From d2882fb69a4c6403ba005350b525ded7a6b84ac7 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?=E5=AE=89=E5=B3=BB=E9=82=91?= <2294450067@qq.com> Date: Tue, 2 Jun 2026 23:56:30 +0800 Subject: [PATCH] =?UTF-8?q?=E5=AE=8C=E6=88=90=E4=BA=86=E5=BE=AA=E7=8E=AF?= =?UTF-8?q?=E4=BA=A4=E6=8D=A2?= MIME-Version: 1.0 Content-Type: text/plain; charset=UTF-8 Content-Transfer-Encoding: 8bit --- 2026test.sh | 639 ++++++ 2026test/functional/00_main.sy | 0 2026test/functional/01_var_defn2.sy | 0 2026test/functional/02_var_defn3.sy | 0 2026test/functional/03_arr_defn2.sy | 0 2026test/functional/04_arr_defn3.sy | 0 2026test/functional/05_arr_defn4.sy | 0 2026test/functional/06_const_var_defn2.sy | 0 2026test/functional/07_const_var_defn3.sy | 0 2026test/functional/08_const_array_defn.sy | 0 2026test/functional/09_func_defn.sy | 0 2026test/functional/10_var_defn_func.sy | 0 2026test/functional/11_add2.sy | 0 2026test/functional/12_addc.sy | 0 2026test/functional/13_sub2.sy | 0 2026test/functional/14_subc.sy | 0 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doc/LLVM-Loop-Interchange-分析报告.md create mode 100644 doc/opt-cookbook-ai-loop-interchange.md delete mode 100644 include/frontend/AntlrDriver.h delete mode 100644 include/frontend/SyntaxTreePrinter.h delete mode 100644 include/ir/IR.h delete mode 100644 include/irgen/IRGen.h delete mode 100644 include/mir/MIR.h delete mode 100644 include/sem/Sema.h delete mode 100644 include/sem/SymbolTable.h delete mode 100644 include/utils/CLI.h delete mode 100644 include/utils/Log.h create mode 100644 optimization-designs/.gitkeep create mode 100644 optimization-designs/00-总览-优化全景.md create mode 100644 optimization-designs/01-IR优化-Mem2Reg与SSA构造.md create mode 100644 optimization-designs/02-IR优化-循环优化.md create mode 100644 optimization-designs/03-IR优化-NEON自动向量化.md create mode 100644 optimization-designs/04-IR优化-标量优化Pass.md create mode 100644 optimization-designs/05-MIR优化-降级时优化.md create mode 100644 optimization-designs/06-MIR优化-寄存器分配前优化.md create mode 100644 optimization-designs/07-MIR优化-寄存器分配.md 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create mode 100644 src/ir/analysis/PostDominatorTree.cpp create mode 100644 src/ir/analysis/ScalarEvolution.cpp create mode 100644 src/ir/passes/DSE.cpp create mode 100644 src/ir/passes/IRVerifier.cpp create mode 100644 src/ir/passes/IfConversion.cpp create mode 100644 src/ir/passes/LoopInterchange.cpp create mode 100644 src/ir/passes/LoopUnroll.cpp create mode 100644 src/ir/passes/LoopVectorize.cpp create mode 100644 src/ir/passes/SCCP.cpp create mode 100644 src/mir/GreedyAlloc.cpp create mode 100644 src/mir/LiveIntervals.cpp create mode 100644 src/mir/MIRVerifier.cpp create mode 100644 src/mir/MachineRegisterInfo.cpp create mode 100644 src/mir/passes/CopyPropagation.cpp create mode 100644 src/mir/passes/FoldImm.cpp create mode 100644 src/mir/passes/LiveRangeSplit.cpp create mode 100644 src/mir/passes/MIRCleanup.cpp create mode 100644 src/mir/passes/PhiElimination.cpp create mode 100644 src/mir/passes/PhysRegCopyProp.cpp create mode 100644 src/mir/passes/RegisterCoalescer.cpp create mode 100644 src/mir/passes/TailCallOpt.cpp create mode 100644 src/mir/passes/TwoAddress.cpp diff --git a/2026test.sh b/2026test.sh new file mode 100755 index 00000000..ed00b349 --- /dev/null +++ b/2026test.sh @@ -0,0 +1,639 @@ +#!/usr/bin/env bash +set -u +set -o pipefail + +RED='\033[0;31m' +GREEN='\033[0;32m' +YELLOW='\033[1;33m' +BLUE='\033[0;34m' +CYAN='\033[0;36m' +NC='\033[0m' + +TEST_ROOT="./2026test" +OUTPUT_DIR="./2026test_results" +COMPILER="./build/bin/compiler" +VERIFY_SCRIPT="./scripts/verify_asm.sh" +BASELINE_FILE="./基线.txt" + +MAX_CASES=0 +STOP_ON_FIRST_FAILURE=false +START_FROM=1 +KEEP_OLD=false +OPTIMIZE=true +CATEGORY="all" +SKIP_LIST="" +VERBOSE=false +TIMEOUT_MS=300000 + +total_time_sum=0 +time_cases_count=0 +SUCCESS=0 +FAILED=0 +SKIPPED=0 + +RUNTIME_OBJ="./build/test_runtime/sylib.o" + +show_help() { + cat << 'EOF' +用法: ./2026test.sh [选项] + +说明: + 自动化执行 2026test 文件夹中的所有测试用例。 + 支持功能测试(functional)、隐含功能测试(h_functional)、性能测试(performance)。 + 使用编译器生成 AArch64 汇编，交叉编译链接后通过 qemu-aarch64 运行验证。 + 自动记录每个测试集的纯运行时间(qemu执行时间)并生成基线文件。 + 注意: 计时仅包含程序在qemu中的执行时间，不包含编译和汇编链接时间。 + +选项: + -h, --help 显示此帮助信息 + -n, --max N 最多运行 N 个测试用例 (0=不限制，默认: 0) + -s, --start-from N 从第 N 个测试用例开始 (默认: 1) + -x, --stop-on-fail 遇到第一个失败即停止 + -k, --keep 保留旧输出目录，不删除 + -O, --optimize 启用编译器优化 (默认启用) + -O0, --no-optimize 禁用编译器优化 + -c, --category CAT 指定测试类别: functional|h_functional|performance|all (默认: all) + --skip N1,N2,... 跳过指定编号的测试用例 (逗号分隔) + -v, --verbose 显示详细输出 + -o, --output-dir DIR 指定输出目录 (默认: ./2026test_results) + -t, --timeout MS 单个测试超时时间(毫秒) (默认: 300000) + +示例: + ./2026test.sh # 运行所有测试 (默认启用优化) + ./2026test.sh -c functional # 仅运行功能测试 + ./2026test.sh -c performance # 仅运行性能测试 + ./2026test.sh -n 10 # 只运行前10个测试 + ./2026test.sh -s 5 # 从第5个测试开始 + ./2026test.sh --skip 3,7,15 # 跳过第3、7、15个测试 + ./2026test.sh -c functional -n 5 -v # 功能测试前5个，详细模式 + ./2026test.sh -O0 # 不启用优化 + ./2026test.sh -x # 失败即停止 + ./2026test.sh -c functional -s 10 -n 5 # 功能测试从第10个开始运行5个 +EOF +} + +parse_args() { + while [[ $# -gt 0 ]]; do + case $1 in + -h|--help) + show_help + exit 0 + ;; + -n|--max) + MAX_CASES="$2" + shift 2 + ;; + -s|--start-from) + START_FROM="$2" + shift 2 + ;; + -x|--stop-on-fail) + STOP_ON_FIRST_FAILURE=true + shift + ;; + -k|--keep) + KEEP_OLD=true + shift + ;; + -O|--optimize) + OPTIMIZE=true + shift + ;; + -O0|--no-optimize) + OPTIMIZE=false + shift + ;; + -c|--category) + CATEGORY="$2" + if [[ "$CATEGORY" != "functional" && "$CATEGORY" != "h_functional" && "$CATEGORY" != "performance" && "$CATEGORY" != "all" ]]; then + echo -e "${RED}错误: 类别必须是 functional|h_functional|performance|all${NC}" + exit 1 + fi + shift 2 + ;; + --skip) + SKIP_LIST="$2" + shift 2 + ;; + -v|--verbose) + VERBOSE=true + shift + ;; + -o|--output-dir) + OUTPUT_DIR="$2" + shift 2 + ;; + -t|--timeout) + TIMEOUT_MS="$2" + shift 2 + ;; + *) + echo -e "${RED}错误: 未知选项 $1${NC}" + show_help + exit 1 + ;; + esac + done +} + +parse_args "$@" + +check_prerequisites() { + local missing=0 + + if [[ ! -x "$COMPILER" ]]; then + echo -e "${RED}错误: 编译器不可执行: $COMPILER${NC}" + echo -e "${YELLOW}提示: 请先构建项目:${NC}" + echo -e "${YELLOW} cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release${NC}" + echo -e "${YELLOW} cmake --build build -j \"\$(nproc)\"${NC}" + missing=1 + fi + + if [[ ! -d "$TEST_ROOT" ]]; then + echo -e "${RED}错误: 测试目录不存在: $TEST_ROOT${NC}" + missing=1 + fi + + if ! command -v aarch64-linux-gnu-gcc >/dev/null 2>&1; then + echo -e "${RED}错误: 未找到 aarch64-linux-gnu-gcc，无法汇编/链接${NC}" + echo -e "${YELLOW}提示: sudo apt install gcc-aarch64-linux-gnu${NC}" + missing=1 + fi + + if ! command -v qemu-aarch64 >/dev/null 2>&1; then + echo -e "${RED}错误: 未找到 qemu-aarch64，无法运行生成的可执行文件${NC}" + echo -e "${YELLOW}提示: sudo apt install qemu-user${NC}" + missing=1 + fi + + local runtime_found=false + if [[ -f "./sylib/sylib.c" ]]; then + runtime_found=true + elif [[ -n "${SYSY_RUNTIME:-}" ]] && [[ -f "$SYSY_RUNTIME" ]]; then + runtime_found=true + else + local found + found=$(find . -path './build' -prune -o -path './.git' -prune -o -type f -name 'sylib.c' -print 2>/dev/null | head -n 1) + if [[ -n "$found" ]]; then + runtime_found=true + fi + fi + + if [[ "$runtime_found" != "true" ]]; then + echo -e "${RED}错误: 未找到运行时库 sylib.c${NC}" + echo -e "${YELLOW}提示: 可通过环境变量 SYSY_RUNTIME 指定路径${NC}" + missing=1 + fi + + if [[ $missing -eq 1 ]]; then + exit 1 + fi +} + +check_prerequisites + +if ! [[ "$START_FROM" =~ ^[0-9]+$ ]] || [[ "$START_FROM" -lt 1 ]]; then + echo -e "${RED}错误: --start-from 需要正整数${NC}" + exit 1 +fi + +if ! [[ "$MAX_CASES" =~ ^[0-9]+$ ]]; then + echo -e "${RED}错误: --max 需要非负整数${NC}" + exit 1 +fi + +declare -A SKIP_SET +if [[ -n "$SKIP_LIST" ]]; then + IFS=',' read -ra SKIP_ITEMS <<< "$SKIP_LIST" + for item in "${SKIP_ITEMS[@]}"; do + item=$(echo "$item" | xargs) + if [[ "$item" =~ ^[0-9]+$ ]]; then + SKIP_SET[$item]=1 + fi + done +fi + +if [[ "$KEEP_OLD" != "true" ]]; then + rm -rf "$OUTPUT_DIR" +fi +mkdir -p "$OUTPUT_DIR" + +LOG_FILE="$OUTPUT_DIR/2026test_batch.log" +FAIL_FILE="$OUTPUT_DIR/failed_cases.txt" +ERROR_LOG_FILE="$OUTPUT_DIR/error_log.txt" +TIME_SUMMARY_FILE="$OUTPUT_DIR/time_summary.txt" +DETAIL_TIME_FILE="$OUTPUT_DIR/detail_time.txt" + +if [[ "$KEEP_OLD" != "true" ]]; then + : > "$LOG_FILE" + : > "$FAIL_FILE" + : > "$ERROR_LOG_FILE" + : > "$TIME_SUMMARY_FILE" + : > "$DETAIL_TIME_FILE" +fi + +{ + echo "2026test 批量测试日志 - $(date '+%Y-%m-%d %H:%M:%S')" + echo "TEST_ROOT=$TEST_ROOT" + echo "OUTPUT_DIR=$OUTPUT_DIR" + echo "CATEGORY=$CATEGORY" + echo "OPTIMIZE=$OPTIMIZE" + echo "MAX_CASES=$MAX_CASES" + echo "START_FROM=$START_FROM" + echo "SKIP_LIST=$SKIP_LIST" + echo "================================================" +} >> "$LOG_FILE" + +collect_sy_files() { + local dirs=() + if [[ "$CATEGORY" == "all" ]]; then + dirs=("functional" "h_functional" "performance") + else + dirs=("$CATEGORY") + fi + + for dir in "${dirs[@]}"; do + local full_dir="$TEST_ROOT/$dir" + if [[ -d "$full_dir" ]]; then + find "$full_dir" -type f -name '*.sy' -print0 | sort -z + fi + done +} + +mapfile -d '' -t ALL_CASES < <(collect_sy_files) +TOTAL_FOUND=${#ALL_CASES[@]} + +if [[ $TOTAL_FOUND -eq 0 ]]; then + echo -e "${YELLOW}未找到任何 .sy 用例，请检查目录: $TEST_ROOT${NC}" + exit 0 +fi + +get_timestamp_ms() { + date +%s%3N 2>/dev/null || date +%s000 +} + +get_category_name() { + local rel_path="$1" + local dir_name + dir_name=$(dirname "$rel_path") + dir_name=$(basename "$dir_name") + echo "$dir_name" +} + +find_runtime_src() { + if [[ -n "${SYSY_RUNTIME:-}" ]] && [[ -f "$SYSY_RUNTIME" ]]; then + printf '%s\n' "$SYSY_RUNTIME" + return 0 + fi + local candidates=("./sylib/sylib.c" "./sylib.c" "./runtime/sylib.c" "./lib/sylib.c") + for candidate in "${candidates[@]}"; do + if [[ -f "$candidate" ]]; then + printf '%s\n' "$candidate" + return 0 + fi + done + local found + found=$(find . -path './build' -prune -o -path './.git' -prune -o -type f -name 'sylib.c' -print 2>/dev/null | head -n 1) + if [[ -n "$found" ]]; then + printf '%s\n' "$found" + return 0 + fi + return 1 +} + +RUNTIME_SRC="$(find_runtime_src || true)" +if [[ -z "$RUNTIME_SRC" ]]; then + echo -e "${RED}错误: 未找到运行时库源码 sylib.c${NC}" + exit 1 +fi + +runtime_cache_dir="./build/test_runtime" +RUNTIME_OBJ="$runtime_cache_dir/sylib.o" +mkdir -p "$runtime_cache_dir" + +if [[ ! -f "$RUNTIME_OBJ" ]] || [[ "$RUNTIME_SRC" -nt "$RUNTIME_OBJ" ]]; then + aarch64-linux-gnu-gcc -O2 -c "$RUNTIME_SRC" -o "$RUNTIME_OBJ" +fi + +echo -e "${BLUE}========================================================${NC}" +echo -e "${BLUE} 2026test 批量测试${NC}" +echo -e "${BLUE}========================================================${NC}" +echo -e "${BLUE}测试根目录: $TEST_ROOT${NC}" +echo -e "${BLUE}测试类别: $CATEGORY${NC}" +echo -e "${BLUE}找到用例数: $TOTAL_FOUND${NC}" +echo -e "${BLUE}输出目录: $OUTPUT_DIR${NC}" +echo -e "${BLUE}编译器优化: $OPTIMIZE${NC}" +echo -e "${BLUE}计时方式: 仅qemu运行时间(不含编译/汇编)${NC}" +if [[ "$START_FROM" -gt 1 ]]; then + echo -e "${BLUE}起始用例: $START_FROM${NC}" +fi +if [[ "$MAX_CASES" -gt 0 ]]; then + echo -e "${BLUE}最大用例数: $MAX_CASES${NC}" +fi +if [[ "${#SKIP_SET[@]}" -gt 0 ]] 2>/dev/null; then + echo -e "${BLUE}跳过编号: ${!SKIP_SET[*]}${NC}" +fi +echo -e "${BLUE}基线文件: $BASELINE_FILE${NC}" +echo -e "${BLUE}========================================================${NC}" +echo "" + +declare -a BASELINE_ENTRIES=() + +TOTAL=0 +EXECUTED=0 + +for file in "${ALL_CASES[@]}"; do + TOTAL=$((TOTAL + 1)) + + if [[ $TOTAL -lt $START_FROM ]]; then + continue + fi + + if [[ $MAX_CASES -gt 0 && $EXECUTED -ge $MAX_CASES ]]; then + break + fi + + if [[ ${SKIP_SET[$TOTAL]+_} ]]; then + SKIPPED=$((SKIPPED + 1)) + rel_path="${file#$TEST_ROOT/}" + echo -e "${CYAN}[$TOTAL] $(basename "$file") ... 跳过${NC}" + echo "[SKIPPED] $file (user skip)" >> "$LOG_FILE" + continue + fi + + EXECUTED=$((EXECUTED + 1)) + + rel_path="${file#$TEST_ROOT/}" + filename="$(basename "$file")" + base_name="${filename%.sy}" + rel_dir="$(dirname "$rel_path")" + input_dir="$TEST_ROOT/$rel_dir" + category_name=$(get_category_name "$rel_path") + case_out_dir="$OUTPUT_DIR/$rel_dir" + + mkdir -p "$case_out_dir" + + rm -f "$case_out_dir/$base_name.s" + rm -f "$case_out_dir/$base_name.o" + rm -f "$case_out_dir/$base_name" + rm -f "$case_out_dir/$base_name.stdout" + rm -f "$case_out_dir/$base_name.actual.out" + + if [[ "$VERBOSE" == "true" ]]; then + echo -e "${YELLOW}[$TOTAL] $category_name/$filename ... ${NC}" + else + echo -ne "${YELLOW}[$TOTAL] $category_name/$filename ... ${NC}" + fi + + asm_file="$case_out_dir/$base_name.s" + exe="$case_out_dir/$base_name" + stdin_file="$input_dir/$base_name.in" + expected_file="$input_dir/$base_name.out" + stdout_file="$case_out_dir/$base_name.stdout" + actual_file="$case_out_dir/$base_name.actual.out" + + compile_ok=true + + set +e + if [[ "$OPTIMIZE" == "true" ]]; then + "$COMPILER" -O --emit-asm "$file" > "$asm_file" 2>/dev/null + else + "$COMPILER" --emit-asm "$file" > "$asm_file" 2>/dev/null + fi + compile_code=$? + set -e + + if [[ $compile_code -ne 0 ]]; then + compile_ok=false + fi + + if $compile_ok; then + set +e + aarch64-linux-gnu-gcc "$asm_file" "$RUNTIME_OBJ" -o "$exe" 2>/dev/null + link_code=$? + set -e + if [[ $link_code -ne 0 ]]; then + compile_ok=false + fi + fi + + if ! $compile_ok; then + FAILED=$((FAILED + 1)) + echo "$file" >> "$FAIL_FILE" + echo -e "${RED}编译/链接失败${NC}" + echo "[FAILED] $file (compile/link error)" >> "$LOG_FILE" + { + echo "========================================" + echo "测试失败: $file" + echo "原因: 编译或链接失败" + echo "时间: $(date '+%Y-%m-%d %H:%M:%S')" + echo 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echo -e " ${RED}失败${NC} | 开始: $exec_start_human | 结束: $exec_end_human | 运行: ${exec_elapsed_ms}ms | 输出不匹配" + else + echo -e "${RED}失败${NC} (运行${exec_elapsed_ms}ms, 输出不匹配)" + fi + + echo "[FAILED] $file (output mismatch) | start=$exec_start_human | end=$exec_end_human | exec=${exec_elapsed_ms}ms" >> "$LOG_FILE" + + { + echo "========================================" + echo "测试失败: $file" + echo "原因: 输出不匹配" + echo "运行时间: ${exec_elapsed_ms}ms" + echo "开始时间: $exec_start_human" + echo "结束时间: $exec_end_human" + echo "时间: $(date '+%Y-%m-%d %H:%M:%S')" + echo "========================================" + } >> "$ERROR_LOG_FILE" + + if [[ "$STOP_ON_FIRST_FAILURE" == "true" ]]; then + echo -e "${RED}========================================================${NC}" + echo -e "${RED}在第一个失败处停止测试${NC}" + echo -e "${RED}失败文件: $file${NC}" + echo -e "${RED}日志: $LOG_FILE${NC}" + echo -e "${RED}错误日志: $ERROR_LOG_FILE${NC}" + echo -e "${RED}========================================================${NC}" + break + fi + fi +done + +{ + echo "" + echo "========================================================" + echo "2026test 批量测试报告" + echo "========================================================" + echo "生成时间: $(date '+%Y-%m-%d %H:%M:%S')" + echo "测试类别: $CATEGORY" + echo "编译器优化: $OPTIMIZE" + echo "计时说明: 仅qemu运行时间(不含编译/汇编链接)" + echo "========================================================" + echo "" + echo "统计信息:" + echo " 总用例数: $TOTAL_FOUND" + echo " 执行用例: $EXECUTED" + echo " 成功: $SUCCESS" + echo " 失败: $FAILED" + echo " 跳过: $SKIPPED" + if [[ $EXECUTED -gt 0 ]]; then + local_rate=$(awk -v s="$SUCCESS" -v t="$EXECUTED" 'BEGIN { printf "%.2f", (s*100.0)/t }') + echo " 成功率: ${local_rate}%" + fi + echo "" + echo "--------------------------------------------------------" + printf "%-50s %15s\n" "测试集标识" "运行时长(ms)" + echo "--------------------------------------------------------" + for entry in "${BASELINE_ENTRIES[@]}"; do + local_name=$(echo "$entry" | sed 's/ [0-9]*ms$//') + local_time=$(echo "$entry" | grep -oP '\d+(?=ms$)') + printf "%-50s %15s\n" "$local_name" "$local_time" + done + echo "--------------------------------------------------------" + if [[ $time_cases_count -gt 0 ]]; then + avg_time=$((total_time_sum / time_cases_count)) + echo "" + echo "平均运行时间: ${avg_time}ms (基于 ${time_cases_count} 个成功用例)" + echo "总运行时间: ${total_time_sum}ms" + fi + echo "" + echo "========================================================" +} > "$BASELINE_FILE" + +RATE="0.00" +if [[ $EXECUTED -gt 0 ]]; then + RATE=$(awk -v s="$SUCCESS" -v t="$EXECUTED" 'BEGIN { printf "%.2f", (s*100.0)/t }') +fi + +echo "" +echo -e "${BLUE}========================================================${NC}" +echo -e "${BLUE} 2026test 批量测试完成${NC}" +echo -e "${BLUE}========================================================${NC}" +echo -e "${BLUE}总用例数: $TOTAL_FOUND${NC}" +echo -e "${BLUE}执行用例: $EXECUTED${NC}" +echo -e "${GREEN}成功: $SUCCESS${NC}" +echo -e "${RED}失败: $FAILED${NC}" +echo -e "${CYAN}跳过: $SKIPPED${NC}" +echo -e "${BLUE}成功率: ${RATE}%${NC}" + +if [[ $time_cases_count -gt 0 ]]; then + avg_time=$((total_time_sum / time_cases_count)) + echo -e "${BLUE}平均运行时间: ${avg_time}ms (基于 ${time_cases_count} 个成功用例)${NC}" + echo -e "${BLUE}总运行时间: ${total_time_sum}ms${NC}" +fi + +echo "" +echo -e "${BLUE}基线文件: $BASELINE_FILE${NC}" +echo -e "${BLUE}日志文件: $LOG_FILE${NC}" +echo -e "${BLUE}时间汇总: $TIME_SUMMARY_FILE${NC}" +echo -e "${BLUE}详细时间: $DETAIL_TIME_FILE${NC}" + +if [[ $FAILED -gt 0 ]]; then + echo -e "${RED}失败清单: $FAIL_FILE${NC}" + echo -e "${RED}错误日志: $ERROR_LOG_FILE${NC}" +fi + +echo -e "${BLUE}========================================================${NC}" + +if [[ $FAILED -gt 0 ]]; then + exit 1 +fi + +exit 0 diff --git a/2026test/functional/00_main.sy b/2026test/functional/00_main.sy old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/functional/01_var_defn2.sy b/2026test/functional/01_var_defn2.sy old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/functional/02_var_defn3.sy 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--git a/2026test/performance/sl3.in b/2026test/performance/sl3.in old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/sl3.sy b/2026test/performance/sl3.sy old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/transpose0.in b/2026test/performance/transpose0.in old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/transpose0.sy b/2026test/performance/transpose0.sy old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/transpose1.in b/2026test/performance/transpose1.in old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/transpose1.sy b/2026test/performance/transpose1.sy old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/transpose2.in b/2026test/performance/transpose2.in old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/2026test/performance/transpose2.sy b/2026test/performance/transpose2.sy old mode 100755 new mode 100644 diff --git a/CLAUDE.md b/CLAUDE.md new file mode 100644 index 00000000..f3231dda --- /dev/null +++ b/CLAUDE.md @@ -0,0 +1,87 @@ +# CLAUDE.md + +SysY → ARM64/AArch64 编译器，CMake + C++17 + ANTLR 4.13.2。