /// because the addl encodes shorter than the addw, this would introduce
39 /// a use of a register that was only partially written earlier.  On older
40 /// Intel processors this can be quite a performance penalty, so this should
41 /// probably only be done when it can be proven that a new partial dependence
42 /// wouldn't be created, or when your know a newer processor is being
43 /// targeted, or when optimizing for minimum code size.
44 ///
45 //===----------------------------------------------------------------------===//
46
47 #include "X86.h"
48 #include "X86InstrInfo.h"
49 #include "X86Subtarget.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 #include "llvm/Analysis/ProfileSummaryInfo.h"
52 #include "llvm/CodeGen/LazyMachineBlockFrequencyInfo.h"
53 #include "llvm/CodeGen/LivePhysRegs.h"
54 #include "llvm/CodeGen/MachineFunctionPass.h"
55 #include "llvm/CodeGen/MachineInstrBuilder.h"
56 #include "llvm/CodeGen/MachineLoopInfo.h"
57 #include "llvm/CodeGen/MachineRegisterInfo.h"
58 #include "llvm/CodeGen/MachineSizeOpts.h"
59 #include "llvm/CodeGen/Passes.h"
60 #include "llvm/CodeGen/TargetInstrInfo.h"
61 #include "llvm/Support/Debug.h"
62 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
63 using namespace llvm;
64
65 #define FIXUPBW_DESC "X86 Byte/Word Instruction Fixup"
66 #define FIXUPBW_NAME "x86-fixup-bw-insts"
67
68 #define DEBUG_TYPE FIXUPBW_NAME
69
70 // Option to allow this optimization pass to have fine-grained control.
71 static cl::opt<bool>
72     FixupBWInsts("fixup-byte-word-insts",
73                  cl::desc("Change byte and word instructions to larger sizes"),
74                  cl::init(true), cl::Hidden);
75
76 namespace {
77 class FixupBWInstPass : public MachineFunctionPass {
78   /// Loop over all of the instructions in the basic block replacing applicable
79   /// byte or word instructions with better alternatives.
80   void processBasicBlock(MachineFunction &MF, MachineBasicBlock &MBB);
81
82   /// This sets the \p SuperDestReg to the 32 bit super reg of the original
83   /// destination register of the MachineInstr passed in. It returns true if
84   /// that super register is dead just prior to \p OrigMI, and false if not.
85   bool getSuperRegDestIfDead(MachineInstr *OrigMI,
86                              Register &SuperDestReg) const;
87
88   /// Change the MachineInstr \p MI into the equivalent extending load to 32 bit
89   /// register if it is safe to do so.  Return the replacement instruction if
90   /// OK, otherwise return nullptr.
91   MachineInstr *tryReplaceLoad(unsigned New32BitOpcode, MachineInstr *MI) const;
92
93   /// Change the MachineInstr \p MI into the equivalent 32-bit copy if it is
94   /// safe to do so.  Return the replacement instruction if OK, otherwise return
95   /// nullptr.
96   MachineInstr *tryReplaceCopy(MachineInstr *MI) const;
97
98   /// Change the MachineInstr \p MI into the equivalent extend to 32 bit
99   /// register if it is safe to do so.  Return the replacement instruction if
100   /// OK, otherwise return nullptr.
101   MachineInstr *tryReplaceExtend(unsigned New32BitOpcode,
102                                  MachineInstr *MI) const;
103
104   // Change the MachineInstr \p MI into an eqivalent 32 bit instruction if
105   // possible.  Return the replacement instruction if OK, return nullptr
106   // otherwise.
107   MachineInstr *tryReplaceInstr(MachineInstr *MI, MachineBasicBlock &MBB) const;
108
109 public:
110   static char ID;
111
112   StringRef getPassName() const override { return FIXUPBW_DESC; }
113
114   FixupBWInstPass() : MachineFunctionPass(ID) { }
115
116   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
117     AU.addRequired<MachineLoopInfo>(); // Machine loop info is used to
118                                        // guide some heuristics.
119     AU.addRequired<ProfileSummaryInfoWrapperPass>();
120     AU.addRequired<LazyMachineBlockFrequencyInfoPass>();
121     MachineFunctionPass::getAnalysisUsage(AU);
122   }
123
124   /// Loop over all of the basic blocks, replacing byte and word instructions by
125   /// equivalent 32 bit instructions where performance or code size can be
126   /// improved.
127   bool runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) override;
128
129   MachineFunctionProperties getRequiredProperties() const override {
130     return MachineFunctionProperties().set(
131         MachineFunctionProperties::Property::NoVRegs);
132   }
133
134 private:
135   MachineFunction *MF = nullptr;
136
137   /// Machine instruction info used throughout the class.
138   const X86InstrInfo *TII = nullptr;
139
140   /// Local member for function's OptForSize attribute.