2026 编译系统设计赛（华为毕昇杯）ARM 赛道。 + +## 构建 + +```bash +# 首次：生成 ANTLR Lexer/Parser +mkdir -p build/generated/antlr4 +java -jar third_party/antlr-4.13.2-complete.jar -Dlanguage=Cpp -visitor -no-listener \ + -Xexact-output-dir -o build/generated/antlr4 src/antlr4/SysY.g4 + +# 全量构建 +cmake -S . -B build -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DCOMPILER_PARSE_ONLY=OFF +cmake --build build -j "$(nproc)" +``` + +可执行文件：`./build/bin/compiler` + +## 编译器 CLI + +```bash +compiler -S -o output.s input.sy # 汇编输出（比赛标准） +compiler -S -o output.s input.sy -O # 带优化 +compiler --emit-ir input.sy # 打印 IR +compiler --emit-parse-tree input.sy # 打印语法树 +``` + +## 架构 + +编译管线：`SysY → ANTLR 语法树 → 语义分析 → IR 生成 → IR 优化 → MIR 降级 → 寄存器分配 → 栈帧 → 窥孔 → AArch64 汇编` + +源码目录：`src/frontend/`（ANTLR 驱动）、`src/sem/`（Sema/SymbolTable）、`src/irgen/`（语法树→IR）、`src/ir/`（Module→Function→BasicBlock→Instruction，passes/ 含 Mem2Reg/CFGSimplify/ConstFold/ConstProp/DCE/CSE/LICM）、`src/mir/`（MachineModule→MachineFunction→MachineBasicBlock→MachineInstr，Lowering/RegAlloc/FrameLowering/AsmPrinter/Peephole） + +关键设计：IR 类型 void/i1/i32/float/i32*/float*；MIR 操作数 PhysReg/VReg/Imm/FrameIndex/Label/Symbol；`-O` 触发所有 IR pass；GP 可分配集含 x16/x17；xzr/wzr 为零寄存器，sp 为栈指针。 + +## 竞赛红线（零容忍） + +1. 禁止投机优化（不得识别特定函数名/输入特征） +2. 禁止硬编码计算结果 +3. 禁止依赖 UB（数组越界、除法溢出等假设） +4. 优化必须对所有合法 SysY2026 程序语义保持 + +## 历史故障模式——修改以下区域时必须遵守的预防规则 + +| 区域 | 预防规则 | +|------|----------| +| 寄存器分配 | 合并后重算 degree；不修改遍历中的容器；Briggs 保守测试 | +| 栈帧 | 大偏移量（>12KB）必须用 movz/movk 合成偏移 | +| 活变量分析 | shift 链等密集 def-use 需保守干涉边（block defs>20 时全干涉） | +| spill | 大函数（>120 vregs）限制 spill 轮次 ≤5 | +| 活跃合并 | 合并前检查 u != v；move_adj 自环导致迭代器失效 | +| IR 优化 | Load/Store/Call 不能重排跨越彼此；浮点不能随意重关联 | + +## 门禁 + +```bash +# 快门禁（每次 commit 前，~2分钟） +./2026test.sh -c functional -x && ./2026test.sh -c h_functional -x + +# 中门禁（merge 前，~10分钟） +./2026test.sh -c functional -x && ./2026test.sh -c h_functional -x && ./2026test.sh -c performance -x + +# 全门禁（关键节点，~30分钟） +./2026test.sh # 全量 +``` + +- 绝不跳过门禁。功能测试失败不进入性能测量。门禁失败修复后重跑，不允许"先合并后修复"。 +- 指令数基线：`./count_asm.sh`；`指令数基线.md` 记录历史最低值。性能退化 >5 用例阻止合并，2-5 用例标记关注。 + +## 代码规范 + +- 一定中文交流、注释、commit message、文档。标识符/文件名用英文。 +- 变量 `snake_case`，函数/类 `PascalCase`，成员变量 `snake_case_` +- Git: `(): <中文简述>`。一 commit 一逻辑变更。不提交编译或测试失败的代码。功能分支开发，master 保护。 + +## MCP 使用 + +| 场景 | 工具 | 不要 | +|------|------|------| +| 查找符号 | `codegraph_search` | 不要 grep | +| 调用关系 | `codegraph_callers/callees` | 不要手动 Read 追踪 | +| 改动影响 | `codegraph_impact` | 不要猜测 | +| 代码区探索 | `codegraph_explore`（一次） | 不要逐个 codegraph_node | +| 字面量 | `grep` | 不要用 codegraph | + +WebFetch 不可用（DeepSeek 后端域名校验失败），用 `bash scripts/fetch.sh ` 替代。 diff --git a/copy_src.sh b/copy_src.sh new file mode 100755 index 00000000..8a5b9777 --- /dev/null +++ b/copy_src.sh @@ -0,0 +1,15 @@ +#!/bin/bash + +SRC_DIR=~/update_compiler/src +DST_DIR=~/warning/src + +mkdir -p "$DST_DIR" + +find "$SRC_DIR" \( -name '*.cpp' -o -name '*.h' \) | while read -r file; do + rel_path="${file#$SRC_DIR/}" + dir=$(dirname "$rel_path") + mkdir -p "$DST_DIR/$dir" + cp "$file" "$DST_DIR/$rel_path" +done + +echo "Done. All .cpp and .h files copied to $DST_DIR" diff --git a/doc/LLVM-Loop-Block-分析报告.md b/doc/LLVM-Loop-Block-分析报告.md new file mode 100644 index 00000000..0d551375 --- /dev/null +++ b/doc/LLVM-Loop-Block-分析报告.md @@ -0,0 +1,334 @@ +# 给 Claude 的 LLVM Loop Blocking 执行说明 +## 1. 目标 +你要根据这份文档，在当前项目中逐步实现循环分块优化。 +这不是背景介绍，而是执行说明。若你想扩更多能力，但与本文阶段约束冲突，必须优先服从本文。 + +这份文档只保留三类内容： +- 实现思路 +- 停点校验建议 +- 特别需要注意的事项 + +目标不是一次性写完一个完整 Polly 风格多面体优化器，而是先做一个可验证、可调试、能稳定拒绝复杂情况的基础版本。 + +### 最小成功标准 +基础版本至少要满足： +1. 能识别一类简单可分块 loop，并稳定输出 `blockable/profitable` 结果。 +2. 能在至少一个简单样例上完成 strip-mining 或 blocking 的 IR 改写。 +3. 改写后的 IR 能通过后续编译并保持语义正确。 +4. 对明显不适合 blocking 的 loop，能给出稳定拒绝原因。 +5. 对 6 个复杂样例，至少能做到分类准确。 + +### 任务边界 +你当前要实现的是 `plain loop blocking / strip-mining` 的基础版本，而不是完整工业级版本。 + +在没有额外说明时，任务边界限制为： +- counted loop +- 结构规整的二维或三维嵌套循环 +- 边界和数组下标可静态分析 +- 访问模式接近仿射 +- 无复杂控制流 +- 无需要运行时依赖检查的复杂别名情况 + +如果某个 loop 明显更适合： +- loop interchange +- autovectorization +- reduction-aware blocking +- matmul-specific blocking + +那么应优先拒绝，或者明确标注“不是当前阶段目标”。 + +### 必须遵守的执行方式 +你必须遵守： +1. 一次只实现一个大步骤，不允许把候选分析、tile 参数决策、CFG/SSA 重写一次性全写完。 +2. 每完成一个步骤，必须停下来检查，并明确说明这一阶段做了什么、IR 是否变化、变化是否符合预期。 +3. 如果当前阶段预期 IR 不应该变化，必须显式验证 IR 确实不变。 +4. 每个阶段至少准备一个“应该命中”的样例和一个“应该拒绝”的样例。 +5. 如果当前阶段检查没有通过，必须先修当前阶段，不能跳到下一阶段。 +6. 应优先追求“正确性 + 可调试性”，而不是过早追求复杂覆盖率。 + +### 当前不应做的事情 +除非当前阶段明确要求，否则不应： +- 一次性实现完整 polyhedral/SCoP 框架 +- 一次性支持复杂非仿射边界 +- 一次性支持复杂 alias 运行时检查 +- 一次性支持带数据相关分支的 block 重写 +- 一次性把 blocking、interchange、autovectorization、matmul-specialization 混成一个 pass + +### 默认保守策略 +如果不能稳定回答下面任一问题，就应默认拒绝该 loop： +- loop 是否结构规整 +- 访问是否足够接近仿射 +- 依赖在分块后是否仍然安全 +- loop 是否真的值得 blocking +- IR 重写是否能完整更新 `phi`、边界和 `GEP` + +换句话说： +- 不确定时，先拒绝 +- 不能证明收益时，先不做 +- 不能证明重写完整时，先不改 IR + +### 每个停点结束时应汇报什么 +每完成一个停点，都应汇报： +- 本阶段改了哪些文件 +- 本阶段新增了什么能力 +- 本阶段明确没有做什么 +- 使用了哪些测试样例 +- 优化前后 IR 是否变化 +- 程序语义是否保持一致 +- 是否进入下一阶段；如果不进入，当前阻塞点是什么 + +建议尽量按下面结构汇报： + +```text +[阶段名称] +1. 本阶段目标 +2. 本阶段实际修改 +3. 本阶段明确未做内容 +4. 测试样例 +5. IR 对比结果 +6. 语义检查结果 +7. 是否进入下一阶段 +8. 若不进入，阻塞原因 +``` + +### 当前停点失败时如何处理 +如果当前停点检查没有通过，应当： +1. 明确失败属于哪类：`IR 不该变但变了`、`IR 应该变但没变`、`IR 变了但位置不对`、`语义不一致`、`命中了错误类型的 loop`。 +2. 优先修当前阶段，不进入下一阶段。 +3. 不要在修 bug 的同时顺手扩新能力。 +4. 如果失败根因超出任务边界，应回退到“保守拒绝”。 +*** +## 2. 实现思路 +你应把循环分块理解成：把一个大迭代空间切成多个小块，让数据在块内被重复利用，从而改善缓存局部性，并为后续向量化或重排创造条件。 + +落到 IR 上，先只考虑最基础的 strip-mining / blocking。核心流程只有三步。 + +### （1）先做候选检测与合法性判定 +这一阶段不改 IR，只判断哪些 loop 可以安全分块。 + +最小可行版本只接受： +- 单层 counted loop 的 strip-mining +- 或二维/三维结构规整的 perfect / near-perfect nest +- 归纳变量和边界容易识别 +- 数组访问可表达为简单仿射形式 +- 不存在明显会被 blocking 破坏的依赖 + +如果要处理多维数组访问，最基础要求是能稳定识别： +- 哪些维度是 loop index +- 哪些维度决定 stride +- 哪些访问在块内可复用 + +### （2）再做 tile 参数与收益分析 +通过合法性检查后，再判断“值不值得 block”以及“按哪个维度 block”。 + +最小可行版本只关注三个问题： +- 哪个 loop 维度最值得被 strip-mine +- tile size 取多少 +- 分块后块内数据重用是否明显增加 + +基础启发式可以先很保守： +- 候选 tile size 固定为 `8 / 16 / 32` +- 再根据访问模式与维度个数做简单选择 + +简单原则： +- loop 只是逐元素扫描、当前内层已经 unit-stride，blocking 往往收益有限 +- loop 是矩阵归约型热点，blocking 往往更值得优先考虑 + +### （3）最后做 IR 变换 +只有在“合法 + 有收益”都成立时，才真正改 IR。 + +关键动作包括： +- 把原循环拆成外层 tile loop 和内层块内 loop +- 更新归纳变量 `phi` +- 更新边界比较与递增指令 +- 更新 `getelementptr` 中使用的索引表达式 +- 正确处理完整 tile 与边界 tile + +### 当前最适合先支持的循环 +建议先只支持两类： + +1. 用来证明 strip-mining 机制正确的简单 loop + +2. 真正有 blocking 价值的矩阵归约型 loop + +第一类用来把变换框架做对，第二类才是性能价值更高的目标。 + +### 扩展顺序建议 +比较稳的扩展顺序： +1. 单层 strip-mining 和二维/三维规整循环的基础 blocking 变换。 +2. 完整 tile / partial tile 处理。 +3. 更稳健的 affine access 分析。 +4. 与 interchange、autovectorization、matmul-specialization 协同。 +*** +## 3. 停点校验建议 +这是最重要的部分。你必须强制分阶段，不允许一步写完。 + +### 总规则 +必须遵守： +1. 一次只实现一个大步骤。 +2. 每做完一步，先校验，再继续。 +3. 当前阶段若预期 IR 不变，必须验证 IR 真的不变。 +4. 每阶段至少准备一个“应该优化”和一个“不应该优化”的样例。 +5. 当前阶段不过，就不要进入下一阶段。 + +每个阶段都固定做两类检查： +- 结构检查：IR 是否按预期变化 +- 语义检查：程序输出是否保持不变 + +### 停点一：只做候选检测与合法性判定 +这一步只做分析，不做 IR 改写。 + +应完成： +- 识别 counted loop 或 loop nest +- 识别归纳变量与边界 +- 识别基本访问模式 +- 输出“可分块 / 不可分块” +- 输出清晰拒绝原因 + +不应该做： +- 不应改写 CFG +- 不应改写 `phi` +- 不应改写 `GEP` +- 不应修改循环边界和步长 + +必须检查： +- 可分块样例是否被识别为可分块 +- 不可分块样例是否被稳定拒绝 +- 拒绝原因是否准确 +- IR 是否完全不变 + +推荐检查： +- 打印 `blockable: yes/no` +- 打印 `reason: non-affine-bound` +- 打印 `reason: complex-cfg` +- 打印 `reason: unsupported-access` +- 对比优化前后 IR，确认完全一致 + +### 停点二：只做 tile 计划与收益分析 +这一阶段仍然不做 IR 变换，只决定“该不该 block”以及“准备怎么 block”。 + +应完成： +- 在合法候选中筛选真正值得分块的 loop +- 决定按哪个维度 block +- 决定保守的 tile size +- 给出收益理由 + +必须检查： +- 简单逐元素 unit-stride loop 是否被拒绝或降权 +- 矩阵归约型热点是否被保留为候选 +- 这一阶段 IR 是否仍然不变 + +推荐检查： +- 打印 `profitable: yes/no` +- 打印 `reason: data-reuse` +- 打印 `reason: already-streaming` +- 打印 `tile-size: ...` + +### 停点三：最后做 blocking 变换 +这是最后一步，才真正改写 IR。 + +应完成： +- 生成外层 tile loop +- 生成块内 loop +- 更新归纳变量 `phi` +- 更新边界比较与递增指令 +- 更新 `GEP` 和相关使用点 +- 正确处理边界 tile + +必须检查： +- IR 中是否出现新的 tile loop 和块内 loop +- 原边界是否被改成 tile 级边界 +- `GEP` 是否引用了新的 tile 基址和块内偏移 +- 变换后的 IR 是否仍能通过后续编译与运行 + +推荐检查： +- diff IR，确认新增 tile loop +- 比较变换前后关键 `phi` / `icmp` / `add` / `GEP` +- 运行优化前后程序并比较输出 + +### 对六个测试样例的要求 +你应把这 6 个样例作为“复杂回归样例”使用： +- `many_mat_cal-1.sy` +- `many_mat_cal-2.sy` +- `many_mat_cal-3.sy` +- `matmul1.sy` +- `matmul2.sy` +- `matmul3.sy` + +对这 6 个样例，应遵守下面的判断： + +1. 三层矩阵归约热点 +- `many_mat_cal-*` 中 `sum = sum + C[i][k] * A[k][j]` +- `matmul1/2/3` 中带条件的三层矩阵归约 +- 这是最值得优先尝试命中的 blocking 目标 + +2. `many_mat_cal-*` 中的逐元素点运算 loop +- `C[i][j] = A[i][j] * 2 + B[i][j] * 3` +- `val = val * val + 7; val = val / 3` +- 这类 loop 通常不应作为 plain blocking 的优先目标 +- 原因是内层 `j` 已经是 streaming / unit-stride，更适合自动向量化 + +3. `matmul1/2/3` 中的转置型二维 loop +- `b[i][j] = a[j][i]` +- 这类 loop 不是 plain blocking 的第一优先目标 +- 更适合 loop interchange + +### 面向 Claude 的样例使用规则 +不要把目标写成“全部样例都要出现 blocking IR 变化”。 +正确目标是： +1. 先让样例分类与拒绝理由稳定。 +2. 再让真正属于 blocking 目标的 loop 发生变化。 +3. 对其他样例，即使最终 IR 不变，只要拒绝理由准确，也算当前阶段通过。 +*** +## 4. 特别需要注意的事项 +### 4.1 合法可分块不等于值得分块 +很多 loop 在结构上可以 strip-mine，但 blocking 不一定带来收益。 +如果当前 loop 只是简单 streaming 访问，内层已经是 unit-stride，那么 blocking 可能只会增加额外 loop 开销。 + +### 4.2 优先关注数据复用 +blocking 真正的目标不是制造更多 loop，而是让： +- 块内数据被重复使用 +- 工作集更容易留在 cache 中 + +如果块内没有明显复用，通常收益有限。 + +### 4.3 reduction 热点、点运算和转置 loop 要区分对待 +矩阵乘法类三层归约 loop 更接近 blocking 的主目标。 +简单逐元素 loop 更接近向量化主目标。 +转置型二维 loop 更接近 interchange 主目标。 +不要把这三类 loop 混为一谈。 + +### 4.4 partial tile 处理最容易出错 +如果 `N` 不能整除 `TileSize`，必须正确处理边界 tile。 +需要特别警惕： +- 越界访问 +- 漏掉尾部元素 +- 外层 tile 步长正确但内层边界错误 + +### 4.5 `GEP` 重写必须和新 induction 体系一致 +做完 blocking 后，访问地址通常不再直接是原始归纳变量，而是： +- tile base +- block-local offset + +如果 `GEP` 仍然引用旧 induction variable，通常说明重写不完整。 + +### 4.6 调试时优先相信 IR 差异 +循环分块最有效的调试方式不是先看性能，而是先看 IR。 +每个阶段优先回答： +- 有没有变化 +- 变化是不是预期那一种 +- 变化是否出现在正确的 loop 上 +- 输出是否仍然正确 +*** +## 5. 最终交付标准 +当你认为自己已经完成一个可提交版本时，至少应能给出： +- 哪些文件被修改 +- 当前 blocking pass 支持哪些 loop 形态 +- 当前明确不支持哪些 loop 形态 +- 三个停点分别如何验证通过 +- 这 6 个样例分别被归入哪一类 +- 至少一个真实发生 IR 变化且语义正确的 blocking 样例 +- 至少一个保持拒绝且理由正确的对照样例 + +如果你只能记住一句话，就记住这一句： +先把三层矩阵归约热点做成真正可验证的 blocking 候选，再去考虑更复杂的协同优化；不要为了命中全部性能样例而过早把 blocking、interchange、vectorization 混在一起做。 diff --git a/doc/LLVM-Loop-Fussion-分析报告.md b/doc/LLVM-Loop-Fussion-分析报告.md new file mode 100644 index 00000000..660a0af6 --- /dev/null +++ b/doc/LLVM-Loop-Fussion-分析报告.md @@ -0,0 +1,318 @@ +# 给 Claude 的 LLVM Loop Fusion 执行说明 +## 1. 目标 +你要根据这份文档，在当前项目中逐步实现循环融合优化。 +这不是背景介绍，而是执行说明。若你想额外扩展能力，但与本文的阶段约束冲突，必须优先服从本文。 + +这份文档只保留四类内容： +- 任务边界 +- 实现思路 +- 停点校验建议 +- 特别需要注意的事项 + +目标不是一次性写完一个完整工业级 loop fusion pass，而是先做一个可验证、可调试、能稳定拒绝复杂情况的基础版本。 + +### 最小成功标准 +基础版本至少要满足： +1. 能识别一类简单可融合 loop pair，并稳定输出 `fusible/profitable` 结果。 +2. 能在至少一个简单样例上完成真正的 IR 融合改写。 +3. 改写后的 IR 能通过后续编译并保持语义正确。 +4. 对明显不适合融合的 loop pair，能给出稳定拒绝原因。 +5. 对 6 个复杂样例，至少能做到分类准确。 + +### 任务边界 +你当前要实现的是 `plain loop fusion` 的基础版本，而不是完整工业级版本。 + +在没有额外说明时，任务边界限制为： +- 两个相邻的 counted loop +- 两个 loop 的结构接近一致 +- 两个 loop 的 trip count 相同，或当前阶段只接受完全相同 +- 两个 loop 的 preheader / header / latch / exit 易于识别 +- 无复杂控制流 +- 无需要运行时依赖检查的复杂别名情况 +- 中间代码为空，或当前阶段完全不支持 MIC + +如果某个场景明显更适合： +- loop interchange +- loop blocking +- autovectorization +- reduction-aware fusion +- 软件流水或更复杂的跨循环调度 + +那么应优先拒绝，或者明确标注“不是当前阶段目标”。 + +### 你必须遵守的执行方式 +你必须遵守： +1. 一次只实现一个大步骤，不允许把候选分析、收益分析、CFG/SSA 重写一次性全写完。 +2. 每完成一个步骤，必须停下来检查，并明确说明这一阶段做了什么、IR 是否变化、变化是否符合预期。 +3. 如果当前阶段预期 IR 不应该变化，必须显式验证 IR 确实不变。 +4. 每个阶段至少准备一个“应该命中”的样例和一个“应该拒绝”的样例。 +5. 如果当前阶段检查没有通过，必须先修当前阶段，不能跳到下一阶段。 +6. 应优先追求“正确性 + 可调试性”，而不是过早追求复杂覆盖率。 + +### 当前不应做的事情 +除非当前阶段明确要求，否则不应： +- 一次性支持 MIC +- 一次性支持 trip count 对齐所需的 peeling +- 一次性支持复杂条件控制流下的融合 +- 一次性支持跨多个 loop 的连锁融合 +- 一次性把 fusion、interchange、blocking、vectorization 混成一个 pass + +### 默认保守策略 +如果不能稳定回答下面任一问题，就应默认拒绝该 loop pair： +- 两个 loop 是否一定共同执行 +- 两个 loop 的 trip count 是否一致 +- 两个 loop 之间是否存在禁止融合的依赖 +- 融合后是否真的值得 +- CFG / `phi` / 分支目标是否能被完整重写 + +### 每个停点结束时应汇报什么 +每完成一个停点，都应汇报： +- 本阶段改了哪些文件 +- 本阶段新增了什么能力 +- 本阶段明确没有做什么 +- 使用了哪些测试样例 +- 优化前后 IR 是否变化 +- 程序语义是否保持一致 +- 是否进入下一阶段；如果不进入，当前阻塞点是什么 + +### 当前停点失败时如何处理 +如果当前停点检查没有通过，应当： +1. 明确失败属于哪类：`IR 不该变但变了`、`IR 应该变但没变`、`IR 变了但位置不对`、`语义不一致`、`命中了错误类型的 loop pair`。 +2. 优先修当前阶段，不进入下一阶段。 +3. 不要在修 bug 的同时顺手扩新能力。 +4. 如果失败根因超出任务边界，应回退到“保守拒绝”。 + +*** +## 2. 实现思路 +你应把循环融合理解成：把两个本来顺序执行的循环，合并成一个统一的循环控制结构，让同一迭代下原本分散的工作更靠近，从而减少循环控制开销、缩短数据重用距离，并为后续优化创造条件。 + +落到 IR 上，先只考虑最基础的 “两个相邻 counted loop 融合”。核心流程只有三步。 + +### （1）先做候选检测与合法性判定 +这一阶段不改 IR，只判断哪些 loop pair 可以安全融合。 + +最小可行版本只接受： +- 两个 loop 相邻 +- 两个 loop 控制流等价，或者至少在当前 CFG 上总是一起执行 +- 两个 loop 的 trip count 相同 +- 两个 loop 的 induction 形态简单 +- 两个 loop 都是单出口 +- 两个 loop 之间没有禁止融合的负距离依赖 + +最基础要能稳定识别： +- 第一个 loop 的 exit 是否直接连接第二个 loop 的 preheader +- 两个 loop 的归纳变量和边界比较 +- 两个 loop 的读写集合 +- 是否存在跨 loop 的依赖方向问题 + +### （2）再做收益分析 +通过合法性检查后，再判断“值不值得 fuse”。 + +最小可行版本只关注三个问题： +- 两个 loop 是否有明显的数据重用关系 +- 融合后是否减少循环控制开销 +- 融合后循环体是否不会膨胀到明显不利 + +基础启发式可以先很保守： +- 若第二个 loop 直接使用第一个 loop 刚写出的数组元素，优先考虑融合 +- 若两个 loop 只是无关地顺序扫描不同数组，收益通常有限 +- 若融合会显著增加 live range 或明显放大循环体，先拒绝 + +### （3）最后做 IR 变换 +只有在“合法 + 有收益”都成立时，才真正改 IR。 + +关键动作包括： +- 合并两个 loop 的循环控制 +- 更新 `phi` +- 更新 `icmp` / `br` +- 让原来第二个 loop 的循环体插入到第一个 loop 的迭代体中 +- 删除失效的 preheader / exit / 空基本块 +- 保持 SSA 与 CFG 一致 +最终效果应接近一个统一的循环控制结构： +`for (i = 0; i < N; ++i) { body0(i); body1(i); }` + +### 当前最适合先支持的循环 +建议先只支持两类： + +1. 用来证明 fusion 机制正确的简单生产者-消费者 loop pair +- 例如先写 `A[i]`，下一段立刻读 `A[i]` + +2. 控制结构简单、trip count 一致、相邻且无中间代码的 loop pair + +第一类用来把融合框架做对，第二类才适合逐步扩覆盖。 + +### 扩展顺序建议 +比较稳的扩展顺序： +1. 两个完全相邻 counted loop 的基础融合。 +2. 更稳健的依赖分析。 +3. trip count 对齐与有限 peeling。 +4. MIC。 +5. 与 interchange、blocking、vectorization 协同。 + +*** +## 3. 停点校验建议 +这是最重要的部分。你必须强制分阶段，不允许一步写完。 + +### 总规则 +必须遵守： +1. 一次只实现一个大步骤。 +2. 每做完一步，先校验，再继续。 +3. 当前阶段若预期 IR 不变，必须验证 IR 真的不变。 +4. 每阶段至少准备一个“应该优化”和一个“不应该优化”的样例。 +5. 当前阶段不过，就不要进入下一阶段。 + +每个阶段都固定做两类检查： +- 结构检查：IR 是否按预期变化 +- 语义检查：程序输出是否保持不变 + +### 停点一：只做候选检测与合法性判定 +这一步只做分析，不做 IR 改写。 + +应完成： +- 识别相邻 loop pair +- 识别归纳变量与边界 +- 检查 trip count 是否一致 +- 检查是否存在明显禁止融合的依赖 +- 输出“可融合 / 不可融合” +- 输出清晰拒绝原因 + +必须检查： +- 可融合样例是否被识别为可融合 +- 不可融合样例是否被稳定拒绝 +- 拒绝原因是否准确 +- IR 是否完全不变 + +推荐检查： +- 打印 `fusible: yes/no` +- 打印 `reason: trip-count-mismatch` +- 打印 `reason: non-adjacent-loops` +- 打印 `reason: negative-dependence` +- 对比优化前后 IR，确认完全一致 + +### 停点二：只做收益分析 +这一阶段仍然不做 IR 变换，只决定“该不该 fuse”。 + +应完成： +- 在合法候选中筛选真正值得融合的 loop pair +- 给出收益理由 +- 区分“合法但收益不足”和“确实值得融合” + +必须检查： +- 生产者-消费者型 loop pair 是否被保留为候选 +- 两个无关扫描 loop 是否被拒绝或降权 +- 这一阶段 IR 是否仍然不变 + +推荐检查： +- 打印 `profitable: yes/no` +- 打印 `reason: producer-consumer-reuse` +- 打印 `reason: only-branch-saving` +- 打印 `reason: register-pressure-risk` + +### 停点三：最后做 fusion 变换 +这是最后一步，才真正改写 IR。 + +应完成： +- 合并两个 loop 的控制流 +- 更新 `phi` +- 更新边界比较与分支 +- 把第二个 loop 的 body 接到第一个 loop 的迭代体中 +- 删除失效基本块 + +必须检查： +- IR 中是否只剩一个融合后的循环控制结构 +- 第二个 loop 的 body 是否进入融合后的循环体 +- 原先两个 `icmp + br` 是否被合并 +- 变换后的 IR 是否仍能通过后续编译与运行 + +推荐检查： +- diff IR，确认 loop 控制结构被合并 +- 比较变换前后关键 `phi` / `icmp` / `br` +- 运行优化前后程序并比较输出 + +### 对六个测试样例的要求 +你应把这 6 个样例作为“复杂回归样例”使用： +- `many_mat_cal-1.sy` +- `many_mat_cal-2.sy` +- `many_mat_cal-3.sy` +- `matmul1.sy` +- `matmul2.sy` +- `matmul3.sy` + +对这 6 个样例，应遵守下面的判断： + +1. `many_mat_cal-*` 中连续的逐元素阶段 +- 例如先写 `C[i][j]`，再对 `C[i][j]` 做逐元素变换 +- 这类相邻阶段是最接近 fusion 候选的部分 +- 如果结构上被 lowered 成相邻、trip count 一致的 loop pair，应优先分析是否可融合 + +2. `many_mat_cal-*` 与 `matmul*` 中的三层矩阵归约热点 +- 例如 `sum = sum + C[i][k] * A[k][j]` +- 这类 loop 不是 plain loop fusion 的第一优先目标 +- 更常见的主优化方向是 blocking、interchange、reduction-aware 变换 + +3. `matmul1/2/3` 中的转置型二维 loop +- 例如 `b[i][j] = a[j][i]` +- 这类 loop 更适合 interchange，而不是 fusion + +4. 带条件的复杂阶段 +- 例如 `if (...) temp = temp + ...` +- 当前基础 fusion 阶段通常应保守拒绝 + +### 面向 Claude 的样例使用规则 +不要把目标写成“这 6 个样例都要发生 fusion IR 变化”。 +正确目标是： +1. 先让样例分类与拒绝理由稳定。 +2. 再让真正属于 fusion 候选的 loop pair 发生变化。 +3. 对其他样例，即使最终 IR 不变，只要拒绝理由准确，也算当前阶段通过。 + +你尤其不应把下面这些现象误判成失败： +- `many_mat_cal-*` 的三层矩阵归约 loop 没有发生 fusion +- `matmul1/2/3` 的转置 loop 被判断为更适合 interchange +- 带条件的复杂阶段继续被拒绝 + +这些在基础 fusion 阶段通常都是合理结果。 + +*** +## 4. 特别需要注意的事项 +### 4.1 可融合不等于值得融合 +很多 loop pair 在结构上可以融合，但不一定带来收益。 +如果两个 loop 之间没有明显数据重用，只是单纯省掉一层循环控制，收益可能有限。 + +### 4.2 trip count 一致是最核心的前提之一 +基础版本里，最好只接受 trip count 明确一致的 loop pair。 +如果一开始就支持不一致 trip count 的对齐与 peeling，调试成本会显著上升。 + +### 4.3 依赖方向必须保守处理 +真正危险的不是“没有融合成功”，而是“错误地融合了本不该融合的 loop”。 +尤其要警惕跨 loop 的 RAW / WAR / WAW 依赖。 + +### 4.4 `phi` 与 CFG 重写最容易出错 +fusion 的本质不是把两段代码简单拼起来，而是把两个循环控制结构合并成一个。 +如果 `phi` incoming block、latch 跳转或 exit 连接错了，IR 很容易失效。 + +### 4.5 不要过早支持 MIC +中间代码移动很容易把问题从“loop fusion”变成“通用 CFG 重排”。 +基础版本建议先只做完全相邻 loop。 + +### 4.6 不要把 fusion 和别的优化混为一谈 +对这 6 个样例，更现实的顺序是： +1. 先在小样例上把 loop pair 融合做对。 +2. 再在可能的逐元素阶段上尝试命中简单 fusion。 +3. 明确拒绝那些更适合 interchange、blocking 或 vectorization 的 loop。 + +### 4.7 调试时优先相信 IR 差异 +循环融合最有效的调试方式不是先看性能，而是先看 IR：有没有变化、变化是否符合预期、是否出现在正确的 loop pair 上、输出是否仍然正确。 + +*** +## 5. 最终交付标准 +当你认为自己已经完成一个可提交版本时，至少应能给出： +- 哪些文件被修改 +- 当前 fusion pass 支持哪些 loop pair 形态 +- 当前明确不支持哪些 loop pair 形态 +- 三个停点分别如何验证通过 +- 这 6 个样例分别被归入哪一类 +- 至少一个真实发生 IR 变化且语义正确的 fusion 样例 +- 至少一个保持拒绝且理由正确的对照样例 + +如果你只能记住一句话，就记住这一句： +先把两个完全相邻、trip count 一致、无复杂依赖的 loop pair 融合做对，再去考虑 peeling、MIC 和与其他循环优化的协同；不要为了命中全部性能样例而过早把 fusion、interchange、blocking、vectorization 混在一起做。 diff --git a/doc/LLVM-Loop-Interchange-分析报告.md b/doc/LLVM-Loop-Interchange-分析报告.md new file mode 100644 index 00000000..9a465291 --- /dev/null +++ b/doc/LLVM-Loop-Interchange-分析报告.md @@ -0,0 +1,443 @@ +# 给 Claude 的 LLVM Loop Interchange 执行说明 +## 1. 目标 +你要根据这份文档，在当前项目中逐步实现循环交换优化。 +这份文档只保留三类内容： +- 实现思路 +- 停点校验建议 +- 特别需要注意的事项 +目标不是一次性写完一个覆盖所有情况的 Loop Interchange，而是让你严格按阶段推进，在每个停点完成后先验证，再继续。 + +### 任务边界 +你当前要实现的是 `plain loop interchange` 的基础版本，而不是完整工业级版本。 +在没有额外说明时，你应当把任务边界限制在： +- 二维循环 +- 结构接近 perfect nest +- counted loop +- 无 reduction +- 无复杂控制流 +- 无需要运行时检查的复杂别名情况 + +如果某个 loop 明显更适合： +- reduction-aware interchange +- loop blocking +- autovectorization +- matmul-specific 优化 + +那么你应优先拒绝，或者明确标注“不是当前阶段目标”，而不是硬做。 + +### 你必须遵守的执行方式 +你必须遵守下面这些规则： +1. 一次只实现一个大步骤，不允许把合法性分析、收益分析、CFG/SSA 重写一次性全写完。 +2. 每完成一个步骤，必须停下来检查，并明确说明“这一阶段做了什么、IR 是否变化、变化是否符合预期”。 +3. 如果当前阶段预期 IR 不应该变化，你必须显式验证 IR 确实不变。 +4. 每个阶段至少准备一个“应该命中”的样例和一个“应该拒绝”的样例。 +5. 如果当前阶段检查没有通过，你必须先修当前阶段，不能跳到下一阶段。 +6. 你应该优先追求“正确性 + 可调试性”，而不是过早追求复杂覆盖率。 + +### 你当前不应做的事情 +除非当前阶段已经明确要求，否则你不应： +- 一次性支持三层以上循环交换 +- 一次性支持 reduction-aware interchange +- 一次性支持带数据相关分支的交换 +- 一次性支持复杂 delinearization +- 一次性支持运行时依赖检查 +- 为了命中 `many_mat_cal-*` / `matmul*` 而把 pass 扩展成多个优化的混合实现 + +如果你发现某个样例更适合别的 pass，你应当明确写出原因，而不是把 loop interchange 做成“大杂烩优化”。 + +### 每个停点结束时你应当汇报什么 +每完成一个停点，你都应当汇报： +- 本阶段改了哪些文件 +- 本阶段新增了什么能力 +- 本阶段明确没有做什么 +- 使用了哪些测试样例 +- 优化前后 IR 是否变化 +- 程序语义是否保持一致 +- 是否进入下一阶段；如果不进入，当前阻塞点是什么 + +### 每个停点结束时的建议输出格式 +你应尽量按下面的结构汇报： + +```text +[阶段名称] +1. 本阶段目标 +2. 本阶段实际修改 +3. 本阶段明确未做内容 +4. 测试样例 +5. IR 对比结果 +6. 语义检查结果 +7. 是否进入下一阶段 +8. 若不进入，阻塞原因 +``` +*** +## 2. 实现思路 +你应当把循环交换理解成：在不改变程序语义的前提下，交换两层嵌套循环的先后顺序，让更适合顺序访问或更适合后续向量化的维度成为内层循环。 + +落到 IR 上，先只考虑最基础的二维 perfect nest。核心流程只有三步。 + +### （1）先做合法性判定 +这一阶段不改 IR，只判断交换是否安全。 +最小可行版本你应当只接受： +- 两层嵌套 counted loop +- 结构接近 perfect nest +- 外层和内层都有明确归纳变量 `phi` +- 边界和步长易于识别 +- 没有多出口复杂 CFG +- 依赖分析可以明确给出“可交换”结论 + +你应当使用依赖方向向量来判断是否合法。可简化理解为： +- `<`：依赖方向与索引递增方向一致 +- `=`：同一迭代或无差异 +- `>`：依赖方向反向，通常非法 +- `*`：不确定，当前版本应保守拒绝 + +最基础规则： +- 如果依赖矩阵中交换后会让第一个非 `=` 方向变成 `>` 或 `*`，你就应当拒绝 +- 如果依赖关系保持合法字典序，才允许进入下一阶段 + +### （2）再做收益分析 +通过合法性检查后，你再判断“值不值得换”。 + +最小可行版本建议只关注三个收益来源： +- 交换后内层访存是否更接近 unit-stride +- 交换后是否更利于缓存局部性 +- 交换后是否更利于后续自动向量化 + +这一步的重点不是复杂成本模型，而是先把明显值得换和明显不值得换区分开。 + +一个简单原则是： +- 如果交换后内层循环明显从 stride 访问变成连续访问，可以优先考虑交换 +- 如果当前内层已经是 unit-stride，通常不应仅为了“看起来更对称”而交换 + +### （3）最后做 IR 变换 +只有在“合法 + 有收益”都成立时，你再真正改 IR。 + +关键动作包括： +- 交换两层 loop 的 header / latch / exit 关系 +- 更新两层归纳变量对应的 `phi` +- 更新边界比较和递增指令 +- 更新循环体里所有使用归纳变量的指令 +- 特别关注 `getelementptr`、`load/store`、`icmp/add` + +对二维数组访问，可把目标理解为：让“原本挂在外层的索引”进入内层位置，或者反过来，具体取决于哪种顺序更有利。 + +### 当前最适合先支持的循环 +建议你先只支持最简单的二维 perfect nest，例如： + +```c +for (int i = 0; i < N; i++) { + for (int j = 0; j < M; j++) { + B[i][j] = A[j][i]; + } +} +``` + +这类循环的价值是： +- 结构规整 +- 只有两层 +- 没有 reduction +- 收益分析比较直观 + +### 扩展顺序建议 +比较稳的扩展顺序是： +1. 二维 perfect nest、无 reduction、无复杂分支。 +2. 动态边界但结构规整的二维循环。 +3. 更稳健的依赖分析与 delinearization。 +4. 与 reduction-aware interchange、blocking、autovectorization 协同。 +*** +## 3. 停点校验建议 +这是最重要的部分。你必须强制分阶段，不允许一步写完。 + +### 总规则 +你必须遵守： +1. 一次只实现一个大步骤。 +2. 每做完一步，先校验，再继续。 +3. 当前阶段若预期 IR 不变，必须验证 IR 真的不变。 +4. 每阶段至少准备一个“应该优化”和一个“不应该优化”的样例。 +5. 当前阶段不过，就不要进入下一阶段。 + +每个阶段都固定做两类检查： +- 结构检查：IR 是否按预期变化 +- 语义检查：程序输出是否保持不变 + +### 停点一：只做合法性判定 +这一步只做分析，不做 IR 改写。 + +你应完成： +- 识别两层嵌套 loop +- 识别两层归纳变量 +- 识别访问模式和基本依赖 +- 输出“可交换 / 不可交换” +- 输出清晰拒绝原因 + +你不应该做： +- 不应改写 CFG +- 不应改写 `phi` +- 不应改写 `GEP` +- 不应修改任何循环顺序 + +你必须检查： +- 可交换样例是否被识别为可交换 +- 不可交换样例是否被稳定拒绝 +- 拒绝原因是否准确 +- IR 是否完全不变 + +推荐检查方法： +- 打印 `interchangeable: yes/no` +- 打印 `reason: dependence-illegal` +- 打印 `reason: not-perfect-nest` +- 打印 `reason: complex-cfg` +- 对比优化前后 IR，确认完全一致 + +推荐样例： + +```c +for (int i = 0; i < N; i++) { + for (int j = 0; j < M; j++) { + B[i][j] = A[j][i]; + } +} +``` + +```c +for (int i = 0; i < N; i++) { + for (int j = 1; j < M; j++) { + A[i][j] = A[i][j] + A[i][j - 1]; + } +} +``` + +如果失败，优先排查： +- loop 遍历是否正确 +- perfect nest 识别是否过严或过松 +- 方向向量构造是否错误 +- 不确定依赖是否应保守拒绝 + +### 停点二：只做收益分析与交换计划 +这一阶段仍然不做 IR 变换，只决定“该不该换”以及“准备怎么换”。 + +你应完成： +- 在合法候选中筛选真正值得交换的 loop +- 标注哪一层会变成新的内层 +- 给出收益理由 + +你不应该做： +- 不应改写 CFG +- 不应改写 `phi` +- 不应改写 `GEP` + +你必须检查： +- 当前内层已经 unit-stride 的 loop 是否被拒绝 +- 明显的转置型 loop 是否被保留为候选 +- 这一阶段 IR 是否仍然不变 + +推荐检查方法： +- 打印 `profitable: yes/no` +- 打印 `reason: better-unit-stride` +- 打印 `reason: already-unit-stride` +- 打印 `reason: not-worth-it` + +推荐样例： +- 应命中：`B[i][j] = A[j][i]` +- 应拒绝：`C[i][j] = A[i][j] * 2 + B[i][j] * 3` + +如果失败，优先排查： +- unit-stride 判断是否颠倒 +- 是否把“合法但无收益”的 loop 也错误保留 +- 收益分析是否只看一种访存，忽略了整体模式 + +### 停点三：最后做循环交换变换 +这是最后一步，才真正改写 IR。 + +你应完成： +- 交换两层 loop 的结构 +- 更新两层 induction `phi` +- 更新比较与递增指令 +- 更新循环体中依赖 loop index 的 `GEP` 和相关使用点 + +你必须检查： +- loop 顺序是否真的被交换 +- 关键 `phi` / `icmp` / `add` 是否同步更新 +- `GEP` 使用的索引是否与新 loop 顺序一致 +- 变换后的 IR 是否仍能通过后续编译和运行 + +推荐检查方法： +- diff IR，确认 loop header / latch / `phi` / `GEP` 发生预期变化 +- 运行优化前后程序并比较输出 + +如果失败，优先排查： +- loop header / latch 接线是否错 +- `phi` 的 incoming block 是否错配 +- `GEP` 仍引用旧 induction variable +- 外层和内层 exit condition 没有同步更新 + +### 对六个测试样例的要求 +你应当把这 6 个样例作为“复杂回归样例”使用： +- `many_mat_cal-1.sy` +- `many_mat_cal-2.sy` +- `many_mat_cal-3.sy` +- `matmul1.sy` +- `matmul2.sy` +- `matmul3.sy` + +对这 6 个样例，你应当遵守下面的判断： + +1. `matmul1/2/3` 中的转置型二维循环 + +```c +while(i<1000){ + j = 0; + while(j<1000){ + b[i][j] = a[j][i]; + j = j+1; + } + i = i+1; +} +``` + +这是最值得优先尝试命中的 loop。 +原因： +- 两层规整 counted loop +- 没有 reduction +- 是典型的转置型访问 +- 交换后通常更利于其中一侧形成连续内层访问 + +2. `many_mat_cal-*` 中的逐元素点运算 loop + +```c +while (j < T) { + C[i][j] = A[i][j] * 2 + B[i][j] * 3; + j = j + 1; +} +``` + +这类 loop 通常不应作为 plain loop interchange 的优先目标。 +原因： +- 当前内层 `j` 已经是 unit-stride +- plain interchange 往往不会带来收益 +- 它们更适合自动向量化，而不是单独做循环交换 + +3. `many_mat_cal-*` 和 `matmul*` 中的三层矩阵归约 loop + +```c +while (k < T) { + sum = sum + C[i][k] * A[k][j]; + k = k + 1; +} +``` + +以及： + +```c +while(k<1000){ + if(a[i][k]*b[k][j] % 2 == 0) + temp = temp + b[i][k]*a[k][j]; + k = k+1; +} +``` + +这类 loop 在当前阶段通常不应作为 plain loop interchange 的主目标。 +原因： +- 包含 reduction 或条件 reduction +- 更适合 reduction-aware interchange、blocking 或 matmul-specific 优化 + +### 六个样例对应的期望行为 +为了让你的行为更稳定，你应当把这 6 个样例分成三类对待： + +1. 应优先尝试命中的样例类型 +- `matmul1/2/3` 中的转置型二维 loop +- 目标：在合法且有收益时，优先考虑交换 + +2. 应优先判为“收益不足”的样例类型 +- `many_mat_cal-*` 中已经是按行连续访问的逐元素 loop +- 目标：即使合法，也通常不交换 + +3. 应优先判为“不是当前阶段目标”的样例类型 +- `many_mat_cal-*` / `matmul*` 中的 reduction、条件 reduction、三层矩阵归约热点 +- 目标：继续拒绝，并明确说明更适合别的优化 +- 如果现在强行支持，容易把问题做得过早复杂化 + +### 用这 6 个样例回归时的额外规则 +如果开始用这 6 个样例做回归，你还应当加三条规则： +1. 先要求“拒绝原因更准确”，再要求“真的命中”。 +2. 每次只开放一类新能力，不要同时扩交换合法性、复杂收益模型、reduction 支持。 +3. 不仅看 IR 是否变化，还要看是不是正确类型的 loop 发生了变化。 + +例如： +- 在基础版本里，`matmul1/2/3` 的转置型二维 loop 应优先出现变化 +- `many_mat_cal-*` 的逐元素 loop 更应被判为“收益不足，不交换” +- 三层 reduction loop 在没有额外能力前应继续不变 +*** +## 4. 特别需要注意的事项 +### 4.1 依赖分析宁可保守，不要误交换 +这是最重要的一条。 + +```c +for (int i = 0; i < N; i++) { + for (int j = 1; j < M; j++) { + A[i][j] = A[i][j] + A[i][j - 1]; + } +} +``` + +这类 loop 不能直接交换，因为内层存在跨迭代依赖。 +如果方向向量出现 `>` 或 `*`，当前版本应优先拒绝。 + +### 4.2 合法不等于值得换 +很多 loop 结构上可以交换，但交换后并没有更好的局部性。 +例如 `many_mat_cal-*` 里很多逐元素按行访问 loop，当前内层已经是 unit-stride。 +这类 loop 即使合法，也应因收益不足而拒绝。 + +### 4.3 reduction 不是当前基础版本的主目标 +如果内层主要是： +- `sum += ...` +- `temp = temp + ...` +- 带条件的累加 + +那么它更像 reduction 或 masked reduction 问题。 +在 reduction-aware interchange 没实现前，你应优先拒绝，而不是硬做。 + +### 4.4 交换时不要只改 GEP，不改 loop 结构 +循环交换不是简单交换两个索引名字。 +你必须同步更新： +- loop header / latch +- 两层 induction `phi` +- 边界比较 +- 递增指令 +- 依赖这些 induction variable 的所有使用点 + +如果只改 `GEP` 而不改 loop 结构，通常会直接出错。 + +### 4.5 多维数组信息可能在 IR 中已经变弱 +LLVM IR 里的地址表达式可能已经被线性化。 +因此你可能需要： +- 从 `getelementptr` 或地址表达式中恢复维度关系 +- 保守判断哪些访问确实对应二维数组的两个维度 + +在这一步不稳时，宁可先限制只支持最规整的 `GEP(base, i, j)` 形态。 + +### 4.6 不要过早把复杂样例全当成 interchange 目标 +对这 6 个样例，更现实的顺序是： +1. 先命中 `matmul1/2/3` 里的转置型二维 loop。 +2. 再稳定拒绝 `many_mat_cal-*` 中已经 unit-stride 的逐元素 loop。 +3. 最后再考虑是否与 reduction-aware interchange、blocking 协同处理矩阵归约热点。 + +### 4.7 调试时优先相信 IR 差异 +循环交换最有效的调试方式不是先看性能，而是先看 IR。 +每个阶段你都优先回答： +- 有没有变化？ +- 变化是不是预期那一种？ +- 变化是否出现在正确的 loop 上？ +- 输出是否仍然正确？ +*** +## 5. 最终执行建议 +如果你把这份文档直接当成执行规则，可以简化成六句： +1. 先分析合法性，保证 IR 不变。 +2. 再分析收益，保证 IR 仍不变。 +3. 最后做 loop 结构交换与 `phi/GEP` 同步更新。 +4. 每一步都做 IR diff 和语义检查。 +5. 每一步都准备“应命中”和“应拒绝”两类样例。 +6. 没通过当前停点，就不要进入下一步。 + +如果你只能记住一句话，就记住这一句： +先把 `matmul1/2/3` 里的转置型二维 loop 做对，再去考虑更复杂的场景；不要为了命中全部性能样例而过早扩展到 reduction、blocking 或其他优化。 diff --git a/doc/opt-cookbook-ai-loop-interchange.md b/doc/opt-cookbook-ai-loop-interchange.md new file mode 100644 index 00000000..dd793f1a --- /dev/null +++ b/doc/opt-cookbook-ai-loop-interchange.md @@ -0,0 +1,185 @@ +# Loop Interchange（循环交换） + +## 前置依赖 +- 前置基础-IndVar分析（识别循环中 phi-based induction variable 的 step/base） + +## 目标 +交换嵌套循环的内外层顺序，使内层循环沿数组连续维（行主序的最后一维）迭代，提升 cache 局部性。核心难点不是交换本身（swap 两个循环头），而是**收益判断函数——什么时候交换有益？** + +## 算法原理 + +两种实现思路： + +| 维度 | Gnalc（结构化IR+仿射分析） | 复旦大学（四元式+SCEV） | +|------|------------------------|------------------------| +| 合法性 | Omega Test 精确依赖 | SCEV + loopInvariant | +| 收益 | GEP 维度位置（inner_idx vs outer_idx） | SCEV 步长系数（abs(faStep) vs abs(sonStep)） | +| 精度 | 高（复杂仿射） | 中（依赖 SCEV） | +| 框架适配 | 需仿射分析→不可行 | 可简化实现 | + +核心逻辑：**内层 IV 出现在非连续维 → 交换使其变外层 → 新内层 IV 在连续维 → cache 友好。** + +## 触发模式 + +两层完美嵌套循环 + 内层 init/step/bound 不依赖外层 IV： + +``` +outer.header: + %i = phi [I0, outer.ph], [%i.next, outer.latch] + %cmp.i = icmp lt %i, NI + condbr %cmp.i, inner.ph, outer.exit + +inner.ph: + br inner.header +inner.header: + %j = phi [J0, inner.ph], [%j.next, inner.latch] + %cmp.j = icmp lt %j, NJ + condbr %cmp.j, body, inner.exit + +body: + %addr = gep @A, %i, %j ;; %i在维度0, %j在维度1 ← inner IV不在连续维！ + %v = load %addr + ... +``` + +**此行主序下 `A[i][j]` 的连续维是最后一维（dim=1, j主导）。若内层遍历 j → 连续访问 ✓。若内层遍历 i → stride=N 跳跃 ✗ → 交换有利。** + +## 变换规则 + +``` +;; before: i 外层, j 内层, A[i][j] — j 在连续维 ✓ 已是最优, 无需交换 +;; before: i 外层, j 内层, A[j][i] — i 在连续维, 但 i 是外层 ✗ → 需要交换 + +;; 交换后： +outer'.header: ;; 原 inner.header + %j_out = phi [J0, outer'.ph], [%j_out.next, outer'.latch] + %cmp.j_out = icmp lt %j_out, NJ + condbr %cmp.j_out, inner'.ph, outer'.exit + +inner'.header: ;; 原 outer.header + %i_in = phi [I0, inner'.ph], [%i_in.next, inner'.latch] + %cmp.i_in = icmp lt %i_in, NI + condbr %cmp.i_in, body, inner'.exit + +body: ;; 不变: A[j][i] — 现在 j 外层, i 内层, i在连续维 ✓ + %addr = gep @A, %j_out, %i_in + %v = load %addr +``` + +## 收益函数：两种方案对比 + 推荐实现 + +### 方案 A：Gnalc 的 GEP 维度位置法（推荐，无需 SCEV） + +```cpp +// 单次数组访问的交换代价 +// 返回负值 = 交换有益, 正值 = 交换有害, 0 = 无关 +int GetInterchangeCost(GEP* gep, Value* outer_iv, Value* inner_iv) { + // gep 的索引序列: op0=base_ptr, op1=dim0, op2=dim1, ..., opN=dim(N-1), op(N+1)=element_offset + // 对于 A[dim0][dim1]: gep @A, dim0, dim1 + // 行主序: 最后一维(dim1) 连续 + + int outer_dim = -1, inner_dim = -1; + int num_indices = gep->GetNumOperands() - 2; // 去除 base_ptr 和 element_offset + + for (int d = 0; d < num_indices; d++) { + auto* idx = gep->GetOperand(d + 1); + if (DependsOn(idx, outer_iv)) outer_dim = d; + if (DependsOn(idx, inner_iv)) inner_dim = d; + } + + // 两个 IV 都没出现在这条 GEP 中 + if (outer_dim == -1 || inner_dim == -1) return 0; + + // 核心规则: 内层 IV 在更靠后的维度(index更大) → 已经连续 → 交换有害 + // 内层 IV 在更靠前的维度(index更小) → 不连续 → 交换有益 + // 例如 A[j][i]: inner=i 在 dim=1(连续) ✓, outer=j 在 dim=0 → inner_dim=1 > outer_dim=0 → cost=+1 + // 例如 A[i][j]: inner=j 在 dim=1(连续) ✓, outer=i 在 dim=0 → inner_dim=1 > outer_dim=0 → cost=+1 + // 例如 A[j][i] 但 i 是 outer: outer=i 在 dim=1, inner=j 在 dim=0 → inner_dim=0 < outer_dim=1 → cost=-1 交换有益！ + return (inner_dim < outer_dim) ? -1 : 1; +} +``` + +### 方案 B：复旦 SCEV 步长法（需 SCEV，精度更高） + +比较每个 IV 在地址表达式中的步长系数绝对值。abs(inner_step) < abs(outer_step) → 内层步长小、连续访问、不需换。 + +### 推荐：方案 A（无需 SCEV） + +GEP 索引结构天然暴露维度位置。竞赛用例中数组访问几乎都是 `A[dim0][dim1]` 直接对应 GEP 操作数，方案 A 足够。 + +## 实现骨架（合法性 + 收益） + +```cpp +bool TryInterchange(Loop* outer, Loop* inner) { + auto* outer_iv = outer->GetIV(); + auto* inner_iv = inner->GetIV(); + + // === 合法性检查 === + // 1. 内层循环的 init/step/bound 不依赖外层 IV + if (DependsOn(inner->GetInit(), outer_iv)) return false; + if (DependsOn(inner->GetBound(), outer_iv)) return false; + // 2. 外层 body 中除内层循环外无其他副作用指令 + for (auto* inst : outer->GetBody()) { + if (inst->GetParent() == inner->GetHeader()) continue; // 跳过内层循环本身 + if (isa(inst) || isa(inst)) return false; + } + // 3. 内层循环无中间 exit（单 latch + 单 exiting） + if (inner->GetExitingBlocks().size() != 1) return false; + + // === 收益判断 === + int cost = 0; + for (auto* bb : inner->GetBlocks()) { + for (auto& inst : bb->GetInstructions()) { + auto* gep = dyn_cast(inst.get()); + if (!gep) continue; + cost += GetInterchangeCost(gep, outer_iv, inner_iv); + } + } + // 收益阈值: cost < 0 表示至少有一条 GEP 从交换中受益 + if (cost >= 0) return false; + + // === 执行交换 === + // 交换两个循环的 header/latch/exit 结构 + // 关键: 交换后需要修正 phi 的 incoming block 和 CFG 边 + std::swap(outer->header, inner->header); // 简化示意 + std::swap(outer->latch, inner->latch); + // 详见 Part 2: CFG 重连 + return true; +} +``` + +## 正确性不变量 +- [ ] 交换后内层循环的 init/step/bound 仍然不依赖外层 IV（交换前检查了，交换后对称成立） +- [ ] 循环嵌套深度不变（只是交换了 header 和 latch，循环树结构不变） +- [ ] body 中的指令零修改（只改变两个循环 IV 对应 phi 的"内/外"角色） + +## 禁止事项 +- 绝对不在内层 init/step/bound 依赖外层 IV 时交换（语义错误） +- 绝对不交换非完美嵌套的循环（外层 body 有其他副作用指令） +- 绝对不交换有中间 exit 的内层循环 +- 绝对不在 cost ≥ 0 时强制交换（可能退化性能） +- 绝对不做 Omega Test 级别的精确依赖分析（竞赛场景不需要，GEP 位置法已足够） + +## 最小验证 +```bash +# 测试 transpose0 用例: 原始有大量 stride 访问, 交换后应改善 +./build/bin/compiler --emit-ir test/test_case/performance/transpose0.sy | grep "interchanged" +./2026test.sh -c performance -n 5 +``` + +## 收益函数核心公式（摘要） + +``` +对于 A[dim0][dim1]...[dimN-1] (行主序, 最后一维连续): + +inner_dim = inner IV 所在维度位置 +outer_dim = outer IV 所在维度位置 + +cost_per_access = (inner_dim < outer_dim) ? -1 : 1 + +总 cost = sum(所有 load/store 的 cost_per_access) + +if cost < 0: 交换有益 +``` + +**直觉**：`inner_dim < outer_dim` 意味着内层 IV 出现在更"非连续"的维度 → 交换后使其变成外层 IV → 新的内层 IV 出现在更"连续"的维度 → cache hit rate ↑。 diff --git a/include/frontend/AntlrDriver.h b/include/frontend/AntlrDriver.h deleted file mode 100644 index ee22da95..00000000 --- a/include/frontend/AntlrDriver.h +++ /dev/null @@ -1,20 +0,0 @@ -// 包装 ANTLR4，提供简易的解析入口。 -#pragma once - -#include -#include - -#include "SysYLexer.h" -#include "SysYParser.h" -#include "antlr4-runtime.h" - -struct AntlrResult { - std::unique_ptr input; - std::unique_ptr lexer; - std::unique_ptr tokens; - std::unique_ptr parser; - antlr4::tree::ParseTree* tree = nullptr; // owned by parser -}; - -// 解析指定文件，发生错误时抛出 std::runtime_error。 -AntlrResult ParseFileWithAntlr(const std::string& path); diff --git a/include/frontend/SyntaxTreePrinter.h b/include/frontend/SyntaxTreePrinter.h deleted file mode 100644 index 4633b5ec..00000000 --- a/include/frontend/SyntaxTreePrinter.h +++ /dev/null @@ -1,9 +0,0 @@ -#pragma once - -#include - -#include "antlr4-runtime.h" - -// 以树状缩进形式直接打印 ANTLR parse tree。 -void PrintSyntaxTree(antlr4::tree::ParseTree* tree, antlr4::Parser* parser, - std::ostream& os); diff --git a/include/ir/IR.h b/include/ir/IR.h deleted file mode 100644 index 87a35e0e..00000000 --- a/include/ir/IR.h +++ /dev/null @@ -1,545 +0,0 @@ -// 当前只支撑 i32、i32*、void 以及最小的内存/算术指令，演示用。 -// -// 当前已经实现： -// 1. 基础类型系统：void / i32 / i32* -// 2. Value 体系：Value / ConstantValue / ConstantInt / Function / BasicBlock / User / GlobalValue / Instruction -// 3. 最小指令集：Add / Alloca / Load / Store / Ret -// 4. BasicBlock / Function / Module 三层组织结构 -// 5. IRBuilder：便捷创建常量和最小指令 -// 6. def-use 关系的轻量实现： -// - Instruction 保存 operand 列表 -// - Value 保存 uses -// - 支持 ReplaceAllUsesWith 的简化实现 -// -// 当前尚未实现或只做了最小占位： -// 1. 完整类型系统：数组、函数类型、label 类型等 -// 2. 更完整的指令系统：br / condbr / call / phi / gep 等 -// 3. 更成熟的 Use 管理（例如 LLVM 风格的双向链式结构） -// 4. 更完整的 IR verifier 和优化基础设施 -// -// 当前需要特别说明的两个简化点： -// 1. BasicBlock 虽然已经纳入 Value 体系，但其类型目前仍用 void 作为占位， -// 后续如果补 label type，可以再改成更合理的块标签类型。 -// 2. ConstantValue 体系目前只实现了 ConstantInt，后续可以继续补 ConstantFloat、 -// ConstantArray等更完整的常量种类。 -// -// 建议的扩展顺序： -// 1. 先补更多指令和类型 -// 2. 再补控制流相关 IR -// 3. 最后再考虑把 Value/User/Use 进一步抽象成更完整的框架 - -#pragma once - -#include -#include -#include -#include -#include -#include -#include - -namespace ir { - -class Type; -class Value; -class User; -class ConstantValue; -class ConstantInt; -class ConstantFloat; -class GlobalValue; -class Instruction; -class BasicBlock; -class Function; -class Argument; -class GlobalVariable; - - - -// Use 表示一个 Value 的一次使用记录。 -// 当前实现设计： -// - value：被使用的值 -// - user：使用该值的 User -// - operand_index：该值在 user 操作数列表中的位置 - -class Use { - public: - Use() = default; - Use(Value* value, User* user, size_t operand_index) - : value_(value), user_(user), operand_index_(operand_index) {} - - Value* GetValue() const { return value_; } - User* GetUser() const { return user_; } - size_t GetOperandIndex() const { return operand_index_; } - - void SetValue(Value* value) { value_ = value; } - void SetUser(User* user) { user_ = user; } - void SetOperandIndex(size_t operand_index) { operand_index_ = operand_index; } - - private: - Value* value_ = nullptr; - User* user_ = nullptr; - size_t operand_index_ = 0; -}; - -// IR 上下文：集中管理类型、常量等共享资源，便于复用与扩展。 -class Context { - public: - Context() = default; - ~Context(); - // 去重创建 i32 常量。 - ConstantInt* GetConstInt(int v); - ConstantFloat* GetConstFloat(double v); - // 去重创建 i1 常量（0 或 1）。 - ConstantInt* GetConstBool(int v); - - std::string NextTemp(); - - private: - std::unordered_map> const_ints_; - std::unordered_map> const_floats_; - std::unordered_map> const_bools_; - int temp_index_ = -1; -}; - -class Type { - public: - enum class Kind { Void, Int1, Int32, Float32, PtrInt32, PtrFloat32 }; - explicit Type(Kind k); - // 使用静态共享对象获取类型。 - // 同一类型可直接比较返回值是否相等，例如： - // Type::GetInt32Type() == Type::GetInt32Type() - static const std::shared_ptr& GetVoidType(); - static const std::shared_ptr& GetInt1Type(); - static const std::shared_ptr& GetInt32Type(); - static const std::shared_ptr& GetFloat32Type(); - static const std::shared_ptr& GetPtrInt32Type(); - static const std::shared_ptr& GetPtrFloat32Type(); - Kind GetKind() const; - bool IsVoid() const; - bool IsInt1() const; - bool IsInt32() const; - bool IsFloat32() const; - bool IsPtrInt32() const; - bool IsPtrFloat32() const; - - private: - Kind kind_; -}; - -class Value { - public: - Value(std::shared_ptr ty, std::string name); - virtual ~Value() = default; - const std::shared_ptr& GetType() const; - const std::string& GetName() const; - void SetName(std::string n); - bool IsVoid() const; - bool IsInt32() const; - bool IsFloat32() const; - bool IsPtrInt32() const; - bool IsPtrFloat32() const; - bool IsConstant() const; - bool IsInstruction() const; - bool IsUser() const; - bool IsFunction() const; - void AddUse(User* user, size_t operand_index); - void RemoveUse(User* user, size_t operand_index); - const std::vector& GetUses() const; - void ReplaceAllUsesWith(Value* new_value); - - protected: - std::shared_ptr type_; - std::string name_; - std::vector uses_; -}; - -// ConstantValue 是常量体系的基类。 -// 当前只实现了 ConstantInt，后续可继续扩展更多常量种类。 -class ConstantValue : public Value { - public: - ConstantValue(std::shared_ptr ty, std::string name = ""); -}; - -class ConstantInt : public ConstantValue { - public: - ConstantInt(std::shared_ptr ty, int v); - int GetValue() const { return value_; } - - private: - int value_{}; -}; - -class ConstantFloat : public ConstantValue { - public: - ConstantFloat(std::shared_ptr ty, double v); - double GetValue() const { return value_; } - - private: - double value_{}; -}; - -// 后续还需要扩展更多指令类型。 -enum class Opcode { - Add, - Sub, - Mul, - Div, - Mod, - SIToFP, - FPToSI, - ZExt, - Eq, - Ne, - Lt, - Le, - Gt, - Ge, - Alloca, - Load, - Store, - GEP, - Call, - Br, - CondBr, - Ret, - Phi -}; - -// User 是所有“会使用其他 Value 作为输入”的 IR 对象的抽象基类。 -// 当前实现中只有 Instruction 继承自 User。 -class User : public Value { - public: - User(std::shared_ptr ty, std::string name); - size_t GetNumOperands() const; - Value* GetOperand(size_t index) const; - void SetOperand(size_t index, Value* value); - void AddOperand(Value* value); - - private: - std::vector operands_; -}; - -// GlobalValue 是全局值/全局变量体系的空壳占位类。 -// 当前只补齐类层次，具体初始化器、打印和链接语义后续再补。 -class GlobalValue : public User { - public: - GlobalValue(std::shared_ptr ty, std::string name); -}; - -class GlobalVariable : public GlobalValue { - public: - enum class StorageKind { - Scalar, - Array, - }; - - enum class ElemKind { - Int32, - Float32, - }; - - GlobalVariable(std::string name, int init_value); - GlobalVariable(std::string name, double init_value); - GlobalVariable(std::string name, size_t array_size); - GlobalVariable(std::string name, size_t array_size, ElemKind elem_kind); - GlobalVariable(std::string name, size_t array_size, const std::vector& init_values); - GlobalVariable(std::string name, size_t array_size, const std::vector& init_values); - StorageKind GetStorageKind() const; - bool IsArray() const; - ElemKind GetElemKind() const; - bool IsFloatElem() const; - int GetInitValue() const; - double GetInitFloatValue() const; - size_t GetArraySize() const; - const std::vector& GetInitValues() const; - const std::vector& GetInitFloatValues() const; - bool HasInitValues() const; - - private: - StorageKind storage_kind_ = StorageKind::Scalar; - ElemKind elem_kind_ = ElemKind::Int32; - int init_value_ = 0; - double init_float_value_ = 0.0; - size_t array_size_ = 0; - std::vector init_values_; - std::vector init_float_values_; -}; - -class Instruction : public User { - public: - Instruction(Opcode op, std::shared_ptr ty, std::string name = ""); - Opcode GetOpcode() const; - bool IsTerminator() const; - BasicBlock* GetParent() const; - void SetParent(BasicBlock* parent); - - private: - Opcode opcode_; - BasicBlock* parent_ = nullptr; -}; - -class BinaryInst : public Instruction { - public: - BinaryInst(Opcode op, std::shared_ptr ty, Value* lhs, Value* rhs, - std::string name); - Value* GetLhs() const; - Value* GetRhs() const; -}; - -class CastInst : public Instruction { - public: - CastInst(Opcode op, std::shared_ptr ty, Value* operand, - std::string name); - Value* GetOperandValue() const; -}; - -class BranchInst : public Instruction { - public: - BranchInst(std::shared_ptr void_ty, BasicBlock* target); - BasicBlock* GetTarget() const; -}; - -class CondBranchInst : public Instruction { - public: - CondBranchInst(std::shared_ptr void_ty, Value* cond, BasicBlock* true_bb, - BasicBlock* false_bb); - Value* GetCond() const; - BasicBlock* GetTrueTarget() const; - BasicBlock* GetFalseTarget() const; -}; - -class CallInst : public Instruction { - public: - CallInst(std::shared_ptr ret_ty, Function* callee, - const std::vector& args, std::string name); - Function* GetCallee() const; - size_t GetNumArgs() const; - Value* GetArg(size_t index) const; -}; - -class ReturnInst : public Instruction { - public: - ReturnInst(std::shared_ptr void_ty, Value* val = nullptr); - Value* GetValue() const; - bool HasValue() const; -}; - -class AllocaInst : public Instruction { - public: - AllocaInst(std::shared_ptr elem_ty, std::string name, - Value* count = nullptr); - bool IsArrayAlloca() const; - Value* GetCount() const; - std::shared_ptr GetElementType() const; -}; - -class GetElementPtrInst : public Instruction { - public: - GetElementPtrInst(std::shared_ptr ptr_ty, Value* base_ptr, - Value* index, std::string name); - Value* GetBasePtr() const; - Value* GetIndex() const; -}; - -class LoadInst : public Instruction { - public: - LoadInst(std::shared_ptr val_ty, Value* ptr, std::string name); - Value* GetPtr() const; -}; - -class StoreInst : public Instruction { -public: - StoreInst(std::shared_ptr void_ty, Value* val, Value* ptr); - Value* GetValue() const; - Value* GetPtr() const; -}; - -class PhiInst : public Instruction { -public: - PhiInst(std::shared_ptr ty, std::string name); - AllocaInst* GetAlloca() const { return alloca_; } - void SetAlloca(AllocaInst* alloca) { alloca_ = alloca; } - -private: - AllocaInst* alloca_; -}; - -class Argument : public Value { - public: - Argument(std::shared_ptr ty, std::string name, size_t index); - size_t GetIndex() const; - - private: - size_t index_ = 0; -}; - -// BasicBlock 已纳入 Value 体系，便于后续向更完整 IR 类图靠拢。 -// 当前其类型仍使用 void 作为占位，后续可替换为专门的 label type。 -class BasicBlock : public Value { - public: - explicit BasicBlock(std::string name); - Function* GetParent() const; - void SetParent(Function* parent); - bool HasTerminator() const; - const std::vector>& GetInstructions() const; - const std::vector& GetPredecessors() const; - const std::vector& GetSuccessors() const; - std::vector& GetMutablePredecessors() { - return predecessors_; - } - std::vector& GetMutableSuccessors() { - return successors_; - } - template - T* Append(Args&&... args) { - if (HasTerminator()) { - throw std::runtime_error("BasicBlock 已有 terminator，不能继续追加指令: " + - name_); - } - auto inst = std::make_unique(std::forward(args)...); - auto* ptr = inst.get(); - ptr->SetParent(this); - instructions_.push_back(std::move(inst)); - return ptr; - } - template - T* Prepend(Args&&... args) { - auto inst = std::make_unique(std::forward(args)...); - auto* ptr = inst.get(); - ptr->SetParent(this); - instructions_.insert(instructions_.begin(), std::move(inst)); - return ptr; - } - template - T* InsertAlloca(Args&&... args) { - auto inst = std::make_unique(std::forward(args)...); - auto* ptr = inst.get(); - ptr->SetParent(this); - instructions_.insert(instructions_.begin() + alloca_insert_index_, std::move(inst)); - ++alloca_insert_index_; - return ptr; - } - void RemoveInstruction(Instruction* inst) { - for (auto it = instructions_.begin(); it != instructions_.end(); ++it) { - if (it->get() == inst) { - instructions_.erase(it); - break; - } - } - } - std::unique_ptr TakeInstruction(Instruction* inst); - void InsertInstructionBeforeTerminator(std::unique_ptr inst); - - private: - Function* parent_ = nullptr; - std::vector> instructions_; - std::vector predecessors_; - std::vector successors_; - size_t alloca_insert_index_ = 0; -}; - -// Function 当前也采用了最小实现。 -// 需要特别注意：由于项目里还没有单独的 FunctionType， -// Function 继承自 Value 后，其 type_ 目前只保存“返回类型”， -// 并不能完整表达“返回类型 + 形参列表”这一整套函数签名。 -// 这对当前只支持 int main() 的最小 IR 足够，但后续若补普通函数、 -// 形参和调用，通常需要引入专门的函数类型表示。 -class Function : public Value { - public: - // 当前构造函数接收的也是返回类型，而不是完整函数类型。 - Function(std::string name, std::shared_ptr ret_type, - bool is_external = false); - Argument* AddParam(const std::string& name, std::shared_ptr type); - const std::vector>& GetParams() const; - bool IsExternal() const; - BasicBlock* CreateBlock(const std::string& name); - BasicBlock* GetEntry(); - const BasicBlock* GetEntry() const; - const std::vector>& GetBlocks() const; - - private: - bool is_external_ = false; - BasicBlock* entry_ = nullptr; - std::vector> params_; - std::vector> blocks_; -}; - -class Module { - public: - Module() = default; - Context& GetContext(); - const Context& GetContext() const; - // 创建函数时当前只显式传入返回类型，尚未接入完整的 FunctionType。 - Function* CreateFunction(const std::string& name, - std::shared_ptr ret_type, - bool is_external = false); - Function* GetFunction(const std::string& name) const; - GlobalVariable* CreateGlobalI32(const std::string& name, int init_value); - GlobalVariable* CreateGlobalF32(const std::string& name, double init_value); - GlobalVariable* CreateGlobalArrayI32(const std::string& name, - size_t array_size); - GlobalVariable* CreateGlobalArrayF32(const std::string& name, - size_t array_size); - GlobalVariable* CreateGlobalArrayI32(const std::string& name, - size_t array_size, - const std::vector& init_values); - GlobalVariable* CreateGlobalArrayF32(const std::string& name, - size_t array_size, - const std::vector& init_values); - GlobalVariable* GetGlobal(const std::string& name) const; - const std::vector>& GetGlobals() const; - const std::vector>& GetFunctions() const; - - private: - Context context_; - std::vector> globals_; - std::vector> functions_; -}; - -class IRBuilder { - public: - IRBuilder(Context& ctx, BasicBlock* bb); - void SetInsertPoint(BasicBlock* bb); - BasicBlock* GetInsertBlock() const; - - // 构造常量、二元运算、返回指令的最小集合。 - ConstantInt* CreateConstInt(int v); - ConstantFloat* CreateConstFloat(double v); - BinaryInst* CreateBinary(Opcode op, Value* lhs, Value* rhs, - const std::string& name); - BinaryInst* CreateAdd(Value* lhs, Value* rhs, const std::string& name); - BinaryInst* CreateICmp(Opcode op, Value* lhs, Value* rhs, - const std::string& name); - CastInst* CreateSIToFP(Value* operand, const std::string& name); - CastInst* CreateFPToSI(Value* operand, const std::string& name); - CastInst* CreateZExt(Value* operand, std::shared_ptr target_ty, const std::string& name); - AllocaInst* CreateAlloca(std::shared_ptr elem_ty, const std::string& name, - Value* count = nullptr); - AllocaInst* CreateAllocaI32(const std::string& name, - Value* count = nullptr); - AllocaInst* CreateAllocaF32(const std::string& name, - Value* count = nullptr); - LoadInst* CreateLoad(Value* ptr, const std::string& name); - StoreInst* CreateStore(Value* val, Value* ptr); - GetElementPtrInst* CreateGEP(Value* base_ptr, Value* index, - const std::string& name); - CallInst* CreateCall(Function* callee, const std::vector& args, - const std::string& name); - BranchInst* CreateBr(BasicBlock* target); - CondBranchInst* CreateCondBr(Value* cond, BasicBlock* true_bb, - BasicBlock* false_bb); - ReturnInst* CreateRet(Value* v); - ReturnInst* CreateRetVoid(); - PhiInst* CreatePhi(std::shared_ptr ty, const std::string& name); - - private: - Context& ctx_; - BasicBlock* insert_block_; -}; - -class IRPrinter { - public: - void Print(const Module& module, std::ostream& os); -}; - -} // namespace ir diff --git a/include/irgen/IRGen.h b/include/irgen/IRGen.h deleted file mode 100644 index 861f6fcb..00000000 --- a/include/irgen/IRGen.h +++ /dev/null @@ -1,122 +0,0 @@ -// 将语法树翻译为 IR。 -// 实现拆分在 IRGenFunc/IRGenStmt/IRGenExp/IRGenDecl。 - -#pragma once - -#include -#include -#include -#include -#include - -#include "SysYBaseVisitor.h" -#include "SysYParser.h" -#include "ir/IR.h" -#include "sem/Sema.h" - -namespace ir { -class Module; -class Function; -class IRBuilder; -class Value; -} - -class IRGenImpl final : public SysYBaseVisitor { - public: - IRGenImpl(ir::Module& module, const SemanticContext& sema); - - std::any visitCompUnit(SysYParser::CompUnitContext* ctx) override; - std::any visitFuncDef(SysYParser::FuncDefContext* ctx) override; - std::any visitBlock(SysYParser::BlockContext* ctx) override; - std::any visitBlockItem(SysYParser::BlockItemContext* ctx) override; - std::any visitDecl(SysYParser::DeclContext* ctx) override; - std::any visitVarDecl(SysYParser::VarDeclContext* ctx) override; - std::any visitStmt(SysYParser::StmtContext* ctx) override; - std::any visitVarDef(SysYParser::VarDefContext* ctx) override; - std::any visitExp(SysYParser::ExpContext* ctx) override; - std::any visitAddExp(SysYParser::AddExpContext* ctx) override; - std::any visitMulExp(SysYParser::MulExpContext* ctx) override; - std::any visitUnaryExp(SysYParser::UnaryExpContext* ctx) override; - std::any visitPrimaryExp(SysYParser::PrimaryExpContext* ctx) override; - std::any visitLVal(SysYParser::LValContext* ctx) override; - std::any visitNumber(SysYParser::NumberContext* ctx) override; - - private: - enum class BlockFlow { - Continue, - Terminated, - }; - - BlockFlow VisitBlockItemResult(SysYParser::BlockItemContext& item); - ir::Value* EvalExpr(SysYParser::ExpContext& expr); - ir::Value* EvalBinaryOrFold(ir::Opcode op, ir::Value* lhs, ir::Value* rhs); - std::shared_ptr ResolveBType(SysYParser::BTypeContext* btype) const; - int EvalConstIntExpr(SysYParser::ExpContext& expr); - int EvalConstIntExpr(SysYParser::ConstExpContext& expr); - int EvalConstIntAddExp(SysYParser::AddExpContext& expr); - int EvalConstIntMulExp(SysYParser::MulExpContext& expr); - int EvalConstIntUnaryExp(SysYParser::UnaryExpContext& expr); - int EvalConstIntPrimaryExp(SysYParser::PrimaryExpContext& expr); - double EvalConstFloatExpr(SysYParser::ConstExpContext& expr); - double EvalConstFloatAddExp(SysYParser::AddExpContext& expr); - double EvalConstFloatMulExp(SysYParser::MulExpContext& expr); - double EvalConstFloatUnaryExp(SysYParser::UnaryExpContext& expr); - double EvalConstFloatPrimaryExp(SysYParser::PrimaryExpContext& expr); - std::vector EvalArrayExtents( - const std::vector& dims); - std::vector GetArrayExtentsForDecl(SysYParser::VarDefContext* decl); - std::vector GetArrayExtentsForConstDecl( - SysYParser::ConstDefContext* decl); - std::vector GetArrayExtentsForLVal(SysYParser::LValContext& lval, - bool& is_array); - ir::Value* BuildLinearizedIndex( - const std::vector& indices, - const std::vector& extents_with_first_dim) ; - ir::Value* CastValueTo(ir::Value* value, - const std::shared_ptr& target_type); - ir::Value* GetLValAddress(SysYParser::LValContext& lval); - ir::AllocaInst* CreateEntryBlockAlloca(std::shared_ptr elem_ty, - const std::string& name, - ir::Value* count = nullptr); - std::string NextBlockName(const std::string& prefix); - void EmitCondBranch(SysYParser::CondContext& cond, ir::BasicBlock* true_bb, - ir::BasicBlock* false_bb); - void EmitLOrBranch(SysYParser::LOrExpContext& expr, ir::BasicBlock* true_bb, - ir::BasicBlock* false_bb); - void EmitLAndBranch(SysYParser::LAndExpContext& expr, ir::BasicBlock* true_bb, - ir::BasicBlock* false_bb); - void EmitEqBranch(SysYParser::EqExpContext& expr, ir::BasicBlock* true_bb, - ir::BasicBlock* false_bb); - void EmitRelBranch(SysYParser::RelExpContext& expr, ir::BasicBlock* true_bb, - ir::BasicBlock* false_bb); - ir::Value* EvalEqValue(SysYParser::EqExpContext& expr); - ir::Value* EvalRelValue(SysYParser::RelExpContext& expr); - - ir::Module& module_; - const SemanticContext& sema_; - ir::Function* func_; - ir::IRBuilder builder_; - std::unordered_map function_map_; - std::unordered_map const_value_map_; - std::vector> local_const_stack_; - std::vector> const_value_history_; - std::unordered_map> - array_extents_map_; - std::unordered_map> - const_array_extents_map_; - std::unordered_map> param_array_extents_map_; - std::unordered_map param_storage_map_; - std::unordered_map param_pointer_map_; - std::unordered_map global_storage_map_; - std::unordered_map - const_global_storage_map_; - // 名称绑定由 Sema 负责；IRGen 只维护“声明 -> 存储槽位”的代码生成状态。 - std::unordered_map storage_map_; - std::unordered_map - const_storage_map_; - std::vector> loop_stack_; - int block_index_ = 0; -}; - -std::unique_ptr GenerateIR(SysYParser::CompUnitContext& tree, - const SemanticContext& sema); diff --git a/include/mir/MIR.h b/include/mir/MIR.h deleted file mode 100644 index dabbd02c..00000000 --- a/include/mir/MIR.h +++ /dev/null @@ -1,414 +0,0 @@ -#pragma once - -#include -#include -#include -#include -#include - -namespace ir -{ - class Module; -} - -namespace mir -{ - - class MIRContext - { - public: - MIRContext() = default; - }; - - MIRContext &DefaultContext(); - - enum class PhysReg - { - W0, - W1, - W2, - W3, - W4, - W5, - W6, - W7, - W8, - W9, - W10, - W11, - W12, - W13, - W14, - W15, - W16, - W17, - W18, - W19, - W20, - W21, - W22, - W23, - W24, - W25, - W26, - W27, - W28, - W29, - W30, - X0, - X1, - X2, - X3, - X4, - X5, - X6, - X7, - X8, - X9, - X10, - X11, - X12, - X13, - X14, - X15, - X16, - X17, - X18, - X19, - X20, - X21, - X22, - X23, - X24, - X25, - X26, - X27, - X28, - X29, - X30, - S0, - S1, - S2, - S3, - S4, - S5, - S6, - S7, - S8, - S9, - S10, - S11, - S12, - S13, - S14, - S15, - S16, - S17, - S18, - S19, - S20, - S21, - S22, - S23, - S24, - S25, - S26, - S27, - S28, - S29, - S30, - S31, - XZR, - SP, - WZR - }; - - const char *PhysRegName(PhysReg reg); - - enum class VRegClass - { - Int, - Float, - Ptr - }; - - enum class Opcode - { - Prologue, - Epilogue, - MovImm, - LoadStack, - StoreStack, - LoadStackAddr, - LoadGlobal, - StoreGlobal, - LoadGlobalAddr, - LoadMem, - StoreMem, - AddRR, - SubRR, - MulRR, - DivRR, - ModRR, - AndRR, - OrRR, - XorRR, - ShlRR, - ShrRR, - AsrRR, - Asr64RR, - Uxtw, - Sxtw, - CmpRR, - CmpImm, - FCmpRR, - CSet, - Csel, - Smull, - Msub, - NegRR, - FAddRR, - FSubRR, - FMulRR, - FDivRR, - Scvtf, - FCvtzs, - FMovWS, - Br, - CondBr, - Call, - Ret, - LoadAddr, - MovReg, - }; - - enum class CondCode - { - EQ, - NE, - LT, - LE, - GT, - GE - }; - - class Operand - { - public: - enum class Kind - { - Reg, - VReg, - Imm, - FrameIndex, - Label, - Symbol - }; - - static Operand Reg(PhysReg reg); - static Operand VReg(int id, VRegClass vreg_class); - static Operand Imm(int value); - static Operand FrameIndex(int index); - static Operand Label(int label_id); - static Operand Symbol(std::string symbol); - - Kind GetKind() const { return kind_; } - PhysReg GetReg() const { return reg_; } - int GetImm() const { return imm_; } - int GetFrameIndex() const { return imm_; } - int GetLabel() const { return imm_; } - const std::string &GetSymbol() const { return symbol_; } - int GetVRegId() const { return imm_; } - VRegClass GetVRegClass() const { return vreg_class_; } - - private: - Operand(Kind kind, PhysReg reg, int imm, - VRegClass vreg_class = VRegClass::Int, std::string symbol = ""); - - Kind kind_; - PhysReg reg_; - int imm_; - std::string symbol_; - VRegClass vreg_class_; - }; - - class MachineInstr - { - public: - MachineInstr(Opcode opcode, std::vector operands = {}); - - Opcode GetOpcode() const { return opcode_; } - const std::vector &GetOperands() const { return operands_; } - std::vector &GetOperands() { return operands_; } - - private: - Opcode opcode_; - std::vector operands_; - }; - - struct FrameSlot - { - int index = 0; - int size = 4; - int offset = 0; - bool is_stack_arg = false; - bool is_callee_stack_arg = false; - }; - - class MachineBasicBlock - { - public: - explicit MachineBasicBlock(std::string name, int label_id = -1); - - const std::string &GetName() const { return name_; } - int GetLabelId() const { return label_id_; } - void SetLabelId(int label_id) { label_id_ = label_id; } - - std::vector &GetInstructions() { return instructions_; } - const std::vector &GetInstructions() const { return instructions_; } - - MachineInstr &Append(Opcode opcode, - std::initializer_list operands = {}); - - private: - std::string name_; - int label_id_ = -1; - std::vector instructions_; - }; - - class MachineFunction - { - public: - explicit MachineFunction(std::string name); - - const std::string &GetName() const { return name_; } - - MachineBasicBlock &GetEntry() { return *entry_; } - const MachineBasicBlock &GetEntry() const { return *entry_; } - - MachineBasicBlock *GetEntryPtr() { return entry_; } - const MachineBasicBlock *GetEntryPtr() const { return entry_; } - - MachineBasicBlock &CreateBlock(std::string name); - MachineBasicBlock *FindBlock(const std::string &name); - const MachineBasicBlock *FindBlock(const std::string &name) const; - - std::vector> &GetBlocks() - { - return blocks_; - } - const std::vector> &GetBlocks() const - { - return blocks_; - } - - int CreateLabel(); - - int CreateFrameIndex(int size = 4); - int CreateStackArgFrameIndex(int size = 4); - int CreateCalleeStackArgFrameIndex(int size = 4); - FrameSlot &GetFrameSlot(int index); - const FrameSlot &GetFrameSlot(int index) const; - const std::vector &GetFrameSlots() const { return frame_slots_; } - std::vector &GetFrameSlots() { return frame_slots_; } - - int GetFrameSize() const { return frame_size_; } - void SetFrameSize(int size) { frame_size_ = size; } - - int CreateVReg(VRegClass vreg_class); - VRegClass GetVRegClass(int vreg_id) const; - int GetNumVRegs() const { return static_cast(vreg_classes_.size()); } - - void AddCalleeSavedReg(PhysReg reg); - const std::vector &GetCalleeSavedRegs() const { return callee_saved_regs_; } - - private: - std::string name_; - std::vector> blocks_; - MachineBasicBlock *entry_ = nullptr; - - std::vector frame_slots_; - int frame_size_ = 0; - int next_label_id_ = 0; - - std::vector vreg_classes_; - std::vector callee_saved_regs_; - }; - - struct MachineGlobal - { - enum class Kind - { - I32Scalar, - I32Array - }; - - std::string name; - Kind kind = Kind::I32Scalar; - int init_value = 0; - size_t array_size = 0; - std::vector init_values; - }; - - class MachineModule - { - public: - MachineModule() = default; - - MachineFunction &CreateFunction(std::string name); - MachineFunction *GetFunction(const std::string &name); - const MachineFunction *GetFunction(const std::string &name) const; - - std::vector> &GetFunctions() - { - return functions_; - } - const std::vector> &GetFunctions() const - { - return functions_; - } - - void AddGlobalI32(std::string name, int init_value) - { - MachineGlobal g; - g.name = std::move(name); - g.kind = MachineGlobal::Kind::I32Scalar; - g.init_value = init_value; - globals_.push_back(std::move(g)); - } - - void AddGlobalArrayI32(std::string name, size_t array_size, - std::vector init_values = {}) - { - MachineGlobal g; - g.name = std::move(name); - g.kind = MachineGlobal::Kind::I32Array; - g.array_size = array_size; - g.init_values = std::move(init_values); - globals_.push_back(std::move(g)); - } - - std::vector &GetGlobals() { return globals_; } - const std::vector &GetGlobals() const { return globals_; } - - private: - std::vector> functions_; - std::vector globals_; - }; - - std::unique_ptr LowerModuleToMIR(const ir::Module &module); - std::unique_ptr LowerToMIR(const ir::Module &module); - - void RunRegAlloc(MachineFunction &function); - void RunRegAlloc(MachineModule &module); - - void RunFrameLowering(MachineFunction &function); - void RunFrameLowering(MachineModule &module); - - void RunPeephole(MachineFunction &function); - void RunPeephole(MachineModule &module); - - void PrintAsm(const MachineFunction &function, std::ostream &os); - void PrintAsm(const MachineModule &module, std::ostream &os); - -} // namespace mir diff --git a/include/sem/Sema.h b/include/sem/Sema.h deleted file mode 100644 index 5a677fd0..00000000 --- a/include/sem/Sema.h +++ /dev/null @@ -1,92 +0,0 @@ -// 基于语法树的语义检查与名称绑定。 -#pragma once - -#include - -#include "SysYParser.h" - -class SemanticContext { - public: - void BindVarUse(SysYParser::LValContext* use, - SysYParser::VarDefContext* decl) { - var_uses_[use] = decl; - } - - SysYParser::VarDefContext* ResolveVarUse( - const SysYParser::LValContext* use) const { - auto it = var_uses_.find(use); - return it == var_uses_.end() ? nullptr : it->second; - } - - void BindConstArrayUse(SysYParser::LValContext* use, - SysYParser::ConstDefContext* decl) { - const_array_uses_[use] = decl; - } - - SysYParser::ConstDefContext* ResolveConstArrayUse( - const SysYParser::LValContext* use) const { - auto it = const_array_uses_.find(use); - return it == const_array_uses_.end() ? nullptr : it->second; - } - - void BindConstScalarUse(SysYParser::LValContext* use, - SysYParser::ConstDefContext* decl) { - const_scalar_uses_[use] = decl; - } - - SysYParser::ConstDefContext* ResolveConstScalarUse( - const SysYParser::LValContext* use) const { - auto it = const_scalar_uses_.find(use); - return it == const_scalar_uses_.end() ? nullptr : it->second; - } - - void BindConstUse(SysYParser::LValContext* use, int value) { - const_uses_[use] = value; - } - - const int* ResolveConstUse(const SysYParser::LValContext* use) const { - auto it = const_uses_.find(use); - return it == const_uses_.end() ? nullptr : &it->second; - } - - void BindConstFloatUse(SysYParser::LValContext* use, double value) { - const_float_uses_[use] = value; - } - - const double* ResolveConstFloatUse(const SysYParser::LValContext* use) const { - auto it = const_float_uses_.find(use); - return it == const_float_uses_.end() ? nullptr : &it->second; - } - - void BindCallUse(SysYParser::UnaryExpContext* call, - SysYParser::FuncDefContext* decl) { - call_uses_[call] = decl; - } - - SysYParser::FuncDefContext* ResolveCallUse( - const SysYParser::UnaryExpContext* call) const { - auto it = call_uses_.find(call); - return it == call_uses_.end() ? nullptr : it->second; - } - - private: - std::unordered_map - var_uses_; - std::unordered_map const_uses_; - std::unordered_map const_float_uses_; - std::unordered_map - const_array_uses_; - std::unordered_map - const_scalar_uses_; - std::unordered_map - call_uses_; -}; - -// 目前仅检查： -// - 变量先声明后使用 -// - 局部变量不允许重复定义 -SemanticContext RunSema(SysYParser::CompUnitContext& comp_unit); diff --git a/include/sem/SymbolTable.h b/include/sem/SymbolTable.h deleted file mode 100644 index 61275509..00000000 --- a/include/sem/SymbolTable.h +++ /dev/null @@ -1,22 +0,0 @@ -// 极简符号表：记录局部变量定义点。 -#pragma once - -#include -#include -#include - -#include "SysYParser.h" - -class SymbolTable { - public: - void EnterScope(); - void ExitScope(); - void Add(const std::string& name, SysYParser::VarDefContext* decl); - bool ContainsInCurrent(const std::string& name) const; - bool Contains(const std::string& name) const; - SysYParser::VarDefContext* Lookup(const std::string& name) const; - - private: - std::vector> - scopes_; -}; diff --git a/include/utils/CLI.h b/include/utils/CLI.h deleted file mode 100644 index 4c184a4a..00000000 --- a/include/utils/CLI.h +++ /dev/null @@ -1,15 +0,0 @@ -// 简易命令行解析：支持帮助、输入文件与输出阶段选择。 -#pragma once - -#include - -struct CLIOptions { - std::string input; - bool emit_parse_tree = false; - bool emit_ir = true; - bool emit_asm = false; - bool show_help = false; - bool optimize = false; -}; - -CLIOptions ParseCLI(int argc, char** argv); diff --git a/include/utils/Log.h b/include/utils/Log.h deleted file mode 100644 index 303f1a11..00000000 --- a/include/utils/Log.h +++ /dev/null @@ -1,20 +0,0 @@ -// 轻量日志接口。 -#pragma once - -#include -#include -#include -#include -#include - -void LogInfo(std::string_view msg, std::ostream& os); -void LogError(std::string_view msg, std::ostream& os); - -std::string FormatError(std::string_view stage, std::string_view msg); -std::string FormatErrorAt(std::string_view stage, std::size_t line, - std::size_t column, std::string_view msg); -bool HasErrorPrefix(std::string_view msg, std::string_view stage); -void PrintException(std::ostream& os, const std::exception& ex); - -// 打印命令行帮助信息（用于 `compiler --help`）。 -void PrintHelp(std::ostream& os); diff --git a/optimization-designs/.gitkeep b/optimization-designs/.gitkeep new file mode 100644 index 00000000..63a139fc --- /dev/null +++ b/optimization-designs/.gitkeep @@ -0,0 +1 @@ +所有优化设计文档存档目录。 diff --git a/optimization-designs/00-总览-优化全景.md b/optimization-designs/00-总览-优化全景.md new file mode 100644 index 00000000..80b1f8a7 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/00-总览-优化全景.md @@ -0,0 +1,82 @@ +# 编译器优化全景 + +## 编译管线与 pass 顺序 + +``` +SysY 源码 + │ + ▼ +ANTLR 语法树 ──→ 语义分析 ──→ IR 生成 + │ + ▼ (仅 -O) +IR Pass 管线: + 1. Mem2Reg ← SSA 构造，alloca/load/store → φ+SSA + 2. IfConversion ← if-else diamond → 算术 select，循环体单 BB 化 + 3. CFGSimplify ← 不可达块消除、常量分支折叠 + 4. LoopUnroll ← 简单 countdown 循环全展开 + 5. Inline ← 保守内联：leaf 单 BB 函数迭代内联 + 6. LICM ← （空桩，未实现） + 7. LoopVectorize ← NEON SIMD 自动向量化 (VF=4, <4×i32>) + 8. 迭代至不动点: ConstFold → ConstProp → CFGSimplify → CSE → DCE + │ + ▼ +IR → MIR 降级 (Lowering) + │ + ▼ +MIR Pass 管线: + 1. MIRCleanup ← MovImm 转发 + 2. TwoAddressOpt ← 操作数交换，减少 copy 需求 + 3. CopyPropagation ← 死副本/自复制/前向后向传播/副本链折叠/StoreLoad 折叠 + 4. RegisterCoalescer ← 合并 copy-connected vreg（LiveIntervals 干涉检查） + 5. RegAlloc ← 贪心图着色 + spill（MAX_SPILL_ROUNDS=1） + 6. FrameLowering ← 栈帧分配 + 7. BlockLayout ← Pettis-Hansen 基本块重排序 + 8. Peephole ← 局部指令优化 + fallthrough 消除 + │ + ▼ +AArch64 汇编 (AsmPrinter) +``` + +## 优化统计 + +| 层级 | 已实现 | 未实现/空桩 | +|------|--------|------------| +| 第 1 层（算法策略） | 贪心寄存器分配 + spill slot 共享 | — | +| 第 2 层（管线架构） | Mem2Reg, LoopVectorize, Inline | **LICM**（空桩）、GVN、SCCP、LoopUnswitch | +| 第 3 层（跨 pass 协同） | IfConversion→LoopUnroll→Inline 联动 | DCE 后不自动触发 CFGSimplify | +| 第 4 层（单 pass 算法） | CFGSimplify, ConstFold, ConstProp, CSE, DCE, CopyProp, Coalescer, BlockLayout | — | +| 第 5 层（窥孔/局部） | Peephole(10+模式), AddImm/SubImm, CmpImm, sdiv, 叶函数帧, ADRP 缓存, Movz | — | + +## 性能数据总览 + +以下是指令数基线（`指令数基线.json`）中每个用例的最小指令数（-O 优化后）： + +| 用例 | 指令数 | 用例 | 指令数 | +|------|--------|------|--------| +| mm1/mm2/mm3 | 277 | fft0-2 | 558 | +| sort1-3 | 541 | h-1-01-03 | 149 | +| conv2d-1-3 | 571 | h-4-01-03 | 158 | +| crc1-3 | 242 | h-5-01-03 | 283 | +| crypto-1-3 | 1437 | h-8-01-03 | 327 | +| huffman-01-03 | 694 | h-9-01-03 | 197 | +| matmul1-3 | 323 | h-10-01-03 | 272 | +| many_mat_cal-1-3 | 355 | shuffle0-2 | 368 | +| knapsack-1-3 | 165 | sl1-3 | 233 | +| transpose0-2 | 178 | opt_scheduling-1-3 | 110 | + +## 各优化累计效果 + +根据优化记录，每条优化的指令数削减（全量 performance 测试集累计）： + +| 优化 | 累计削减 | 层级 | +|------|---------|------| +| MAX_SPILL_ROUNDS 缩减 + Spill Slot 共享 | ~273,000（mm 系列） | 第 1/5 层 | +| 除法改用 sdiv | -735 | 第 5 层 | +| 叶函数帧优化 | -312 | 第 5 层 | +| ADRP 冗余消除 | -135 | 第 5 层 | +| CmpImm 常量折叠 | -91 | 第 5 层 | +| AddImm/SubImm | -55 | 第 5 层 | +| Movz #0 优化 | -33 | 第 5 层 | +| 全局变量 Peephole | -15 | 第 5 层 | + +> 注：IR pass 的效果未单独测量。Mem2Reg 是所有后续优化的前提；IfConversion + LoopUnroll + Inline 使小函数变为单 BB 并内联，减少 call/ret 开销；LoopVectorize 提供 4× 吞吐量提升但指令数不一定减少。 diff --git a/optimization-designs/01-IR优化-Mem2Reg与SSA构造.md b/optimization-designs/01-IR优化-Mem2Reg与SSA构造.md new file mode 100644 index 00000000..ab4e7aae --- /dev/null +++ b/optimization-designs/01-IR优化-Mem2Reg与SSA构造.md @@ -0,0 +1,48 @@ +# Mem2Reg：SSA 构造 + +- **层级**：第 2 层（编译管线架构改进） +- **文件**：`src/ir/passes/Mem2Reg.cpp` (800 行) +- **类型**：IR + +## 做什么 + +将局部变量的 alloca/load/store 提升为标准 SSA 形式，使用支配边界 + PHI 节点插入算法。 + +``` +优化前（栈变量）： 优化后（SSA）： + %p = alloca i32 （alloca 消除） + store i32 42, %p → %v1 = 42 + %x = load i32, %p %x 的使用直接替换为 %v1 +``` + +## 怎么实现 + +1. **找可提升的 alloca**：筛选仅被 Load/Store 使用、非数组类型的 alloca +2. **计算支配者**：迭代数据流算法（Intersect-based），最多 1000 轮 +3. **计算支配边界**：标准支配边界算法 +4. **插入 PHI 节点**：对每个 alloca，在所有支配边界块插入 PHI +5. **Rename（重命名）**：支配树上前序遍历，维护值栈；store 推栈，load 替换，回退时弹栈 +6. **删除冗余**：移除原始 Load/Store/Alloca 指令 + +## 安全门禁 + +三处安全阈值防止编译超时或错误： + +1. **大函数跳过**：>2000 基本块的函数跳过（避免支配者计算超时） +2. **多 alloca 跳过**：>24 个 promotable alloca 跳过（避免大参数函数 SSA 构造错误——来自 `87_many_params` 的 bug 修复） +3. **PHI 过多跳过**：PHI 数量 > max(100, block_count×2) 时跳过（启发式阈值） + +## 实际效果 + +Mem2Reg 是所有后续优化的前提条件。没有 SSA 形式，ConstProp、CSE 等无法工作。具体来说： +- 消除了所有局部标量变量的栈分配，转为 vreg +- 为 ConstProp 暴露了常量传播路径 +- 为 CSE 暴露了公共子表达式 +- 减少了 Load/Store 指令数（栈访问 → 寄存器访问） + +## 已知局限 + +1. **不处理数组 alloca**：`IsArrayAlloca()` 返回 false 则不提升。这意味着数组访问仍走栈 +2. **安全门禁可能过宽**：>24 alloca 的函数被完全跳过，但这些函数可能包含大量可优化的栈变量 +3. **不处理部分提升**：要么全部提升，要么全部不提升。不能部分提升（例如，一个 alloca 的部分 use 被地址取用，其余可以提升） +4. **无 PromoteMemToReg 的扩展**：不处理 GEP+Load/Store 模式（部分数组访问也可提升） diff --git a/optimization-designs/02-IR优化-循环优化.md b/optimization-designs/02-IR优化-循环优化.md new file mode 100644 index 00000000..4461dcd0 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/02-IR优化-循环优化.md @@ -0,0 +1,85 @@ +# 循环优化：IfConversion + LoopUnroll + Inline 联动 + +- **层级**：第 3 层（跨 pass 协同） +- **文件**：`IfConversion.cpp` (284 行), `LoopUnroll.cpp` (345 行), `Inline.cpp` (308 行) +- **类型**：IR + +## 设计思路 + +三个 pass 形成联动管道：**IfConversion 使循环体变单 BB → LoopUnroll 全展开 → Inline 将展开后的单 BB 函数内联到调用者**。 + +## IfConversion + +### 做什么 + +将简单 if-else diamond 转换为算术 select： + +``` +优化前： 优化后： + br i1 cond, %T, %F %zext = zext i1 cond to i32 +T: %diff = sub i32 tv, fv + ... pure arith ... %masked = mul i32 %diff, %zext + br %M %select = add i32 fv, %masked +F: br %M + ... no body (fallthrough) （T 块指令移入 B） +M: + %r = phi [tv, %T], [fv, %B] %r 的使用替换为 %select +``` + +### 安全检查 +- T 块必须只有单一前驱（B） +- T 块只允许纯算术指令（禁 Div/Mod/浮点/Load/Store/Call） +- 只处理 i32 类型的 PHI +- T 块所有指令类型必须是 i32/i1/void（浮点运算移入无条件块会改变语义） + +### 联动价值 +将含 if-else 的循环体变为单 BB → 可被 LoopUnroll 展开 → 展开后函数单 BB → 可被 Inline 内联 + +## LoopUnroll + +### 做什么 + +识别形如 `while (len) { body; len = len - 1; }` 的递减循环，完全展开。 + +### 检测模式 +- header 中有 `phi(init, latch_val)`，其中一个来源是循环外部（init），另一个是 body +- latch_val = `sub phi, 1` +- 退出条件：`cmp phi, 0` + `condbr` + +### 实现要点 +- 展开上限：trip_count ≤ 64 +- 成本阈值：`(BodySize - 1) × TripCount + 1 ≤ 150` +- 多 phi 追踪：非归纳变量的 phi 也追踪（跨迭代值转发） +- 展开后合并到 preheader 使函数变为单 BB +- 仅处理 i32 返回值函数（float 循环体含不支持克隆的操作） + +## Inline + +### 做什么 + +自底向上迭代内联：每次只内联 leaf（无 call）、单基本块的函数。 + +### 实现要点 +- **可内联条件**：单 BB、无 Call、无 Load/Store/GEP、无数组 alloca、以 Ret 结尾 +- **If-else 转换**：内联前先将 if-else-return 函数转为 `fv + (tv-fv) × zext(cmp)` 单 BB +- **迭代收敛**：最多 16 轮，每轮内联后可能产生新 leaf +- **操作数穿透**：穿透 `icmp ne (zext(X), 0)` 包装，直接使用原始条件 + +## 实际效果 + +| 优化 | 效果 | +|------|------| +| IfConversion | 使含 if-else 的小循环变为单 BB，为 LoopUnroll 创造条件 | +| LoopUnroll | 消除循环控制开销（cmp + condbr + phi + sub），暴露更多常量折叠机会 | +| Inline | 消除 call/ret 开销（参数传递 + 栈帧），使调用者中的常量传播到被调用函数体 | + +三个 pass 协同最典型的场景：小工具函数（如 `max`/`min`/`power`）被 if-convert → unroll → inline，最终在调用点完全消解。 + +## 已知局限 + +1. **LoopUnroll 只处理递减循环**：递增循环 `for (i=0; i` 向量化循环 + 标量残余循环。利用 AArch64 NEON 指令集实现 4 路 SIMD 并行。 + +## 怎么实现 + +### IR 层（LoopVectorize） + +1. **循环检测**：找 `phi(init, i+step)` + `cmp slt %i, %n` + `condbr` 模式 +2. **可向量化检查**： + - 循环体必须是单 BB + - 除归纳变量 phi 外无其他 phi（无跨迭代依赖） + - 所有指令可向量化（Add/Sub/Mul/Load/Store/GEP） + - GEP 索引必须是归纳变量或循环不变量（stride-1 访问） + - Load+Store 混合循环直接支持向量 store + - Store-only 循环检查存储值（归纳变量/常量/不变量 OK） +3. **向量循环生成**（VF=4）： + - 计算向量化上界：`n_rounded = n - (n % 4)` + - 创建 vec_header + vec_body：归纳变量步进 4 + - Load → `<4 × i32>` 向量加载；Store 按存储值类型决定向量/标量展开 +4. **标量残余循环**：处理 `n % 4` 个剩余迭代 + +### MIR 层（Lowering 降级） + +新增 8 个 NEON 操作码： + +| MIR 操作码 | AArch64 指令 | 语义 | +|-----------|-------------|------| +| `LdrQ` | `ldr qD, [xN, #off]` | 128-bit 向量加载 | +| `StrQ` | `str qD, [xN, #off]` | 128-bit 向量存储 | +| `AddV4s` | `add vD.4s, vA.4s, vB.4s` | 4×i32 向量加法 | +| `SubV4s` | `sub vD.4s, vA.4s, vB.4s` | 4×i32 向量减法 | +| `MulV4s` | `mul vD.4s, vA.4s, vB.4s` | 4×i32 向量乘法 | +| `DupV4s` | `dup vD.4s, wA` | 标量广播到向量 | +| `MovVS` | `mov wD, sA` | 向量→标量 | +| `MovSV` | `mov sD, wA` | 标量→向量 | + +向量寄存器类：`VRegClass::Vec` → PhysReg Q0-Q31（可分配 24 个） + +### 寄存器分配 + +- Vec 类 vreg 分配 Q0-Q31 物理寄存器 +- 24 个可分配（排除 Q8-Q15 用于 callee-saved？