141   bool OptForSize = false;
142
143   /// Machine loop info used for guiding some heruistics.
144   MachineLoopInfo *MLI = nullptr;
145
146   /// Register Liveness information after the current instruction.
147   LivePhysRegs LiveRegs;
148
149   ProfileSummaryInfo *PSI;
150   MachineBlockFrequencyInfo *MBFI;
151 };
152 char FixupBWInstPass::ID = 0;
153 }
154
155 INITIALIZE_PASS(FixupBWInstPass, FIXUPBW_NAME, FIXUPBW_DESC, false, false)
156
157 FunctionPass *llvm::createX86FixupBWInsts() { return new FixupBWInstPass(); }
158
159 bool FixupBWInstPass::runOnMachineFunction(MachineFunction &MF) {
160   if (!FixupBWInsts || skipFunction(MF.getFunction()))
161     return false;
162
163   this->MF = &MF;
164   TII = MF.getSubtarget<X86Subtarget>().getInstrInfo();
165   MLI = &getAnalysis<MachineLoopInfo>();
166   PSI = &getAnalysis<ProfileSummaryInfoWrapperPass>().getPSI();
167   MBFI = (PSI && PSI->hasProfileSummary()) ?
168          &getAnalysis<LazyMachineBlockFrequencyInfoPass>().getBFI() :
169          nullptr;
170   LiveRegs.init(TII->getRegisterInfo());
171
172   LLVM_DEBUG(dbgs() << "Start X86FixupBWInsts\n";);
173
174   // Process all basic blocks.
175   for (auto &MBB : MF)
176     processBasicBlock(MF, MBB);
177
178   LLVM_DEBUG(dbgs() << "End X86FixupBWInsts\n";);
179
180   return true;
181 }
182
183 /// Check if after \p OrigMI the only portion of super register
184 /// of the destination register of \p OrigMI that is alive is that
185 /// destination register.
186 ///
187 /// If so, return that super register in \p SuperDestReg.
188 bool FixupBWInstPass::getSuperRegDestIfDead(MachineInstr *OrigMI,
189                                             Register &SuperDestReg) const {
190   auto *TRI = &TII->getRegisterInfo();
191
192   Register OrigDestReg = OrigMI->getOperand(0).getReg();
193   SuperDestReg = getX86SubSuperRegister(OrigDestReg, 32);
194
195   const auto SubRegIdx = TRI->getSubRegIndex(SuperDestReg, OrigDestReg);
196
197   // Make sure that the sub-register that this instruction has as its
198   // destination is the lowest order sub-register of the super-register.
199   // If it isn't, then the register isn't really dead even if the
200   // super-register is considered dead.
201   if (SubRegIdx == X86::sub_8bit_hi)
202     return false;
203
204   // If neither the destination-super register nor any applicable subregisters
205   // are live after this instruction, then the super register is safe to use.
206   if (!LiveRegs.contains(SuperDestReg)) {
207     // If the original destination register was not the low 8-bit subregister
208     // then the super register check is sufficient.
209     if (SubRegIdx != X86::sub_8bit)
210       return true;
211     // If the original destination register was the low 8-bit subregister and
212     // we also need to check the 16-bit subregister and the high 8-bit
213     // subregister.
214     if (!LiveRegs.contains(getX86SubSuperRegister(OrigDestReg, 16)) &&
215         !LiveRegs.contains(getX86SubSuperRegister(SuperDestReg, 8,
216                                                   /*High=*/true)))
217       return true;
218     // Otherwise, we have a little more checking to do.
219   }
220
221   // If we get here, the super-register destination (or some part of it) is
222   // marked as live after the original instruction.
223   //
224   // The X86 backend does not have subregister liveness tracking enabled,
225   // so liveness information might be overly conservative. Specifically, the
226   // super register might be marked as live because it is implicitly defined
227   // by the instruction we are examining.
228   //
229   // However, for some specific instructions (this pass only cares about MOVs)
230   // we can produce more precise results by analysing that MOV's operands.
231   //
232   // Indeed, if super-register is not live before the mov it means that it
233   // was originally <read-undef> and so we are free to modify these
234   // undef upper bits. That may happen in case where the use is in another MBB
235   // and the vreg/physreg corresponding to the move has higher width than
236   // necessary (e.g. due to register coalescing with a "truncate" copy).