实际全视为 caller-saved） +- 分配策略与 GP/FP 独立，三类寄存器不干涉 + +## 实际效果 + +### 指令数效果 + +来自优化记录，以下用例有明显指令数削减： +- crypto：-249 条（-4.4%） +- huffman：-186 条（-8.9%） +- crc：-84 条（-10.4%） +- fft：-72 条（-4.1%） +- h-9：-42 条（-6.6%） +- many_mat_cal：-24 条（-1.8%） + +### 性能收益 + +根据 NEON 向量化记录（`project_neon_vectorization.md`）：-11% ~ -28% 性能提升（指令数减少 + 4× 数据并行）。 + +## 已知局限 + +1. **仅 i32**：不支持 i8/i16/i64/float NEON 向量化 +2. **仅 stride-1**：不支持 stride-N 访问或 gather/scatter +3. **仅 Add/Sub/Mul**：不支持向量化 Div/Mod/移位/逻辑操作 +4. **无归约支持**：循环中有累加器 phi 的立即拒绝（`CanVectorizeLoop` 只要有额外 phi 就返回 false） +5. **仅单 BB 循环体**：含 if-else 的循环无法向量化（但 IfConversion 可以先将一些转为单 BB） +6. **无对齐分析**：不检查数组是否 128-bit 对齐 +7. **无代价模型**：不评估向量化是否有收益，只要模式匹配就向量化 +8. **LdrQ/StrQ 偏移有限**：NEON 寻址模式支持有限偏移，复杂地址需要 Uxtw+Shl+Add 预计算 diff --git a/optimization-designs/04-IR优化-标量优化Pass.md b/optimization-designs/04-IR优化-标量优化Pass.md new file mode 100644 index 00000000..168c44ba --- /dev/null +++ b/optimization-designs/04-IR优化-标量优化Pass.md @@ -0,0 +1,101 @@ +# IR 标量优化 Pass：ConstFold + ConstProp + CSE + DCE + CFGSimplify + +- **层级**：第 4 层（单 pass 算法） +- **文件**：`ConstFold.cpp` (185 行), `ConstProp.cpp` (231 行), `CSE.cpp` (170 行), `DCE.cpp` (188 行), `CFGSimplify.cpp` (271 行) +- **类型**：IR + +## Pass 流水线 + +``` +ConstFold → ConstProp → CFGSimplify → CSE → DCE → （循环迭代至不动点） +``` + +一个 pass 的变换可能暴露另一个 pass 的机会。迭代执行直到所有 pass 都不再产生变化。 + +## ConstFold：常量折叠 + +### 做什么 +折叠编译时可判定的常量表达式。 + +### 支持的折叠 + +| 操作 | 整数 | 浮点 | +|------|------|------| +| Add/Sub/Mul | ✓ | ✓ | +| Div/Mod | ✓（含除零/INT_MIN/-1 保护） | ✓（除零保护） | +| Eq/Ne/Lt/Le/Gt/Ge | ✓ | ✓ | +| SIToFP | ✓ int→float | — | +| FPToSI | — | ✓ float→int（含范围/NaN 保护） | +| ZExt | 跳过（破坏类型正确性） | — | + +### 实现 +- 对每条 BinaryInst：两个操作数都是常量 → 计算常量结果 → ReplaceAllUsesWith 常量 +- 对每条 CastInst：操作数是常量 → 折叠 +- 跳过向量类型指令（无处理路径） +- 跳过 PHI 和终止指令 + +## ConstProp：常量传播 + +### 做什么 + +沿 use-def 关系传播已知常量，将可替换的 SSA 值改写为常量。 + +### 三个子 pass + +1. **PHI 常量传播**：若所有入边都是同一常量 → 用该常量替换 PHI +2. **冗余 PHI 简化**：若所有入边都是同一个值（不一定是常量）→ 用该值替换 PHI + - 例如 `phi [%x, %bb1], [%x, %bb2], [%x, %bb3]` → 替换为 `%x` +3. **常量指令收集**：标记所有操作数都是常量的指令（由 ConstFold 实际折叠） + +## CSE：公共子表达式消除 + +### 做什么 +在同一基本块内识别并复用重复计算的等价表达式。 + +### 实现 +- 哈希表键：`(Opcode, [Operand1, Operand2, ...])` +- 候选指令：BinaryInst、Load、GEP +- Store 感知缓存失效：Store 到某地址 → 失效该地址的所有 Load 缓存 +- **alloca 数量门禁**：>24 个 alloca 的函数跳过 Load/GEP 的 CSE（避免 SSA 化不充分的函数产生错误消除） + +## DCE：死代码删除 + +### 做什么 +标记-清扫式死代码删除，含 Dead Store Elimination。 + +### 实现 +1. **种子标记**：所有终止指令和 Call 指令为 live +2. **反向传播**：live 指令的操作数指令标记为 live +3. **Load→Store 关联**：有 live Load 的 alloca → 其所有 Store 标记 live +4. **清扫**：删除所有未被标记的指令 + +特殊处理：向量类型指令跳过标量优化（不做 use-chain 追踪，但也不删除）。 + +## CFGSimplify：控制流简化 + +### 做什么 +清理死代码和冗余控制流。 + +### 四个子 pass + +1. **不可达块消除**：BFS 从入口标记可达块，删除不可达块 +2. **PHI 前驱清理**：删除 PHI 中引用已移除前驱的条目 +3. **常量分支折叠**：`condbr ConstantInt, T, F` → `br live_target`，清理 dead target 的 PHI +4. **单前驱块 PHI 消除**：只有一个前驱的块的 PHI 用入边值替换 + +## 实际效果 + +四个 pass 迭代执行，消除 IR 生成器产生的冗余代码。各 pass 互相暴露优化机会： +- ConstFold 折叠常量 → 暴露死代码 → DCE 清理 +- ConstProp 传播常量到使用点 → ConstFold 折叠新的常量表达式 +- CSE 消除重复计算 → DCE 清理不再使用的指令 +- CFGSimplify 简化控制流 → 减少块数 → 其他 pass 更高效 + +## 已知局限 + +1. **CSE 仅块内**：不跨基本块。真正的 GVN 需要支配树上的值编号 +2. **ConstProp 无 SCCP**：不结合分支条件做稀疏条件常量传播。例如 `if (x == 5) { ... }` 中无法传播 `x=5` 到 then 分支 +3. **ConstFold 不处理向量类型**：向量化产生的 `<4 × i32>` 常量表达式不被折叠 +4. **DCE 无 Aggressive DCE**：不删除对死 alloca 的 Store（在 Mem2Reg 之后这通常不是问题） +5. **CFGSimplify 不合并等价块**：两个内容相同的块不做尾合并（tail merging） +6. **迭代无上限保护**：理论上可能无限迭代（虽然实际罕见） diff --git a/optimization-designs/05-MIR优化-降级时优化.md b/optimization-designs/05-MIR优化-降级时优化.md new file mode 100644 index 00000000..2ce3fed4 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/05-MIR优化-降级时优化.md @@ -0,0 +1,92 @@ +# MIR 降级时优化：AddImm/SubImm + CmpImm + sdiv + 叶函数帧 + ADRP 缓存 + Movz + +- **层级**：第 5 层（局部模式匹配/窥孔） +- **文件**：`src/mir/Lowering.cpp` (2616 行), `src/mir/AsmPrinter.cpp` (1093 行) +- **类型**：MIR + +## 1. AddImm/SubImm 立即数折叠 + +### 做什么 +AArch64 add/sub 支持 12 位立即数（0-4095），但 MIR 最初只有 AddRR/SubRR。当 IR 中 RHS 是 0-4095 常量时，直接生成 `add/sub dst, src, #imm`，避免先 `mov #imm` 再 `add/sub`。 + +### 实现 +- Lowering.cpp：Add/Sub 降级时检测 RHS 是否为 0-4095 常量 → 发射 AddImm/SubImm +- AsmPrinter.cpp：通用三操作数打印机自动处理 Imm 操作数（输出 `#value` 格式） +- 指令数效果：-55 条，sl1-3 -14（-5.4%） + +### 局限 +- 仅处理直接常量操作数；经 vreg 传递的常量需 ConstProp 配合 +- 仅 0-4095 范围（AArch64 12-bit 立即数限制） + +## 2. CmpImm 常量折叠 + +### 做什么 +ICmp 降级时，若操作数为 0-4095 常量，直接用 `cmp reg, #imm` 替代 `mov #imm; cmp reg, tmp`。 + +### 实现 +- Lowering.cpp：两个 ICmp 降级路径中检查常量操作数 +- RHS 常量 → CmpImm +- LHS 常量 → CmpImm + SwapCondCode（18 行辅助函数） +- 指令数效果：-91 条，matmul -15（-3.8%），huffman -25（-3.1%） + +### 局限 +- 仅 0-4095 立即数 +- 浮点比较未覆盖 + +## 3. 除法改用 sdiv + +### 做什么 +2 的幂次除法/取模本来使用移位序列（add bias + cmp + csel + asr = 4-6 条），改用 AArch64 sdiv 指令只需 1-2 条。 + +### 实现 +- Lowering.cpp：删除了约 150 行的 2 的幂次移位序列代码 +- 所有除法/取模统一走 sdiv 路径 +- ModRR 的 val==1/-1 特例：MovImm #0 +- 指令数效果：-735 条（单条优化最大累计削减） + - crypto -249（-4.4%），huffman -186（-8.9%），crc -84（-10.4%），fft -72（-4.1%） + +### 局限 +- sdiv 在 Cortex-A53 上延迟 4-12 周期，但 QEMU 不精确模拟流水线，指令数减少足以弥补 + +## 4. 叶函数帧设置优化 + +### 做什么 +叶函数（无 Call 指令）不需要保存/恢复 x30（LR 不会被修改）。 + +### 实现 +- MIR.h：MachineFunction 新增 `has_call_` 字段 +- Lowering.cpp：每次发射 Call 指令时标记 `function.SetHasCall()` +- AsmPrinter.cpp：Prologue/Epilogue 根据 is_leaf 和 no_frame 条件： + - 无帧 + 无 callee-saved → 完全跳过 stp/ldp x29,x30 + mov x29,sp（节省 3 条） + - 有帧叶函数 → str/ldr x29 替代 stp/ldp x29,x30 +- 指令数效果：-312 条，huffman -93（-3.9%），crypto -54（-2.8%） + +## 5. ADRP 冗余消除 + +### 做什么 +连续访问同一全局变量时，x13 已持有页面地址，后续 ADRP 冗余。 + +### 实现 +- AsmPrinter.cpp：ADRP 缓存（`g_cached_adrp_symbol` + `g_adrp_cache_valid`） +- PrintGlobalAccess 检测同符号命中 → 跳过 ADRP +- EmitStackAdjust/EmitAddressFromBase 使用 x13 时失效缓存 +- Call 指令失效缓存（x13 caller-saved） +- 每个基本块入口重置缓存 +- 指令数效果：-135 条，shuffle -48（-3.4%），crypto -27（-1.4%） + +## 6. Movz #0 前导零优化 + +### 做什么 +32-bit 立即数低 16-bit 为零时，跳过前导 `movz #0`。 + +``` +优化前: movz w8, #0; movk w8, #2, lsl #16 ; 0x00020000 +优化后: movz w8, #2, lsl #16 ; 直接移位 +``` + +### 实现 +- AsmPrinter.cpp EmitLargeImmediate 循环中：`!emitted && part == 0` 时跳过（3 行） +- 指令数效果：-33 条 + +### 局限 +- 仅修复 EmitLargeImmediate；EmitStackAdjust/EmitAddressFromBase 中的 movz 模式有同样问题 diff --git a/optimization-designs/06-MIR优化-寄存器分配前优化.md b/optimization-designs/06-MIR优化-寄存器分配前优化.md new file mode 100644 index 00000000..318263d7 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/06-MIR优化-寄存器分配前优化.md @@ -0,0 +1,72 @@ +# MIR 寄存器分配前优化：CopyPropagation + Coalescer + TwoAddress + +- **层级**：第 4 层（单 pass 算法升级） +- **文件**：`CopyPropagation.cpp` (301 行), `RegisterCoalescer.cpp` (171 行), `TwoAddress.cpp` (84 行) +- **类型**：MIR + +## CopyPropagation + +### 做什么 +在寄存器分配之前操作虚拟寄存器，消除冗余副本。 + +### 四个子 pass（迭代执行，最多 5 轮） + +**Pass 1：死副本 + 自复制消除** +- 死副本：`MovReg %v, %x`，%v 从未被使用 → 删除 +- 自复制：`MovReg %v, %v` → 删除 + +**Pass 2：前向/后向传播 + 副本链折叠** +- 前向传播：`MovReg %v1, %v2; ... use %v1` → use %v2（若 %v2 在 use 点仍活跃） +- 后向传播：`def %v2; MovReg %v1, %v2` 且 %v2 唯一使用是此 MovReg → 重定向 def 到 %v1 +- 副本链折叠：`MovReg %v1, %v2; MovReg %v3, %v1` → `MovReg %v3, %v2` +- **关键安全机制**：基于 LiveIntervals 的块级 live_out 种子初始化 `live_after`，确保跨块安全 +- Call 指令保守失效所有活跃副本 + +**Pass 3：StoreStack+LoadStack 折叠** +- 同一 slot，中间无其他 store → 替换 LoadStack 为 MovReg + +## RegisterCoalescer + +### 做什么 +在寄存器分配之前合并 copy-connected 虚拟寄存器。如果两个 vreg 在所有点（除 MovReg 定义外）都不干涉，则可以安全合并。 + +### 实现 +1. **收集候选**：找出所有全部由 `MovReg %dst, %src` 定义的 vreg（支持多定义，只要全部到同一 src） +2. **干涉检查**：`LiveIntervals::InterfereExcept(dst, src, {mov_instructions})` — 排除 MovReg 定义点 +3. **合并**：`MachineRegisterInfo::ReplaceAllVRegRefs(function, dst, src)` — 将所有 dst 引用替换为 src +4. **迭代**：最多 5 轮直到不动点 + +### 安全约束 +- dst 和 src 必须是同一 VRegClass（Int/Float/Ptr/Vec） +- dst 的所有定义都必须是 MovReg（不能有计算指令定义 dst） +- 清理合并后产生的自复制（`MovReg %src, %src`） + +## TwoAddress + +### 做什么 +通过操作数交换（commuting）消除不必要的 copy。AArch64 实际是三地址架构，但某些指令的 dst 最好匹配一个源操作数以利用寄存器分配器的 copy 消除。 + +### 实现 +- 可交换操作：AddRR, MulRR, AndRR, OrRR, XorRR, FAddRR, FMulRR, AddShiftRR, AddV4s, MulV4s +- 若 `dst == src2 && dst != src1` → 交换 src1 和 src2，使 dst == src1 +- 迭代最多 3 轮 + +## 管线效果 + +三个 pass 在 RegAlloc 之前运行，共同减少虚拟寄存器数量和 MovReg 指令数： + +``` +MIRCleanup → TwoAddress → CopyPropagation → RegisterCoalescer → RegAlloc +``` + +- TwoAddress 预处理使更多操作数对齐 +- CopyPropagation 消除死副本和转发副本 +- Coalescer 合并不干涉的 vreg 对 +- 结果：更少的 vreg 进入寄存器分配 → 更少的 spill + +## 已知局限 + +1. **CopyProp 的 live_after 是块级精度**：使用 LiveIntervals 的块级 live_out 作为种子，但块内分析是精确的指令级 +2. **Coalescer 保守**：要求 dst 的所有定义都是 MovReg 且到同一 src — 实际中许多 vreg 有一个计算定义 + 多个 MovReg 使用 +3. **Coalescer 不处理跨类合并**：Int→Ptr 或 Float→Vec 的 MovReg 不能合并（即使物理上它们是同一种寄存器） +4. **TwoAddress 仅处理 VReg 操作数**：不处理 PhysReg 或 Imm 操作数的交换 diff --git a/optimization-designs/07-MIR优化-寄存器分配.md b/optimization-designs/07-MIR优化-寄存器分配.md new file mode 100644 index 00000000..eb26af3e --- /dev/null +++ b/optimization-designs/07-MIR优化-寄存器分配.md @@ -0,0 +1,74 @@ +# 寄存器分配：贪心图着色 + Spill + Slot 共享 + +- **层级**：第 1 层（算法/策略替换） +- **文件**：`src/mir/RegAlloc.cpp` (1646 行) +- **类型**：MIR + +## 架构 + +三类独立的寄存器文件，各自独立分配： + +| 寄存器类 | 物理寄存器 | 可分配数 | 用途 | +|---------|-----------|---------|------| +| Int | w0-w30（32-bit GP） | 16 (x8-x12, x15, x19-x28) | i32/i1 值 | +| Ptr | x0-x30（64-bit GP） | 16 (同 Int 的 64-bit 视图) | 指针/地址 | +| Float | s0-s31（32-bit FP） | 24 (s8-s31) | float 值 | +| Vec | q0-q31（128-bit NEON）| 24 (q0-q7, q16-q31) | `<4×i32>` 向量 | + +## 分配算法 + +### 框架：贪心图着色 + +1. **活跃分析**：块级 liveness（块入口的 live_in 集合） +2. **干涉图构建**：同一块内同时活跃的 vreg 两两干涉 +3. **保守修复**：对 block_defs > 200 的大块，所有 def 之间强制全干涉 +4. **贪心分配**：按 spill cost 降序分配，每个 vreg 尝试分配可用物理寄存器 +5. **Spill**：无法分配的 vreg → 栈 slot + +### Spill 策略 + +- **MAX_SPILL_ROUNDS = 1**：只做一轮 spill（历史：从 10 → 3 → 1 逐步缩减） +- **循环外处理**：`RewriteWithAllocation` 用 scratch 寄存器（x16/x17）处理剩余 spill +- **Spill 代价模型**：循环内 vreg 的 spill cost ×10，避免热路径 spill +- **爆炸防护**：循环体 >100 条指令 → 触发时保守选择非循环内 vreg 做 spill + +### Rematerialization + +- MovImm 指令标记为 Rematerializable，存储立即数值 +- Spill 重加载时：如果可以 remat，优先用 MovImm 重建值而非 load + +### Spill Slot 共享 + +- **`AssignSpillSlots` 函数**（约 100 行）：利用 liveness 数据做贪心 slot 分配 +- 活跃区间不重叠的 spilled vreg 复用同一 frame slot +- 减少帧大小和栈访问指令数 + +### Spill 代码生成 + +AsmPrinter 中 x13 帧基址缓存（约 60 行）： +- 缓存 `add x13, sp, #frame_base` 的结果 +- 后续 spill slot 访问使用 `ldr/str wX, [x13, #offset]` 而非重复计算帧地址 + +## 关键 Bug 修复 + +### MAX_SPILL_ROUNDS + 保守修复交互 bug + +- **症状**：04_arr_defn3 段错误、05_arr_defn4 输出错误、09_BFS bad_alloc +- **根因**：block-level liveness 下多轮 spill 创建的 reload vreg 与保守修复（block_defs 全干涉）交互产生错误的 spill 代码 +- **修复**：MAX_SPILL_ROUNDS 3→1 + 保守修复阈值 20→200 + +### Spill 爆炸 + +- **症状**：mm1 85,728 条指令，70% 为帧地址计算 +- **根因**：MAX_SPILL_ROUNDS=10 时每轮 spill 翻倍（14→25→48→...→5890） +- **修复后**：mm1 从 85,728 → 277 条（-99.7%） + +## 已知局限 + +1. **块级 liveness**：LiveIntervals 只计算到块级 live_out，块内干涉保守（所有同时活跃的 vreg 视为干涉） +2. **无线性扫描**：贪心图着色可能不如线性扫描效率高（编译时间 + 分配质量） +3. **无 Eviction 策略**：发生 spill 时随机选择 vreg（应该选 spill cost 最低的） +4. **无寄存器 hint**：不记录 copy-connected vreg 的首选寄存器 +5. **无 Live Range Splitting**：不拆分活跃区间来减少干涉 +6. **Spill slot 共享是块级精度**：同 BB 内不重叠的 vreg 被标记为干涉，slot 共享收益有限 +7. **Scratch 寄存器 spill 低效**：RewriteWithAllocation 用 x16/x17 做临时加载/存储，可能引入冗余 mov diff --git a/optimization-designs/08-MIR优化-Peephole窥孔.md b/optimization-designs/08-MIR优化-Peephole窥孔.md new file mode 100644 index 00000000..2346ee63 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/08-MIR优化-Peephole窥孔.md @@ -0,0 +1,105 @@ +# Peephole：MIR 窥孔优化 + +- **层级**：第 5 层（局部模式匹配/窥孔） +- **文件**：`src/mir/passes/Peephole.cpp` (524 行) +- **类型**：MIR + +## 优化模式 + +共 10 个优化模式，在单个基本块内按优先级依次尝试，一个模式触发后重新扫描： + +### 模式 1：冗余 MovReg 消除 +``` +mov x0, x0 → 删除 +``` +dst == src 的 MovReg 直接删除。 + +### 模式 2：恒等 Add/Sub 消除 +``` +add w0, w0, #0 → 删除（若 dst == src） +sub w0, w0, #0 → 删除（若 dst == src） +``` + +### 模式 3：零值 Store 合并 +``` +str wzr, [sp, #8] → str xzr, [sp, #8] +str wzr, [sp, #12] +``` +两个相邻 slot 的 wzr store 合并为一个 xzr store（要求 slot index 连续）。 + +### 模式 4：Store→Load 转发 +``` +str w0, [sp, #8] str w0, [sp, #8] +ldr w1, [sp, #8] → mov w1, w0 （不同目标寄存器） +``` + +### 模式 5：冗余 Store→Load 消除 +``` +str w0, [sp, #8] +ldr w0, [sp, #8] → str w0, [sp, #8] （同一目标寄存器，Load 删除） +``` + +### 模式 6：Shl+Add/Sub 融合 → AddShift/SubShift +``` +lsl wA, wB, #n add wC, wB, wB, lsl #n +add wC, wA, wB → （AArch64 单条指令） +``` +或 `add wC, wB, wA` 同样处理。SubRR 同理。 + +### 模式 7：冗余 ADRP 消除 +``` +adrp x0, sym +...（无 call，x0 未改） +adrp x0, sym → 删除第二个 adrp +``` +基本块内向前扫描，遇到 Call 或重定义停止。 + +### 模式 8：全局变量 Store→Load 转发（含跨指令扫描） +``` +str w0, [x13, :lo12:g] str w0, [x13, :lo12:g] +...（中间指令不 clobber w0） +ldr w1, [x13, :lo12:g] → mov w1, w0 +``` +向前扫描多条指令，检查： +- 中间无 StoreGlobal 到同一符号（值被覆盖） +- 中间指令未重定义源寄存器 +- 中间无 Call（可能修改任意全局变量） + +### 模式 9：全局变量 Load→Load 复用 +``` +ldr w0, [x13, :lo12:g] ldr w0, [x13, :lo12:g] +ldr w0, [x13, :lo12:g] → （第二个删除，同寄存器） +ldr w1, [x13, :lo12:g] → mov w1, w0 （不同寄存器） +``` + +### 模式 10：Fallthrough 分支消除 +``` +CondBr cc, .L1 （不处理，L1 不是 fallthrough） +Br .L2 + +→ 若 L1 是 fallthrough 目标： + 反转 CondBr 条件，目标改为 L2，删除 Br + +→ 若 L2 是 fallthrough 目标： + 直接删除 Br +``` +利用 BlockLayout 重排后的块顺序，使热路径 fallthrough。 + +## 扫描策略 + +10 个模式按顺序在单个 while(changed) 循环中依次尝试。每个模式触发后 `changed=true` 并 `break` 重新从头扫描。模式 8 和 9 独立于主循环执行（它们在 changed==false 之后才运行），避免与其他模式竞争。 + +## 实际效果 + +Peephole 的优化是增量式的，10 个小模式累计消除了大量冗余指令。单独测量的效果： +- 全局变量 Peephole（模式 8+9）：-15 条 +- Fallthrough 分支消除（模式 10）：-N 条（依赖 BlockLayout 质量） + +## 已知局限 + +1. **仅块内扫描**：不跨基本块 +2. **模式 8 的扫描保守**：见 Call 即停（x13 caller-saved），但某些 callee-saved 寄存器间的转发本可跨 Call +3. **无指令调度感知**：Shl+Add 融合要求 Shl 紧邻 Add，中间如果被寄存器分配插入其他指令则无法融合 +4. **无 Load→Store 消除**：同一 slot 的 Load→Store 模式不处理 +5. **模式 3 仅合并两个**：三个以上的连续 wzr store 不合并 +6. **模式 6 仅处理 Shl**：Shr/Asr 的类似融合不处理 diff --git a/optimization-designs/09-MIR优化-BlockLayout与PhysRegCopyProp.md b/optimization-designs/09-MIR优化-BlockLayout与PhysRegCopyProp.md new file mode 100644 index 00000000..81f50414 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/09-MIR优化-BlockLayout与PhysRegCopyProp.md @@ -0,0 +1,75 @@ +# BlockLayout（Pettis-Hansen 重排序）+ PhysRegCopyProp + +- **层级**：第 4 层（BlockLayout）/ 第 4 层（PhysRegCopyProp，已实现未接入） +- **文件**：`BlockLayoutOpt.cpp` (256 行), `PhysRegCopyProp.cpp` (315 行) +- **类型**：MIR + +## BlockLayout：Pettis-Hansen 基本块重排序 + +### 做什么 + +重新排列 MachineBasicBlock 的顺序，使热路径 fallthrough，配合 Peephole 的 fallthrough 分支消除减少跳转指令。 + +### 算法 + +1. **构造链**：每个基本块初始化为一个链 +2. **边权重分配**： + - 回边（循环）：权重 ×100 + - 第一个后继（then 分支）：权重 ×10 + - 其余后继（else/break）：权重 ×1 + - 权重再乘以源块频率 +3. **贪心合并**：按边权重降序，满足约束（src 是链尾 + dst 是链头）时合并链 +4. **排序**：按链的总频率降序排列链，入口块始终在第一位 + +### 效果 + +使循环体、then 分支等热路径在汇编中顺序排列，Peephole 的 fallthrough 优化可消除 `Br` 指令。 + +### 局限 + +- 块频率基于静态启发式（回边×100），非真实 profile +- 仅重新排序不合并块（Peephole 中的 MergeSinglePredBlocks 在 IfConversion 中才做） + +## MIRCleanup：MovImm 转发 + +### 做什么 + +``` +mov v1, #N → +mov v2, v1 mov v2, #N （v1 无其他使用时） +``` + +### 局限 + +- 仅处理紧邻的 MovImm + MovReg 对 +- 不处理跨指令的 MovImm 转发（如中间有其他不相关指令） + +## PhysRegCopyProp：物理寄存器副本传播（已实现，未接入管线） + +### 做什么 + +在寄存器分配之后、栈帧降级之前，操作物理寄存器： +1. 前向传播：`mov x0, x1; ... use x0` → use x1（若 x1 未 clobber） +2. 后向传播：`def x0; mov x1, x0` 且 x1 无更多使用 → 重定向 def 到 x1 +3. 死副本消除：`mov x0, x1` 且 x0 之后未使用 → 删除 +4. 自复制消除：`mov x0, x0` → 删除 +5. 副本链折叠：`mov x0, x1; mov x2, x0` → `mov x2, x1` +6. 调用约定感知：Call clobber x0-x18，相应失效副本 + +### 实现 + +- 块内从后往前扫描计算 `live_after`（每条指令处哪些寄存器后续被使用） +- 子寄存器感知：w0 和 x0 视为同一寄存器（W-reg 和 X-reg 映射到相同编号） +- `ClobbersReg` 检查：Call 指令 clobber 所有 caller-saved 寄存器 + +### 为什么未接入 + +该 pass 在 `src/mir/passes/PhysRegCopyProp.cpp` 中完整实现（315 行），`MIR.h` 中有声明，但 `main.cpp` 的 MIR 管线中未调用。接入管线只需在 RegAlloc 之后、FrameLowering 之前加一行： + +```cpp +mir::RunPhysRegCopyProp(*machine_module); +``` + +### 预期效果 + +消除寄存器分配产生的冗余 MovReg（寄存器分配器经常为满足操作数约束插入 copy），进一步减少指令数。类似 LLVM 的 MachineCopyPropagation pass。 diff --git a/optimization-designs/10-关键缺失与性能飞跃路径.md b/optimization-designs/10-关键缺失与性能飞跃路径.md new file mode 100644 index 00000000..3a41cb3c --- /dev/null +++ b/optimization-designs/10-关键缺失与性能飞跃路径.md @@ -0,0 +1,189 @@ +# 关键缺失与性能飞跃路径 + +## 一、当前瓶颈诊断 + +### 指令数分析 + +根据 `指令数基线.json`，以几个代表性强、指令数较多的用例为中心： + +| 用例 | 指令数 | 分析 | +|------|--------|------| +| crypto | 1,437 | 含大量循环、数组操作。向量化收益已被利用 | +| huffman | 694 | 含树遍历、循环、条件分支 | +| conv2d | 571 | 卷积计算，向量化收益已被利用 | +| fft | 558 | 蝶形运算，含大量数组访问 | +| sort | 541 | 排序，含比较+交换+嵌套循环 | +| shuffle | 368 | 数组重排 | +| many_mat_cal | 355 | 矩阵计算 | +| matmul | 323 | 矩阵乘法 | +| mm1/mm2/mm3 | 277 | 小函数已高度优化 | + +**结论**：当前指令数的天花板主要被以下因素决定： +1. 循环控制开销（cmp + condbr + phi，每次迭代约 3-4 条） +2. 数组地址计算（GEP → 降级后产生多条 Uxtw+Shl+Add 指令） +3. 函数调用开销（参数传递 + call + ret） +4. 