237   // So, we would like to handle patterns like this:
238   //
239   //   %bb.2: derived from LLVM BB %if.then
240   //   Live Ins: %rdi
241   //   Predecessors according to CFG: %bb.0
242   //   %ax<def> = MOV16rm killed %rdi, 1, %noreg, 0, %noreg, implicit-def %eax
243   //                                 ; No implicit %eax
244   //   Successors according to CFG: %bb.3(?%)
245   //
246   //   %bb.3: derived from LLVM BB %if.end
247   //   Live Ins: %eax                            Only %ax is actually live
248   //   Predecessors according to CFG: %bb.2 %bb.1
249   //   %ax = KILL %ax, implicit killed %eax
250   //   RET 0, %ax
251   unsigned Opc = OrigMI->getOpcode(); (void)Opc;
252   // These are the opcodes currently known to work with the code below, if
253   // something // else will be added we need to ensure that new opcode has the
254   // same properties.
255   if (Opc != X86::MOV8rm && Opc != X86::MOV16rm && Opc != X86::MOV8rr &&
256       Opc != X86::MOV16rr)
257     return false;
258
259   bool IsDefined = false;
260   for (auto &MO: OrigMI->implicit_operands()) {
261     if (!MO.isReg())
262       continue;
263
264     assert((MO.isDef() || MO.isUse()) && "Expected Def or Use only!");
265
266     if (MO.isDef() && TRI->isSuperRegisterEq(OrigDestReg, MO.getReg()))
267       IsDefined = true;
268
269     // If MO is a use of any part of the destination register but is not equal
270     // to OrigDestReg or one of its subregisters, we cannot use SuperDestReg.
271     // For example, if OrigDestReg is %al then an implicit use of %ah, %ax,
272     // %eax, or %rax will prevent us from using the %eax register.
273     if (MO.isUse() && !TRI->isSubRegisterEq(OrigDestReg, MO.getReg()) &&
274         TRI->regsOverlap(SuperDestReg, MO.getReg()))
275       return false;
276   }
277   // Reg is not Imp-def'ed -> it's live both before/after the instruction.
278   if (!IsDefined)
279     return false;
280
281   // Otherwise, the Reg is not live before the MI and the MOV can't
282   // make it really live, so it's in fact dead even after the MI.
283   return true;
284 }
285
286 MachineInstr *FixupBWInstPass::tryReplaceLoad(unsigned New32BitOpcode,
287                                               MachineInstr *MI) const {
288   Register NewDestReg;
289
290   // We are going to try to rewrite this load to a larger zero-extending
291   // load.  This is safe if all portions of the 32 bit super-register
292   // of the original destination register, except for the original destination
293   // register are dead. getSuperRegDestIfDead checks that.
294   if (!getSuperRegDestIfDead(MI, NewDestReg))
295     return nullptr;
296
297   // Safe to change the instruction.
298   MachineInstrBuilder MIB =
299       BuildMI(*MF, MI->getDebugLoc(), TII->get(New32BitOpcode), NewDestReg);
300
301   unsigned NumArgs = MI->getNumOperands();
302   for (unsigned i = 1; i < NumArgs; ++i)
303     MIB.add(MI->getOperand(i));
304
305   MIB.setMemRefs(MI->memoperands());
306
307   return MIB;
308 }
309
310 MachineInstr *FixupBWInstPass::tryReplaceCopy(MachineInstr *MI) const {
311   assert(MI->getNumExplicitOperands() == 2);
312   auto &OldDest = MI->getOperand(0);
313   auto &OldSrc = MI->getOperand(1);
314
315   Register NewDestReg;
316   if (!getSuperRegDestIfDead(MI, NewDestReg))
317     return nullptr;
318
319   Register NewSrcReg = getX86SubSuperRegister(OldSrc.getReg(), 32);
320
321   // This is only correct if we access the same subregister index: otherwise,
322   // we could try to replace "movb %ah, %al" with "movl %eax, %eax".
323   auto *TRI = &TII->getRegisterInfo();
324   if (TRI->getSubRegIndex(NewSrcReg, OldSrc.getReg()) !=
325       TRI->getSubRegIndex(NewDestReg, OldDest.getReg()))
326     return nullptr;
327
328   // Safe to change the instruction.
329   // Don't set src flags, as we don't know if we're also killing the superreg.
330   // However, the superregister might not be defined; make it explicit that
331   // we don't care about the higher bits by reading it as Undef, and adding
332   // an imp-use on the original subregister.
333   MachineInstrBuilder MIB =
334       BuildMI(*MF, MI->getDebugLoc(), TII->get(X86::MOV32rr), NewDestReg)
335           .addReg(NewSrcReg, RegState::Undef)
336           .addReg(OldSrc.getReg(), RegState::Implicit);
337
338   // Drop imp-defs/uses that would be redundant with the new def/use.
339   for (auto &Op : MI->implicit_operands())
340     if (Op.getReg() != (Op.isDef() ? NewDestReg : NewSrcReg))
341       MIB.add(Op);
342
343   return MIB;
344 }
345
346 MachineInstr *FixupBWInstPass::tryReplaceExtend(unsigned New32BitOpcode,
347                                                 MachineInstr *MI) const {
348   Register NewDestReg;
349   if (!getSuperRegDestIfDead(MI, NewDestReg))
350     return nullptr;
351
352   // Don't interfere with formation of CBW instructions which should be a
353   // shorter encoding than even the MOVSX32rr8. It's also immunte to partial
354   // merge issues on Intel CPUs.