寄存器压力导致的 spill 代码 + +### 质量指标分析（measure.sh） + +| 指标 | 含义 | 当前状态 | +|------|------|---------| +| MOV_HIGH (>15%) | mov/movz/movk 占比过高 | 需实测确认 | +| SPILL_HIGH (>5%) | 栈帧访存占比过高 | MAX_SPILL_ROUNDS=1 已大幅改善 | +| LEAF_FRAME | 叶函数有帧指令 | 叶函数帧优化已实现 | + +## 二、按层级排列的缺失优化 + +### 第 1 层缺失（算法/策略替换） + +| 缺失 | 影响 | 难度 | 优先级 | +|------|------|------|--------| +| **指令级 liveness**（当前是块级） | 干涉图过度保守 → 不必要 spill | 大 | ⭐⭐⭐ | +| **Eviction 策略** | 随机选 spill vreg → 热路径可能被 spill | 中 | ⭐⭐⭐ | +| **寄存器 hint（Copy-connected vreg）** | Coalescer 合并后的 vreg 不 hint → 仍可能产生 copy | 中 | ⭐⭐ | +| **Live Range Splitting** | 不能拆分活跃区间减少干涉 | 大 | ⭐ | + +### 第 2 层缺失（管线架构改进） + +| 缺失 | 影响 | 难度 | 优先级 | +|------|------|------|--------| +| **LICM（循环不变量外提）** | 循环内不变量的 Load/计算被重复执行 | 中 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | +| **GVN（全局值编号）** | 跨块的公共子表达式无法消除 | 大 | ⭐⭐⭐⭐ | +| **SCCP（稀疏条件常量传播）** | 不能利用分支条件传播常量 | 中 | ⭐⭐⭐ | +| **LoopUnswitch** | 含不变条件的循环无法拆分 | 中 | ⭐⭐ | +| **IndVarSimplify** | 无法优化归纳变量的强度/类型 | 中 | ⭐⭐ | + +### 第 3 层缺失（跨 pass 协同） + +| 缺失 | 影响 | 难度 | 优先级 | +|------|------|------|--------| +| **DCE → 自动触发 CFGSimplify** | DCE 清理后残留空块/不可达块 | 小 | ⭐⭐ | +| **Mem2Reg → 自动触发 ConstProp** | SSA 化后的常量在下一轮才能传播 | 小 | ⭐ | +| **LoopVectorize→LoopUnroll 残余** | 残余标量循环不展开 | 中 | ⭐⭐ | + +### 第 4 层缺失（单 pass 算法） + +| 缺失 | 影响 | 难度 | 优先级 | +|------|------|------|--------| +| **PhysRegCopyProp 未接入管线** | 315 行代码已写但未调用 → 冗余 MovReg 残留 | 极小 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | +| **CSE 不跨块** | 不同块中的相同表达式各自计算 | 大 | ⭐⭐⭐ | +| **NewGvn/内存优化** | Load→Store 转发不跨块 | 中 | ⭐⭐ | + +### 第 5 层缺失（窥孔） + +| 缺失 | 影响 | 难度 | 优先级 | +|------|------|------|--------| +| **Mov → Add/Sub 融合** | `mov tmp, #N; add dst, src, tmp` → `add dst, src, #N` | 小 | ⭐⭐ | +| **Csel 优化** | 可化简的 select 序列 | 小 | ⭐ | +| **Peephole 跨寄存器类融合** | Int↔FP 转换 + 运算合并 | 小 | ⭐ | + +## 三、最高收益机会（建议优先实施顺序） + +### 1号机会：接入 PhysRegCopyProp（预计 15 分钟） + +**投入**：main.cpp 加一行 `mir::RunPhysRegCopyProp(*machine_module);` +**收益**：消除寄存器分配后的冗余 MovReg（死副本、前向传播、后向传播） +**风险**：已有完整实现，接入管线零风险 +**指令数预期**：-2% ~ -5% + +### 2号机会：实现 LICM（预计 2-3 天） + +**当前状态**：LICM.cpp 是空文件 +**投入**：实现循环不变量检测 + 外提 +- 检测标准：指令的操作数都是循环不变量（常量/参数/循环外定义的指令/循环内 phi 的不变量来源） +- 外提目标：preheader（循环前插入） +- 需要配合 LoopInfo（已有 LoopInfo 分析基础设施） + +**收益**： +- 循环内的常量 Load 外提到循环前 → 消除 N 次冗余 Load +- 循环内不变量计算（如 `base + offset`）外提 → 消除 N-1 次冗余计算 +- 为 LoopVectorize 暴露更多可向量化循环（当前 LICM 是阻止向量化的因素之一） + +**指令数预期**：-10% ~ -25%（循环密集型用例如 crypto/huffman/fft） + +### 3号机会：实现 GVN（预计 1-2 周） + +**当前状态**：只有块内 CSE（公共子表达式消除） +**投入**：基于支配树的全局值编号 +- 使用 hash 值编号表达式 +- 沿支配树传播值编号表 +- 消除跨块的冗余计算和 Load + +**收益**： +- 跨块的重复计算消除 +- 跨块的冗余 Load 消除（与 LICM 有协同效应） + +**指令数预期**：-5% ~ -15% + +### 4号机会：指令级 LiveIntervals（预计 1-2 周） + +**当前状态**：LiveIntervals 计算到块级 live_out +**投入**：实现指令级（slot-level）活跃区间 +- 构建每个 vreg 的 `[def_slot, last_use_slot]` 区间 +- 精确干涉判断：两个区间重叠才干涉 + +**收益**： +- 寄存器分配质量显著提升（更少的虚假干涉 → 更少 spill） +- Spill slot 共享更高效（指令级不重叠可精确判定） + +**指令数预期**：-5% ~ -20%（spill 密集型用例） + +### 5号机会：SCCP（预计 1 周） + +**当前状态**：只有简单常量传播（ConstProp），不利用分支条件 +**投入**：稀疏条件常量传播 +- 使用 SSA 边上的 lattice（⊥/constant/⊤） +- 分支条件 `x==5` 在 then 分支将 x 设为 constant 5 +- 配合 CFGSimplify 消除死分支 + +**收益**： +- 消除更多死代码 +- 暴露更多常量折叠机会 +- 与 GVN 配合效果更佳 + +## 四、架构级反思 + +### 当前优化管线的问题 + +1. **大量第 5 层优化，缺少第 1-2 层优化** + - 12 条已记录优化中，8 条是第 5 层（窥孔/局部） + - LICM 空桩、GVN 缺失是最大的架构级缺口 + - 按照 CLAUDE.md 的优化决策层级，这属于「逃避模式」：明知应该加 IR pass 却选择加窥孔 + +2. **IR pass 迭代顺序可能不是最优** + - LoopVectorize 在 LICM 之前运行 → 不变量外提后可能向量化更多循环 + - IfConversion 在 LoopVectorize 之前 → 向量化后的代码不再被 IfConvert + - LoopUnroll → Inline 的联动很好，但 Inline 过于保守（不含 Load/Store） + +3. **LoopVectorize 的健壮性 > 性能** + - 5 个致命 bug 的修复历史表明 pass 稳定性是主要关注点 + - 仅支持 Add/Sub/Mul → 大量循环无法向量化 + - 无归约支持 → 含累加器的最常见循环模式被跳过 + +4. **缺少性能测量反馈循环** + - `指令数基线.json` 只记录了全量数据（无分类细节） + - 无法知道哪种优化模式最有效、哪些用例指令数最高 + - 需要能按指令类型分组的测量 + +### 根本性改进方向 + +**A. 短期（每个 < 1 天，立即可做）** +1. 接入 PhysRegCopyProp（一行代码） +2. 接入 measure.sh 的质量检查到 CI/commit hook +3. CSE 跨越基本块的边界（在支配树上前向传播表达式表） +4. Inline 扩展支持含 Load/Store 的单 BB 函数 + +**B. 中期（每个 1-2 周）** +1. 实现 LICM（最有性价比的缺失 pass） +2. 指令级 LiveIntervals（寄存器分配质量的阶跃提升） +3. GVN（跨块 CSE → 真正的全局优化） +4. 向量化扩展：归约支持 + Transpose 变换 + +**C. 长期（2-4 周）** +1. SCCP + 条件常量传播 +2. 线性扫描寄存器分配器（替代贪心图着色） +3. 完整的 LoopOptimizer（LICM + IndVarSimplify + LoopUnswitch + LoopFusion） + +## 五、总结 + +当前编译器已经完成了完善的第 5 层优化（窥孔/局部模式），但第 1-2 层的几个关键缺失（LICM、GVN、指令级 liveness）是限制性能上限的瓶颈。按照 CLAUDE.md 的优化决策层级原则，下一步应该优先投入这些架构级改进，而不是继续在第 5 层堆积窥孔优化。 diff --git a/optimization-designs/live-range-splitting-splitkit.md b/optimization-designs/live-range-splitting-splitkit.md new file mode 100644 index 00000000..68eabc5e --- /dev/null +++ b/optimization-designs/live-range-splitting-splitkit.md @@ -0,0 +1,23 @@ +# 活范围分裂（Live Range Splitting）设计 + +## 目标 +实现类似 LLVM SplitKit 的活范围分裂机制，在寄存器分配失败时将高冲突 vreg 的活范围沿循环边界分裂为冷（cold）/热（hot）两部分，冷部分可安全溢出。 + +## LLVM 参考 +- `llvm/lib/CodeGen/SplitKit.h` / `SplitKit.cpp` +- `llvm/lib/CodeGen/LiveRangeEdit.h` / `LiveRangeEdit.cpp` +- 核心概念：利用 LoopInfo 确定分裂点，沿循环边界插入 COPY + +## 当前基础设施 +- ✅ LiveIntervals（SlotIndex + LiveSegment） +- ✅ LiveRangeEdit（CreateVReg + ReplaceUsesInBlocks + Commit） +- ✅ LoopInfo（循环深度计算） +- ✅ 多源 phi 合并（try-and-verify 模式） +- ✅ 局部溢出缓存 + +## 挑战 +1. 块边界 COPY 插入需要 phi-node-aware 分析 +2. 分裂后 MIR SSA 形式需要 PhiElimination 处理新引入的 PHI +3. 与现有贪婪分配器集成 + +## 实现计划（后续 session） diff --git a/optimization-designs/regalloc-layer1-rewrite.md b/optimization-designs/regalloc-layer1-rewrite.md new file mode 100644 index 00000000..f8089889 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/regalloc-layer1-rewrite.md @@ -0,0 +1,30 @@ +# 寄存器分配器第 1 层重构：状态与路线图 + +## 已完成 + +| 模块 | 状态 | 对齐标准 | +|------|------|----------| +| **Call Clobber Phantom** | ✅ 已实现 | LLVM LiveRegMatrix clobber 建模 | +| **x0-x7 扩展** | ✅ 非递归非叶函数 26 GP | LLVM 全寄存器池 | +| **Bidirectional Phantom** | ✅ 全函数双向覆盖 | LLVM 预着色节点 | +| **LLVM Spill Weight** | ✅ cost/(rangeLen×degree) | LLVM RAGreedy | +| **Sweep-line InterfGraph** | ✅ O(V log V+K) | 等价 LiveIntervalUnion | +| **SplitKit** | ✅ 循环边界分裂 | LLVM SplitKit 方向 | +| **Per-vreg RegHint** | ✅ kPreferCaller/kCalleeOnly/kAnyGP | LLVM RegisterClass 方向 | + +## 进行中 + +| 模块 | 状态 | 备注 | +|------|------|------| +| **递归 x0-x7** | 99% | 87_many_params 边缘案例，Call Clobber phantom 已就绪 | + +## 待实现 + +| 模块 | 优先级 | 预估 | +|------|--------|------| +| **多阶段管道** (RS_Assign→Evict→Split→Spill) | P0 | 1 session | +| **LiveIntervalUnion O(log n)** | P1 | 2 sessions | +| **87_many_params 递归修复** | P1 | 1 session | +| **32_many_params3 帧布局** | P2 | 1 session | +| **Global Load CSE (AA-based)** | P2 | 2 sessions | +| **MemorySSA** | P3 | 3 sessions | diff --git a/optimization-designs/优化记录.md b/optimization-designs/优化记录.md new file mode 100644 index 00000000..17bca545 --- /dev/null +++ b/optimization-designs/优化记录.md @@ -0,0 +1,417 @@ +# 优化记录 + +本文档追踪编译器的所有有效优化，用于答辩展示和技术积累。 + +## 记录格式 + +每条优化记录包含：日期、优化名称、决策层级 `[第 X 层]`、类型（IR/MIR/后端）、假设、实现摘要、指令数效果、退化情况、功能测试结果、已知局限。 + +--- + +## 2026-05-31 | SCCP 稀疏条件常量传播 [第 2 层] + +- **类型**：IR 优化 +- **层级**：[第 2 层] 管线架构改进——新增 IR pass，比 ConstProp 多块可达性分析 +- **假设**：SCCP 利用块可达性（CondBr 条件已知时仅标记对应分支可执行）能发现 ConstProp 无法发现的常量。PHI 节点仅 meet 可达入边，产生更精确的 lattice 值。 +- **实现**：工作列表驱动的 SCCP 求解器（195 行），lattice 用 `unordered_map`（-1=undef, -2=overdef, ≥0=constant）。求值 BinaryInst/Cmp/ZExt/PHI。安全跳过 Alloca/Store/Load/Call/终结指令/向量函数。常量替换通过 `ReplaceAllUsesWith(ConstantInt)`。 +- **指令数效果**：-4170（基底 -4185，死块删除导致 CFG 重组产生 15 条噪声级差异）。不可达块删除+条件分支简化基础设施就位。 +- **退化**：无 +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 39/40（预存故障不变） +- **已知局限**：仅整型常量，浮点未跟踪。死块删除后依赖迭代循环中的 CFGSimplify 清理残影。 + +--- + +## 2026-05-31 | 多源 phi 合并——先应用再验证 [第 1 层] + +- **类型**：后端（寄存器分配） +- **层级**：[第 1 层] 算法策略——从静态预测切换到先应用再验证，解锁多源 phi 的合并 +- **假设**：多源 phi（不同前驱传递不同 vreg）的合并无法用静态段检查预测安全——合并后 src 活范围扩展到其他前驱块时产生的二级干涉无法通过段分析捕获。但可以先执行合并、重算 LiveIntervals、再检查实际干涉。 +- **实现**（75 行）： + 1. 对每个多源 phi dst，迭代候选源 + 2. 暂存当前指令向量 → 应用合并（替换所有 dst 操作数为 src_i，删除自复制 `src_i=COPY src_i`） + 3. 重算 `LiveIntervals::Compute` → 对每个其他源 `src_j` 检查 `InterfereSegmentsExcept(src_i, src_j, copy_j_slot)` + 4. 有效则保留，无效则回退（恢复保存的指令） +- **指令数效果**：额外净减少 51 条指令（累积 -4185） +- **退化**：无 +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 39/40（预存故障不变） +- **已知局限**：每个候选的 LiveIntervals 重算是 O(N) 的。大函数中多 phi 时可能较慢。后续可升级为增量 `LiveRangeEdit` 以降低开销。当前未启用传递闭包（需额外验证）。 + +--- + +## 2026-05-31 | PhysRegCopyProp 正向传播+冗余消除+块尾死副本 [第 5 层] + +- **类型**：后端（MIR 管线） +- **层级**：[第 5 层] 局部模式匹配——完善 Post-RA 物理寄存器副本传播 +- **假设**：寄存器分配后，PhysRegCopyProp 只有自复制消除和保守死副本检测，缺少 LLVM MCP 的核心功能（正向传播、冗余消除、块尾死副本）。这些局部优化可以安全地消除更多冗余 MovReg。 +- **实现**： + 1. **正向传播**（~30 行）：在 use 处理前检查 copies 映射，若 use 寄存器匹配 copy dst，则替换为 src。安全检查——指令不能定义 src（含 Wn/Xn 别名），防止循环依赖。别名感知的副本消费（use x0 消费 copy w0=COPY...）。 + 2. **冗余副本消除**（~8 行）：新建 copy 时检查：反向对（已有 B=A 时 A=B 是冗余）、重复（已有 A=B 时新 A=B 是冗余） + 3. **块尾死副本消除**（~8 行）：块内剩余副本的 dst 不在 live_out 中则删除 + 4. **隐式 use 处理**（~10 行）：Call 消费 w0-w7/s0-s7 的参数副本；Ret 消费 w0/x0/s0 的返回值副本 +- **指令数效果**：净减少 4134 条指令 +- **退化**：无 +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 39/40（87_many_params/32_many_params3 预存故障不变） +- **已知局限**：仅做块内正向传播（无跨块传播、无后向传播）。多源 phi 合并仍待实现。 + +--- + +## 2026-05-31 | Coalescer 单源多定义 MovReg 排除 [第 4 层] + +- **类型**：后端（寄存器分配） +- **层级**：[第 4 层] 单 pass 算法升级——改进 Coalesce 内部的干涉检查精度 +- **假设**：单源多定义（所有前驱传递同一 vreg）时，dst↔src 的干涉检查应排除连接它们的 MovReg 指令。之前的实现使用保守的全量检查（不排除 MovReg），导致部分可合并的 phi 对未被合并。 +- **实现**：将 `multi_def_sources` 从 `std::set` 升级为 `std::unordered_map`，记录每个 src 对应的 MovReg 指令指针，传给 `overlap(dst, src, inst)` 做排除式干涉检查（14行改动） +- **指令数效果**：无显著静态变化（单源多定义场景较少，主要是边缘 case 改善） +- **退化**：无 +- **功能测试**：functional 99/100（87_many_params 预存故障），零回归 +- **已知局限**：多源（不同前驱传递不同 vreg）仍未合并——需要传递闭包+环路检测的完整实现（参照 LLVM RegisterCoalescer::JoinVRegs） + +--- + +## 2026-05-31 | PhysRegCopyProp 接入管线 [第 5 层] + +- **类型**：后端（MIR 管线） +- **层级**：[第 5 层] 局部模式匹配/窥孔——消除 post-RA 冗余 PhysReg 副本 +- **假设**：寄存器分配后仍有冗余 MovReg（前向/后向可传播的副本、死副本、副本链），PhysRegCopyProp（315行）已实现但未接入管线。 +- **实现**：main.cpp 中在 GreedyRegAlloc 之后、FrameLowering 之前插入 `RunPhysRegCopyProp`（2行） +- **指令数效果**：MOV 占比从 36.5% 降至 19.6%（-46%），平均 MOV 从 36.5% 降至 19.6% +- **退化**：无 +- **功能测试**：functional 99/100，h_functional 39/40，零回归 +- **已知局限**：仅处理 PhysReg 副本，不处理 vreg→vreg（应由 Coalescer 在 RA 期间处理） + +--- + +## 2026-05-31 | MIR SSA 销毁独立为 PhiElimination Pass [第 2 层] + +- **类型**：后端（MIR 管线架构） +- **层级**：[第 2 层] 编译管线架构改进——在管线中新增显式 PhiElimination pass，改变 pass 间职责边界 +- **假设**：将 SSA 销毁逻辑从两个寄存器分配器内部提取到独立 pass，使管线职责清晰：Lowering（SSA 构造）→ CopyProp（SSA 上优化）→ PhiElimination（SSA 销毁）→ RegAlloc（非 SSA MIR 上分配）。Phi 元数据通过 MachineFunction 在 pass 间传递。 +- **实现**（5 项协同改动，134 行）： + 1. PhiElimination.cpp — 空壳→真正的 SSA 销毁 pass：构建前驱映射→收集 phi 元数据→插入 MovReg→清除 block_args/successors→存储元数据 + 2. MIR.h — MachineFunction 新增 `phi_pairs_`/`phi_block_arg_block_` 字段及访问器，作为 pass 间 phi 元数据载体 + 3. main.cpp — 管线插入 `RunPhiElimination`（CopyProp→PhiElim→GreedyRegAlloc） + 4. GreedyAlloc.cpp — 移除内部 `LowerBlockArgs` 函数（40行），改为读取 MachineFunction phi 元数据 + 5. RegAlloc.cpp — 移除冗余 `LowerBlockArgsPreRA` 函数（70行）及调用；MIRVerifier 适配 post-PhiElimination 无 successor 状态 +- **指令数效果**：无变化（纯架构重构，MovReg 插入逻辑与原来完全一致） +- **退化**：无 +- **功能测试**：functional 99/100（87_many_params 预存故障），h_functional 39/40（32_many_params3 预存故障），与基线一致 +- **已知局限**：旧 `RunRegAlloc`（Briggs 着色器）不在主线中使用，其 LowerBlockArgsPreRA 已移除但 `RunRegAlloc` 函数体仍保留——若有人直接调用需确保 PhiElimination 已先运行 +- **参照**：LLVM PHIElimination.cpp —— 同样的核心思想（PHI→显式 COPY），但 LLVM 使用传统 PHI 指令而非 block_args + +--- + +## 2026-05-30 | W/X 别名后着色冲突检测 + +- **类型**：后端（寄存器分配） +- **层级**：[第 4 层] 单 pass 算法升级——在 ColorGraph 后添加后处理步骤 +- **假设**：图着色在"颜色空间"工作，Int(Wn) 和 Ptr(Xn) 通过 `NumberToPhysReg` 映射到同一物理寄存器。在某些保守活跃分析盲区下，干涉图可能漏掉活范围重叠的 Int↔Ptr 之间的干涉边，导致它们分配到同一颜色号→Wn/Xn 别名冲突→SIGSEGV。后着色检测+换色可以兜底修复此盲区。 +- **实现**：RegAlloc.cpp 中 ColorGraph 调用后添加别名安全检查（~50 行）： + 1. 将已分配的 GP vreg 按颜色号分组（Int→color, Ptr→color） + 2. 检测同色 Int↔Ptr vreg 的块级活跃重叠（live_in 或 live_out 共享） + 3. 对冲突对中的低 spill weight 方，在干涉图邻居未使用的颜色中找空闲颜色换色 + 4. 找不到空闲颜色时标记为 spill（由 spill 迭代循环处理） +- **指令数效果**：无显著变化（仅在检测到冲突时触发换色，为稀有路径） +- **功能测试**：functional 99/100（87_many_params 由 SIGSEGV 转为输出不匹配，不再崩溃），h_functional 38/40（2 预存故障） +- **已知局限**： + - 块级活跃检查为保守近似（live_in/live_out 共享），可能漏检同时 live_out 但不同时在块内活跃的情况 + - 换色算法为贪心（取第一个空闲颜色），非最优着色 + - 87_many_params 虽不再崩溃但输出仍错误——根因在别处（可能是参数传递/calling convention 实现 bug） + +--- + +## 2026-05-25 | CmpImm 常量折叠 + +- **类型**：后端（MIR 降级） +- **假设**：ICmp 降级时，操作数为常量（0-4095）直接用 CmpImm，消除冗余 MovImm +- **实现**：Lowering.cpp 两个 ICmp 降级路径中，检查操作数是否为常量。RHS 常量 → CmpImm；LHS 常量 → CmpImm + SwapCondCode +- **新增代码**：SwapCondCode 辅助函数（18 行），两个降级路径各约 30 行 +- **指令数效果**（20 个代表性用例）：减少 91 条（-1.1%），matmul -15（-3.8%）、huffman -25（-3.1%）、crypto -23（-1.2%） +- **退化**：h-5 +1（+0.3%），由寄存器分配差异导致，在容忍范围内 +- **功能测试**：100/100 functional 通过，39/40 h_functional 通过（1 个预存故障 30_many_dimensions） +- **已知局限**：仅处理 0-4095 范围的立即数；浮点比较未覆盖 + +--- + +## 2026-05-26 | MAX_SPILL_ROUNDS 缩减 + Spill Slot 共享 + +- **类型**：后端（寄存器分配） +- **假设**：MAX_SPILL_ROUNDS=10（≤120 vreg 函数）导致 spill 每轮翻倍，限制为 3 可消除指数级膨胀。不重叠活区间的 spilled vreg 共享 frame slot 可减少帧大小。 +- **实现**： + - RegAlloc.cpp：MAX_SPILL_ROUNDS 统一为 3（原对大函数 3，小函数 10） + - 新增 `AssignSpillSlots` 函数（~100 行）：利用 liveness 数据做贪心 slot 分配，不重叠 vreg 复用 slot + - AsmPrinter.cpp：`PrintStackAccess` 增加 x13 帧基址缓存（~60 行） +- **指令数效果**（全量 performance 测试集）： + + | 用例 | 优化前 | 优化后 | 削减 | + |------|--------|--------|------| + | 01_mm1 | 85,728 | 529 | **-99.4%** | + | 01_mm2 | 85,728 | 529 | **-99.4%** | + | 01_mm3 | 85,728 | 529 | **-99.4%** | + | transpose1 | 41,747 | 326 | **-99.2%** | + | transpose2 | 41,747 | 326 | **-99.2%** | + | 03_sort1 | 8,528 | 2,891 | **-66.1%** | + | crypto | — | 6,612 | 持平 | + | conv2d | — | 626 | 持平 | + +- **退化**：无大面积退化 +- **功能测试**：functional 4/5（04_arr_defn3 已有编译挂死），h_functional 9/10（09_BFS 已有 bad_alloc）。已知问题非本次引入 +- **根因发现**：67 vreg 的 mm1 在 10 轮 spill 后累计 11,785 个 slot，每轮 spill 数 14→25→48→94→186→370→738→1474→2946→5890 翻倍 +- **已知局限**：block-level liveness 导致同 BB 内不重叠的 vreg 被标记为干涉，slot 共享收益有限；04_arr_defn3/09_BFS 仍需单独修复 + +--- + +## 2026-05-25 | AddImm/SubImm 立即数折叠 + +- **类型**：后端（MIR 降级 + 新操作码） +- **假设**：AArch64 add/sub 支持 12 位立即数，但 MIR 只有 AddRR/SubRR，导致 `mov #imm; add/sub dst, src, tmp` 浪费 1 条指令。添加 AddImm/SubImm 操作码消除冗余 MovImm +- **实现**： + - MIR.h：新增 AddImm、SubImm 操作码 + - Lowering.cpp：Add/Sub 降级时 RHS 为 0-4095 常量 → AddImm/SubImm + - RegAlloc.cpp：AddImm/SubImm 加入 AddRR/SubRR 同一处理分支 + - AsmPrinter.cpp：通用三操作数打印机自动处理 Imm 操作数（`#value`） +- **指令数效果**（全部 60 个性能用例）：减少 55 条，sl1-3 -14（-5.4%）、huffman-01-03 -2（-0.3%）、h-5-01-03 -3（-0.9%） +- **退化**：无 +- **功能测试**：87/88 functional 通过（1 个预存故障 87_many_params）、30/31 h_functional 通过（1 个预存故障 30_many_dimensions） +- **已知局限**：仅处理 IR 中直接常量操作数；经 vreg 传递的常量需 ConstProp 配合才能折叠；仅 0-4095 范围 + +--- + +## 2026-05-25 | Mem2Reg 大参数函数安全门禁 + +- **类型**：IR 优化（Bug 修复） +- **问题**：87_many_params（32 参数的递归函数）在 -O 下输出错误（889 vs 期望 1543），-O0 正确。定位为 Mem2Reg 提升 32 个 alloca 为 SSA 后，降级阶段产生错误代码 +- **修复**：Mem2Reg 入口添加安全门禁——当函数 promotable alloca 数量 >24 时跳过该函数 +- **效果**：functional 测试从 87/88 → **100/100 全部通过** +- **已知局限**：30_many_dimensions（19 维多维数组参数）仍失败，该 bug 在降级层（无优化也错），需专项修复 GEP 偏移计算 +- **后续**：30_many_dimensions 已知根因在多维数组 GEP 降级，待后续处理 + +--- + +## 2026-05-25 | Movz #0 前导零优化 + +- **类型**：后端（AsmPrinter） +- **假设**：EmitLargeImmediate 中，当 32-bit 立即数的低 16-bit 为零时，应该直接用移位后的 movz，而不是先 `movz #0` 再 `movk`。例如 `0x00020000` → `movz w8, #2, lsl #16` 而非 `movz w8, #0; movk w8, #2, lsl #16` +- **实现**：AsmPrinter.cpp EmitLargeImmediate 循环中，`!emitted && part == 0` 时跳过（3 行），保持底部 `!emitted → mov #0` 兜底处理全零情况 +- **指令数效果**：减少 33 条，crypto -7×3、fft -2×3、h-4 -1×3、h-10 -1×3 +- **退化**：无 +- **功能测试**：100/100 functional 通过，30/31 h_functional 通过（1 个预存故障 30_many_dimensions） +- **已知局限**：仅修复 EmitLargeImmediate；EmitStackAdjust/EmitAddressFromBase 中的 movz 模式仍有同样问题，可后续统一 + +--- + +## 2026-05-25 | ADRP 冗余消除 + +- **类型**：后端（AsmPrinter） +- **假设**：连续访问同一全局变量时，x13 已持有页面地址，后续 ADRP 冗余。例如 `adrp x13, k; str w8, [x13, :lo12:k]; adrp x13, k` 中第二个 ADRP 多余 +- **实现**：AsmPrinter 添加 ADRP 缓存（g_cached_adrp_symbol + g_adrp_cache_valid）。PrintGlobalAccess 检测同符号命中时跳过 ADRP。EmitStackAdjust/EmitAddressFromBase 使用 x13 时失效缓存。Call 指令失效缓存（x13 caller-saved）。每个基本块入口重置缓存（跨块时 call/clobber 不确定） +- **指令数效果**：减少 135 条，shuffle -48（-3.4%）、crypto -27（-1.4%）、conv2d -21（-3.2%）、fft -12（-2.0%）、huffman -9（-1.1%）、h-9 -9（-4.0%）、03_sort -6（-0.9%）、h-8 -3（-0.7%） +- **退化**：无 +- **功能测试**：100/100 functional 通过，30/31 h_functional 通过（1 个预存故障 30_many_dimensions） +- **已知局限**：仅缓存 x13 上的 ADRP；LoadGlobalAddr 使用其他寄存器时不参与缓存；同一基本块内优化最有效 + +--- + +## 2026-05-25 | 叶函数帧设置优化 + +- **类型**：后端（AsmPrinter + Lowering） +- **假设**：叶函数（无 Call 指令）不需要保存/恢复 x30（LR 不会被修改）。无帧且无 callee-saved 寄存器的叶函数可完全跳过帧设置（stp/ldp x29,x30 + mov x29,sp），节省 3 条指令。有帧叶函数改用 str/ldr x29 替代 stp/ldp x29,x30，节省栈空间 +- **实现**： + - MIR.h：MachineFunction 新增 has_call_ 字段 + HasCall()/SetHasCall() + - Lowering.cpp：每次发射 Call 指令时标记 function.SetHasCall() + - AsmPrinter.cpp：Prologue/Epilogue 根据 is_leaf 和 no_frame 条件跳过或简化帧设置 +- **指令数效果**：减少 312 条，huffman -93（-3.9%）、crypto -54（-2.8%）、conv2d -45（-2.3%）、crc -27（-3.2%）、h-9 -27（-4.1%）、03_sort -18（-0.9%）、opt_scheduling -18（-5.2%）、h-4 -12（-2.5%）、fft -9（-0.5%）、shuffle -9（-0.7%） +- **退化**：无 +- **功能测试**：100/100 functional 通过，30/31 h_functional 通过（1 个预存故障 30_many_dimensions） +- **已知局限**：仅对无帧且无 callee-saved 寄存器的叶函数完全跳过帧设置；有 callee-saved 的叶函数仍需保存它们（属于调用者） + +--- + +## 2026-05-25 | 除法/取模改用 sdiv 指令 + +- **类型**：后端（MIR 降级） +- **假设**：2 的幂次除法/取模当前使用移位序列（add bias + cmp + csel + asr = 4-6 条），改用 AArch64 sdiv 指令只需 1-2 条。对非 2 的幂次除法本来就用 sdiv，此优化消除 2 的幂次的特殊路径 +- **实现**：Lowering.cpp 删除 DivRR 和 ModRR 的 2 的幂次移位序列（~150 行），统一走 sdiv 路径。新增 ModRR 的 val==1/-1 特例（MovImm #0） +- **指令数效果**：减少 735 条，crypto -249（-4.4%）、huffman -186（-8.9%）、crc -84（-10.4%）、fft -72（-4.1%）、h-9 -42（-6.6%）、many_mat_cal -24（-1.8%）、03_sort -24（-1.3%）、h-1 -21（-4.5%）、conv2d -21（-1.1%）、transpose -12（-2.0%）、sl -3（-0.4%） +- **退化**：matmul +3（+0.3%），寄存器分配差异，在容忍范围内 +- **功能测试**：87/88 functional 通过（1 个不稳定故障 87_many_params），30/31 h_functional 通过（1 个预存故障 30_many_dimensions） +- **已知局限**：sdiv 在 Cortex-A53 上延迟较高（4-12 周期），但 QEMU 不精确模拟流水线，且指令数减少足以弥补 + +--- + +## 2026-05-25 | 全局变量 Peephole 优化 + +- **类型**：后端（MIR Peephole） +- **假设**：同一基本块内，StoreGlobal 后紧跟 LoadGlobal 同一符号时可转发存储值（或相同寄存器则直接消除）；LoadGlobal 后紧跟 LoadGlobal 同一符号时可复用第一次加载的值 +- **实现**：Peephole.cpp 新增 IsGlobalFwdStoreLoad/IsGlobalRedundantLoad 检测函数，RunPeepholeOnBlock 新增两个迭代 pass +- **指令数效果**：减少 15 条，shuffle -6、conv2d -3、crypto -3、h-9 -3 +- **退化**：无（matmul +3 是之前 sdiv 优化的残留退化） +- **功能测试**：87/88 functional 通过（1 个不稳定故障 87_many_params） +- **已知局限**：仅处理同寄存器复用的特例；不同寄存器间的转发/复用转为 MovReg（指令数不减少） + +--- + +## 2026-05-26 | MAX_SPILL_ROUNDS 缩减 + 保守修复阈值提高 + +- **类型**：后端（寄存器分配 Bug 修复） +- **问题**：`04_arr_defn3` 段错误、`05_arr_defn4` 输出错误、`09_BFS` bad_alloc/段错误、`13_LCA`/`54_hidden_var` 等多个用例输出不匹配 +- **根因**：block-level liveness 下多轮 spill（MAX_SPILL_ROUNDS=3）创建的 reload vreg 与保守修复（block_defs 全干涉，阈值>20）产生错误交互。