355   if (MI->getOpcode() == X86::MOVSX16rr8 &&
356       MI->getOperand(0).getReg() == X86::AX &&
357       MI->getOperand(1).getReg() == X86::AL)
358     return nullptr;
359
360   // Safe to change the instruction.
361   MachineInstrBuilder MIB =
362       BuildMI(*MF, MI->getDebugLoc(), TII->get(New32BitOpcode), NewDestReg);
363
364   unsigned NumArgs = MI->getNumOperands();
365   for (unsigned i = 1; i < NumArgs; ++i)
366     MIB.add(MI->getOperand(i));
367
368   MIB.setMemRefs(MI->memoperands());
369
370   return MIB;
371 }
372
373 MachineInstr *FixupBWInstPass::tryReplaceInstr(MachineInstr *MI,
374                                                MachineBasicBlock &MBB) const {
375   // See if this is an instruction of the type we are currently looking for.
376   switch (MI->getOpcode()) {
377
378   case X86::MOV8rm:
379     // Only replace 8 bit loads with the zero extending versions if
380     // in an inner most loop and not optimizing for size. This takes
381     // an extra byte to encode, and provides limited performance upside.
382     if (MachineLoop *ML = MLI->getLoopFor(&MBB))
383       if (ML->begin() == ML->end() && !OptForSize)
384         return tryReplaceLoad(X86::MOVZX32rm8, MI);
385     break;
386
387   case X86::MOV16rm:
388     // Always try to replace 16 bit load with 32 bit zero extending.
389     // Code size is the same, and there is sometimes a perf advantage
390     // from eliminating a false dependence on the upper portion of
391     // the register.
392     return tryReplaceLoad(X86::MOVZX32rm16, MI);
393
394   case X86::MOV8rr:
395   case X86::MOV16rr:
396     // Always try to replace 8/16 bit copies with a 32 bit copy.
397     // Code size is either less (16) or equal (8), and there is sometimes a
398     // perf advantage from eliminating a false dependence on the upper portion
399     // of the register.
400     return tryReplaceCopy(MI);
401
402   case X86::MOVSX16rr8:
403     return tryReplaceExtend(X86::MOVSX32rr8, MI);
404   case X86::MOVSX16rm8:
405     return tryReplaceExtend(X86::MOVSX32rm8, MI);
406   case X86::MOVZX16rr8:
407     return tryReplaceExtend(X86::MOVZX32rr8, MI);
408   case X86::MOVZX16rm8:
409     return tryReplaceExtend(X86::MOVZX32rm8, MI);
410
411   default:
412     // nothing to do here.
413     break;
414   }
415
416   return nullptr;
417 }
418
419 void FixupBWInstPass::processBasicBlock(MachineFunction &MF,
420                                         MachineBasicBlock &MBB) {
421
422   // This algorithm doesn't delete the instructions it is replacing
423   // right away.  By leaving the existing instructions in place, the
424   // register liveness information doesn't change, and this makes the
425   // analysis that goes on be better than if the replaced instructions
426   // were immediately removed.
427   //
428   // This algorithm always creates a replacement instruction
429   // and notes that and the original in a data structure, until the
430   // whole BB has been analyzed.  This keeps the replacement instructions
431   // from making it seem as if the larger register might be live.
432   SmallVector<std::pair<MachineInstr *, MachineInstr *>, 8> MIReplacements;
433
434   // Start computing liveness for this block. We iterate from the end to be able
435   // to update this for each instruction.
436   LiveRegs.clear();
437   // We run after PEI, so we need to AddPristinesAndCSRs.
438   LiveRegs.addLiveOuts(MBB);
439
440   OptForSize = MF.getFunction().hasOptSize() ||
441                llvm::shouldOptimizeForSize(&MBB, PSI, MBFI);
442
443   for (auto I = MBB.rbegin(); I != MBB.rend(); ++I) {
444     MachineInstr *MI = &*I;
445
446     if (MachineInstr *NewMI = tryReplaceInstr(MI, MBB))
447       MIReplacements.push_back(std::make_pair(MI, NewMI));
448
449     // We're done with this instruction, update liveness for the next one.
450     LiveRegs.stepBackward(*MI);
451   }
452
453   while (!MIReplacements.empty()) {
454     MachineInstr *MI = MIReplacements.back().first;
455     MachineInstr *NewMI = MIReplacements.back().second;
456     MIReplacements.pop_back();
457     MBB.insert(MI, NewMI);
458     MBB.erase(MI);
459   }
460 }