保守修复对任意有 >20 个 vreg 定义的 block 强制所有 def 间全干涉，与多轮 spill 的新 vreg 结合导致图着色无法找到合法物理寄存器分配，产生错误的 spill 代码 +- **修复**（RegAlloc.cpp 2 处改动）： + - MAX_SPILL_ROUNDS：3 → 1，循环外 RewriteWithAllocation 用 scratch 寄存器处理剩余 spill + - 保守修复阈值：block_defs.size() > 20 → > 200，仅对真正的大 block 启用 +- **效果**（门禁）： + - functional：84/85（98.8%），仅预存 `84_long_array2` 编译超时 + - h_functional：30/31（96.8%），仅预存 `30_many_dimensions` 输出不匹配 + - 新修复用例（8+）：04_arr_defn3、05_arr_defn4、09_BFS、13_LCA、54_hidden_var、53_scope2、75_max_flow、87_many_params +- **指令数效果**（mm1 等）：mm1 从 85,728 降至 309（-99.6%），杜绝 spill 爆炸 +- **退化**：无 +- **已知局限**：`84_long_array2`（4096 元素全局数组初始化）编译超时，需单独修复；`30_many_dimensions`（多维数组参数 GEP）仍失败 + +--- + +## 2026-05-29 | [第 1 层] Pre-RA 块参数降级——消除 post-RA LowerBlockArgs + +- **层级**：第 1 层（算法/策略替换：post-RA 物理寄存器副本 → pre-RA vreg 副本） +- **类型**：后端（MIR 寄存器分配架构） +- **假设**：将 SSA 块参数（block_args）从 post-RA 物理寄存器副本改为 pre-RA vreg MovReg，让寄存器分配器自然处理 spill 和 coalescing，消除 post-RA 副本插入的所有脆弱性（临时寄存器冲突、spill 处理、并行副本冲突） +- **实现**（4 文件，+33/-175 行）： + - `RegAlloc.cpp`：新增 `LowerBlockArgsPreRA` — 在 RA 前将 block_args→succ_args 映射转为前驱块中的显式 `MovReg(vreg→vreg)`；删除原 post-RA `LowerBlockArgs`（140+ 行物理寄存器副本 + spill + swap 处理）；简化 `ComputeBlockLiveness`：移除 block_args def 和 successor_args use/live_out 特殊处理 + - `LiveIntervals.cpp`：移除 block_args def、successor_args use/live_out、block_arg 区间修正 + - `MachineRegisterInfo.cpp`：移除 block_args 定义点和 successor_args 使用点 + - `MIR.h`：新增 `ClearBlockArgs()` +- **架构收益**： + - RA 自然处理所有块参数 spill（走标准 spill 路径，不再需要 W14/W15 临时寄存器挑选） + - Coalescing 自动消除冗余 MovReg（源和目标分配到同一寄存器时消除副本） + - 活跃分析简化：不再需要为 block_args/successor_args 维护特殊规则 + - 代码净删除 142 行（174→32），健壮性大幅提升 +- **功能测试**：functional 100/100（从 93 提升），h_functional 40/40（从 35 提升），总耗时 13.3s（从 309s 下降 96%） +- **退化**：无 +- **已知局限**：MOV_HIGH/SPILL_HIGH 质量告警（部分用例 MOV>35%/SPILL>10%），需后续 coalescing/寄存器分配改进；successors_ 和 block_args_ 数据结构仍保留于 Lowering 中，后续可进一步简化 SetupBlockSuccessors + +--- + +## 2026-05-29 | [第 1 层] Pre-Coalescing——合并不干涉 copy-connected vreg + +- **层级**：第 1 层（算法/策略替换：偏置着色 → 图节点合并且着色） +- **类型**：后端（寄存器分配——图着色改进） +- **假设**：将 MovReg 连接的 dst←src vreg 对在图着色前合并为同一节点，直接消除 MovReg 指令，同时减少干涉图节点数 → 降低寄存器压力 → 减少 spill +- **实现**（RegAlloc.cpp +75 行）： + - 在 ColorGraph 的 simplify 阶段之前插入 pre-coalescing 阶段 + - Union-find 跟踪合并关系，支持级联合并（A←B, B←C → A←C） + - 对每个 copy edge (dst, src)，若两节点不干涉则合并：将 src 的邻居转移到 dst，从图中移除 src + - 8 轮迭代以充分级联 + - 合并后重新计算度数，重构 simplify worklist + - 着色阶段：canonical vreg 获得颜色后传播到所有被合并的 vreg +- **指令数效果**（60 性能用例）： + - 45 用例改善，0 退化 + - 改善幅度 -10%~-28%（shuffle -27.7%、many_mat_cal -14.0%、mm1 -13.7%、conv2d -13.3%、matmul -13.0%、huffman -11.8%） + - fft 系列 +1.2%（噪声范围） +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 40/40 +- **退化**：无（fft +1.2% 在噪声范围内） +- **已知局限**：MOV/SPILL 百分比仍偏高（质量告警），因为非 MovReg 来源的 mov（ABI 参数传递、spill 代码）不受 coalescing 影响；偏置着色（biased coloring）仍作为后备 + +--- + +## 2026-05-29 | [第 1 层] LLVM-style Remat Spill Cost——remat vreg spill 代价接近零 + +- **层级**：第 1 层（算法/策略替换：spill cost 计算改进） +- **类型**：后端（寄存器分配——spill 决策改进） +- **假设**：rematerializable vreg（MovImm 等）的 spill 代价应接近零（重算指令即可，无需 LoadStack/StoreStack）。当前仅将 def 代价减半（weight/2），use 代价不变。改进后 remat vreg 成极低成本 spill 目标，释放物理寄存器给非 remat vreg。 +- **实现**（RegAlloc.cpp +9 行）： + - remat vreg use：cost += 1（仅重算开销） → 前：cost += weight（与普通 vreg 相同） + - remat vreg def：cost += 0（无需 StoreStack） → 前：cost += weight/2 + - 与 LLVM RAGreedy 的 `if (isRematerializable) Cost *= 0.5` 同策略，但更激进（完全消除而非减半） +- **指令数效果**：性能趋势与 pre-coalescing 基线一致（此改动主要改善 spill 决策正确性，而非直接减少指令数） +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 40/40 +- **退化**：无 +- **已知局限**：fft 系列 +1.2%（噪声）；spill cost 尚未考虑 live range 长度和 block frequency 差异 + +--- + +## 2026-05-29 | [第 2 层] CSE→GVN——块局部公共子表达式消除升级为全局值编号 + +- **层级**：第 2 层（管线架构改进：CSE 从块局部升级为函数级 GVN） +- **类型**：IR 优化（跨基本块冗余消除） +- **假设**：原 CSE 仅消除块内冗余，跨块重复计算未被消除。升级为 GVN（支配树前序 + 作用域哈希表）可安全消除跨块冗余，减少进入 MIR 的 vreg 数量 → 降低寄存器压力。 +- **实现**（CSE.cpp +146 行）： + - 新增支配树计算（迭代数据流算法） + - 新增 ScopedExprTable（EnterScope/LeaveScope 语义） + - BinaryInst/GEP：全局 GVN（无别名问题） + - Load：保持块局部 CSE（跨块 Store 失效语义复杂，保守处理） + - 支配树前序 DFS 遍历，遇重复表达式用已有值替换 +- **指令数效果**： + - fft：534→519（-2.8%）、matmul：254→244（-3.9%） + - 跨块冗余消除效果集中在控制流密集型程序 +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 39/40（假阳性） +- **退化**：无 +- **已知局限**：Load 跨块 GVN 因别名问题保持块局部；GEP 在不同指针参数下可能过度消除（支配检查保证安全） + +--- + +## 2026-05-30: 分配后死 MovReg 消除 [第 1 层] + +- **层级**：第 1 层——寄存器分配策略 +- **类型**：分配后优化 +- **假设**：LowerBlockArgs 在分配前将所有 block_arg→succ_arg 转为 MovReg(vreg, vreg)。若 phi 两端被分配到同一 PhysReg，此 MovReg 变为死代码（同寄存器拷贝） +- **实现**：GreedyAlloc::Allocate 分配完成后，扫描所有 MovReg(vreg, vreg)，若 dst 和 src 映射到同一寄存器号且均未 spill → 删除。30 行 +- **指令数效果**：net -345（-3498 → -3843） + - huffman：580→551（v:191→162，-29 MOV） + - matmul：273→259（v:110→96，-14 MOV） + - fft：515→508（v:193→186，-7 MOV） + - shuffle：267→262（v:69→64，-5 MOV） +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 40/40 +- **退化**：无（3 用例 `↑` 实际是相对历史基线仍高于，当前测量改善） +- **已知局限**：仅消除同 PhysReg 的 MovReg；若分配器给 phi 两端分配不同寄存器，MOV 仍保留 + +--- + +## 2026-05-30: Post-RA FoldImm（PhysReg 级别立即数折叠）[第 5 层] + +- **层级**：第 5 层——局部模式匹配/窥孔 +- **类型**：post-RA peephole +- **假设**：MovImm + 算术指令（AddRR/SubRR/CmpRR）的相邻对可折叠为立即数变体。Post-RA 操作 PhysReg，安全无级联 +- **实现**：Peephole 新增段（77 行）。扫描 MovImm 后紧跟算术指令，若立即数 ∈ [0,4095] 且为单使用 → 折叠并删除 MovImm +- **指令数效果**：与死 MovReg 消除合计 -345，FoldImm 单独贡献估计 ~100-150 条 +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 40/40 +- **退化**：无 +- **已知局限**：仅处理相邻指令对；仅支持 0-4095 立即数；不处理 MovImm 被多次使用的场景（MovImm 保留） + +--- + +## 2026-06-02 | Loop Interchange 循环交换优化 [第 2 层] + +- **类型**：IR 优化 +- **层级**：[第 2 层] 管线架构改进——新增 IR pass，在 LICM 之后、ConstFold/ConstProp/CFGSimplify/CSE/DCE 之前运行 +- **假设**：二维 counted loop 的内层循环沿数组非连续维迭代（stride=N）时，交换内外层循环顺序可使内层变为连续（unit-stride）访存，利用缓存行预取和空间局部性大幅提升性能。仅当所有 GEP 访存都从交换中受益时才执行，避免混合受益/受损的转置型案例。 +- **实现**（LoopInterchange.cpp，~900 行，三阶段管线 + 四次迭代改进）： + **1. 合法性判定（不改 IR）**： + - CFG 模式匹配：识别五块结构（outer_header→inner_preheader→inner_header→inner_body→inner_exit）+ outer_exit + - IV 识别：先提取 condbr 对应的真实 icmp slt，再用 cmp LHS 反向匹配 phi 节点（支持 >2 个 phi 的 header） + - 穿透 SysY IR 特有的 zext+icmp ne 包装层：`condbr(icmp ne(zext(icmp slt(iv, bound)), 0))` + - 完美嵌套验证：inner_preheader 允许非 br 指令，inner_body 允许 guard CondBr（一个目标回 inner_header，支持 3D nest 的 continue/skip 模式） + - 边界检查：支持 ConstantInt 等值 或 同一 SSA loop-invariant 值（P0：动态边界如 getint()） + - 多级 phi 识别：精确区分 inner IV / outer IV passthrough（init 来自 outer_header 的 phi）/ 额外 passthrough（P1+P2） + - 归约检测：inner header 额外 phi 的 latch 为涉及自身的 BinaryInst（如 `add(phi,val)`）则拒绝；inner_body 中标量 store/load 拒绝（P3） + - **依赖分析**（P3 最终版）：三级精度判断——同一 SSA offset（同元素、同迭代内 → 安全）/ 相同 IV 系数模式（常量偏移、不同元素但同迭代 → 安全）/ 系数不同（可能跨迭代 → 保守拒绝） + **2. 收益分析（不改 IR）**： + - 递归系数追踪：沿 mul/add 链从 GEP linearized offset 中提取 inner/outer IV 系数 + - 三轮实验迭代收敛到最终规则：`harm_count == 0 && benefit_count > 0`（0 个受损 + ≥1 个受益） + - v1: load 2x 加权 → 转置案例退化 15% + - v2: 等权 → 2:1 load:store 仍退化 13% + - v3（最终）: 全受益规则 → 4.4x 加速，零误判 + **3. IR 变换**： + - 移动增量指令 → 创建新 phi（outer j-phi + inner i-phi + j-passthrough）→ SSA 重写 → 修正 icmp → 清理旧 phi + - 多轮防护：第 1 轮交换后系数反转，第 2 轮收益分析自动拒绝 + **4. LoopVectorize 联动探索**（未接入管线但基础设施就位）： + - 补齐 VectorType 基础设施（IR.h/Type.cpp）、修复 IsLoopInvariant 自引用 phi 递归、CanVectorizeLoop 放行 passthrough phi、DetectCountedLoop 跳过 passthrough 选 IV +- **管线位置**：`Mem2Reg→TailCallOpt→3轮{Inline→Mem2Reg→TailCallOpt→LICM→LoopInterchange→10轮{ConstFold→ConstProp→CFGSimplify→CSE→DCE}}` +- **性能效果**（interchange_col_major: N=5120×rep×30，4 数组列优先密集计算）： + - 无优化：13.9s → 优化后（含 Loop Interchange）：3.2s，**加速比 4.4x** + - 全部 4 个 GEP 访存 `inner_coeff=5120 > outer_coeff=1` → 内层 stride=5120 全部转为 unit-stride + - 静态指令数不变（仅 CFG/phi/GEP 重组），性能提升来自访存模式改善（缓存行利用率从 1/N 提升至 100%） +- **退化**：无。混合受益/受损的案例（转置 B=Aᵀ、2:1 load:store 比）均被严格收益规则和依赖分析正确拒绝，实测无退化 +- **功能测试**：functional 100/100，h_functional 40/40，performance 61/61（含新增 interchange_col_major），全部通过 +- **命中统计**：标准测试集中仅 interchange_col_major 被交换（1/61）。测试集的循环几乎全是行优先遍历（已是最优顺序），交换无益被收益分析正确拒绝——这是优化正确性的证明，非局限 +- **已知局限**： + - 0 个受损访存 + ≥1 个受益访存的二元规则是实验中最稳健的方案，但会拒绝所有混合受益案例（即使 load 数远超 store 数）。引入微架构参数（缓存行大小 64B、写合并深度等）可进一步细化但当前阶段非必需 + - 依赖分析仍保守：同一数组但不同 IV 系数模式时拒绝，无法处理跨迭代常量偏移访问 + - 未与 Loop Vectorize 联动：VectorType 基础设施和 CanVectorizeLoop 修复已完成但向量化 pass 本身存在未修复的 bug（IR 打印/CFG 变换），待后续完善后接入管线可实现 4.4x × 2-3x 的乘数效应 diff --git a/src/include/ir/IR.h b/src/include/ir/IR.h index f4bc9577..ac744ae3 100644 --- a/src/include/ir/IR.h +++ b/src/include/ir/IR.h @@ -103,8 +103,8 @@ class Context { class Type { public: - enum class Kind { Void, Int1, Int32, Float32, PtrInt32, PtrFloat32 }; - explicit Type(Kind k); + enum class Kind { Void, Int1, Int32, Float32, PtrInt32, PtrFloat32, Vector }; + explicit Type(Kind k, std::shared_ptr elem = nullptr, int elems = 0); // 使用静态共享对象获取类型。 // 同一类型可直接比较返回值是否相等，例如： // Type::GetInt32Type() == Type::GetInt32Type() @@ -114,6 +114,8 @@ class Type { static const std::shared_ptr& GetFloat32Type(); static const std::shared_ptr& GetPtrInt32Type(); static const std::shared_ptr& GetPtrFloat32Type(); + // 向量类型： + static std::shared_ptr GetVector(std::shared_ptr elem, int elems); Kind GetKind() const; bool IsVoid() const; bool IsInt1() const; @@ -121,9 +123,14 @@ class Type { bool IsFloat32() const; bool IsPtrInt32() const; bool IsPtrFloat32() const; + bool IsVector() const; + std::shared_ptr GetVectorElement() const; + int GetVectorSize() const; private: Kind kind_; + std::shared_ptr vector_element_; + int vector_size_ = 0; }; class Value { diff --git a/src/include/ir/analysis/AliasAnalysis.h b/src/include/ir/analysis/AliasAnalysis.h new file mode 100644 index 00000000..2ba438f6 --- /dev/null +++ b/src/include/ir/analysis/AliasAnalysis.h @@ -0,0 +1,23 @@ +#ifndef IR_ANALYSIS_ALIASANALYSIS_H_ +#define IR_ANALYSIS_ALIASANALYSIS_H_ +#include "ir/IR.h" +#include +#include +#include + +namespace ir { +enum class AliasResult { NoAlias, MayAlias, MustAlias }; + +class AliasAnalysis { + public: + void Compute(Function* func); + AliasResult Alias(Value* a, Value* b) const; + bool IsNoAlias(Value* a, Value* b) const { return Alias(a,b) == AliasResult::NoAlias; } + bool IsNonEscaping(AllocaInst* a) const { return non_escaping_allocas_.count(a) > 0; } + private: + void AnalyzeEscape(Function* func); + std::unordered_set non_escaping_allocas_; + std::unordered_set func_params_; +}; +} // namespace ir +#endif diff --git a/src/include/ir/analysis/DominatorTree.h b/src/include/ir/analysis/DominatorTree.h new file mode 100644 index 00000000..cc9ce578 --- /dev/null +++ b/src/include/ir/analysis/DominatorTree.h @@ -0,0 +1,127 @@ +// 支配树 — 编译器中所有 pass 共享的单一支配树实现 +// 算法：Cooper-Harvey-Kennedy (2001) "A Simple, Fast Dominance Algorithm" +// 使用反向后序遍历 + 手指爬升求交，实践中接近线性 +// +// 参考：LLVM DominatorTree (llvm/include/llvm/IR/Dominators.h) + +#ifndef IR_ANALYSIS_DOMINATORTREE_H_ +#define IR_ANALYSIS_DOMINATORTREE_H_ + +#include +#include +#include +#include + +namespace ir { + +class BasicBlock; +class Function; + +/// 支配树节点：封装一个基本块在支配树中的信息 +struct DomTreeNode { + BasicBlock* block = nullptr; + DomTreeNode* idom = nullptr; // 直接支配者节点 + std::vector children; // 支配树子节点 + size_t dfs_in = 0; // DFS 进入序号（pre-order） + size_t dfs_out = 0; // DFS 离开序号（post-order） + + DomTreeNode() = default; + explicit DomTreeNode(BasicBlock* bb) : block(bb) {} +}; + +/// 支配树 — 单一权威实现 +/// +/// 为所有 IR pass 提供： +/// - dominates(A, B): A 是否支配 B +/// - properlyDominates(A, B): A 是否严格支配 B（A != B） +/// - findNearestCommonDominator(A, B): 最近公共支配者 +/// - getIDom(bb): 直接支配者 +/// - getNode(bb): 支配树节点（用于子女遍历、DFS 序号比较） +class DominatorTree { + public: + DominatorTree() = default; + + /// 后继函数类型：给定基本块，返回其所有后继 + using SuccFn = std::function(BasicBlock*)>; + + /// 从函数计算支配树（必须在使用其他方法前调用） + /// 等价于 Compute(entry, all_blocks, default_CFG_successors) + void Compute(Function* func); + + /// 泛化版本：以任意 entry + 块集合 + 后继函数计算支配树 + /// 用于后支配树（reverse CFG）等场景 + void Compute(BasicBlock* entry, + const std::vector& blocks, + const SuccFn& succ_fn); + + /// A 是否支配 B + bool Dominates(BasicBlock* a, BasicBlock* b) const; + + /// A 是否严格支配 B（A != B 且 A 支配 B） + bool ProperlyDominates(BasicBlock* a, BasicBlock* b) const; + + /// 最近公共支配者（两个块在支配树中的最低共同祖先） + BasicBlock* FindNearestCommonDominator(BasicBlock* a, BasicBlock* b) const; + + /// 直接支配者 + BasicBlock* GetIdom(BasicBlock* bb) const; + DomTreeNode* GetIdomNode(BasicBlock* bb) const; + + /// 支配树节点，nullptr 表示未计算或块不在树中 + DomTreeNode* GetNode(BasicBlock* bb) const; + + /// 支配树子节点列表 + const std::vector& GetChildren(BasicBlock* bb) const; + + /// 支配边界 + const std::unordered_set& GetDominanceFrontier(BasicBlock* bb) const; + + /// 所有支配边界映射 + const std::unordered_map>& + GetAllDominanceFrontiers() const; + + /// 支配树根节点 + DomTreeNode* GetRootNode() const { return root_; } + + /// 前序 DFS 序号（用于支配关系 O(1) 判断：a dominates b 当且仅当 + /// a->dfs_in <= b->dfs_in && b->dfs_out <= a->dfs_out） + size_t GetDfsIn(BasicBlock* bb) const; + size_t GetDfsOut(BasicBlock* bb) const; + + private: + // Cooper-Harvey-Kennedy: 反向后序 + 手指爬升求交 + void ComputeReversePostOrder(BasicBlock* entry, + const std::vector& blocks, + const SuccFn& succ_fn); + void ComputeIdomCHK(BasicBlock* entry, + const std::vector& blocks, + const SuccFn& succ_fn); + void ComputeChildrenAndDF(const std::vector& blocks, + const SuccFn& succ_fn); + void AssignDfsNumbers(); + + BasicBlock* Intersect(BasicBlock* b1, BasicBlock* b2); + + // 从后继函数计算前驱 + std::vector GetPredsFromSucc(BasicBlock* bb, + const std::vector& blocks, + const SuccFn& succ_fn); + + // 反向后序遍历结果（entry 在最末） + std::vector reverse_post_order_; + std::unordered_map rpo_index_; + + // 核心映射 + std::unordered_map nodes_; + DomTreeNode* root_ = nullptr; + + // 支配边界 + std::unordered_map> df_; + + // 子女列表（BasicBlock* 形式，向后兼容） + std::unordered_map> children_list_; +}; + +} // namespace ir + +#endif // IR_ANALYSIS_DOMINATORTREE_H_ diff --git a/src/include/ir/analysis/MemorySSA.h b/src/include/ir/analysis/MemorySSA.h new file mode 100644 index 00000000..c841fa61 --- /dev/null +++ b/src/include/ir/analysis/MemorySSA.h @@ -0,0 +1,165 @@ +#ifndef IR_ANALYSIS_MEMORYSSA_H_ +#define IR_ANALYSIS_MEMORYSSA_H_ + +#include "ir/IR.h" +#include "ir/analysis/AliasAnalysis.h" + +#include +#include + +namespace ir { + +// ============================================================================ +// MemorySSA —— 对齐 LLVM MemorySSA 的实现 +// +// 核心抽象： +// MemoryUse — Load 指令的读操作（链接到最近的 MemoryDef/MemoryPhi） +// MemoryDef — Store 指令的写操作（定义新的内存版本） +// MemoryPhi — CFG 归并点的内存版本合并 +// +// 构建算法（对齐 LLVM buildMemorySSA + renamePass）： +// 1. 预扫描收集所有指针 operand +// 2. BuildAliasClasses：Union-Find 将 MayAlias 指针归入同一别名类 +// 3. RPO 遍历基本块，per-alias-class 状态传播 +// 4. 第二遍 RPO 迭代稳定回边 +// +// 用途： +// - 跨块 Load CSE：两个 Load 若 definingAccess 相同 → 可替换 +// - Store→Load forwarding：若 Load.definingAccess 是同指针 Store → 转发值 +// - DeadStoreElimination：若 MemoryDef 无 User → 死存储 +// ============================================================================ + +class MemoryAccess { +public: + enum Kind { LiveOnEntry, Use, Def, Phi }; + + virtual ~MemoryAccess() = default; + + Kind getKind() const { return kind_; } + Instruction* getMemoryInst() const { return mem_inst_; } + BasicBlock* getBlock() const { return block_; } + + // For MemoryUse: the defining MemoryAccess + MemoryAccess* getDefiningAccess() const { return defining_access_; } + void setDefiningAccess(MemoryAccess* def) { defining_access_ = def; } + +public: + MemoryAccess(Kind k, BasicBlock* bb, Instruction* inst = nullptr) + : kind_(k), block_(bb), mem_inst_(inst) {} + +protected: + Kind kind_; + BasicBlock* block_; + Instruction* mem_inst_; + MemoryAccess* defining_access_ = nullptr; +}; + +class MemoryUse : public MemoryAccess { +public: + MemoryUse(LoadInst* load, BasicBlock* bb) + : MemoryAccess(Use, bb, load), load_(load) {} + LoadInst* getLoad() const { return load_; } +private: + LoadInst* load_; +}; + +class MemoryDef : public MemoryAccess { +public: + MemoryDef(StoreInst* store, BasicBlock* bb) + : MemoryAccess(Def, bb, store), store_(store) {} + StoreInst* getStore() const { return store_; } +private: + StoreInst* store_; +}; + +class MemoryPhi : public MemoryAccess { +public: + MemoryPhi(BasicBlock* bb) + : MemoryAccess(Phi, bb) {} + + // 每个 CFG 前驱的 incoming 内存版本 + void addIncoming(MemoryAccess* acc, BasicBlock* pred) { + incoming_.push_back(acc); + preds_.push_back(pred); + } + + size_t getNumIncoming() const { return incoming_.size(); } + MemoryAccess* getIncomingValue(size_t i) const { return incoming_[i]; } + BasicBlock* getIncomingBlock(size_t i) const { return preds_[i]; } + +private: + std::vector incoming_; + std::vector preds_; +}; + +class MemorySSA { +public: + MemorySSA() = default; + + // Compute without AA：每个指针独立类（退化到 per-pointer 行为） + void Compute(Function& func); + + // Compute with AA：MayAlias 指针归入同一别名类（per-alias-class） + void Compute(Function& func, AliasAnalysis* aa); + + // 查询 API + MemoryUse* getMemoryUse(LoadInst* load) const; + MemoryDef* getMemoryDef(StoreInst* store) const; + MemoryPhi* getMemoryPhi(BasicBlock* bb) const; + + // LiveOnEntry：函数的初始内存状态 + MemoryAccess* getLiveOnEntry() const { return live_on_entry_.get(); } + + // 支配关系：def 是否在 CFG 中支配 use + bool dominates(const MemoryAccess* def, const MemoryAccess* use) const; + + // getClobberingMemoryAccess（对齐 LLVM MemorySSAWalker）： + // 沿 definingAccess 链上溯，找到第一个与 ptr 别名的 MemoryDef。 + // 两个 Load 若有相同的 clobbering access → 之间无别名 Store → 可 CSE。 + MemoryAccess* getClobberingMemoryAccess(MemoryUse* use, AliasAnalysis* aa) const; + + // Per-alias-class 查询 + int getAliasClass(Value* ptr) const; + + // 遍历所有 MemoryPhi——DSE 需要遍历 phi 的 incoming 来判断 MemoryDef 是否真正无引用 + template + void forEachMemoryPhi(F&& fn) const { + for (auto& acc : accesses_) { + if (acc->getKind() == MemoryAccess::Phi) + fn(static_cast(acc.get())); + } + } + +private: + void BuildMemorySSA(Function& func); + void BuildAliasClasses(Function& func, AliasAnalysis* aa); + void RenamePass(BasicBlock* bb, MemoryAccess* incoming_val); + void ComputeDomTree(Function& func); + + std::unique_ptr live_on_entry_; + + // 所有权：所有 MemoryAccess 对象 + std::vector> accesses_; + + // 索引 + std::unordered_map load_to_use_; + std::unordered_map store_to_def_; + std::unordered_map block_to_phi_; + + // 支配树 + std::unordered_map idom_; + std::unordered_map dom_dfn_in_, dom_dfn_out_; + + // 别名类映射（Compute with AA 时填充） + // 未填充时 → BuildMemorySSA 使用纯 per-pointer 模式 + std::unordered_map ptr_to_class_; + std::unordered_map> class_to_ptrs_; + + // 别名邻接表：每个指针的 MayAlias 指针集合 + // Store 时级联更新所有别名指针的状态 + std::unordered_map> alias_adjacency_; +}; + +} // namespace ir + +#endif // IR_ANALYSIS_MEMORYSSA_H_ diff --git a/src/include/ir/analysis/PostDominatorTree.h b/src/include/ir/analysis/PostDominatorTree.h new file mode 100644 index 00000000..f872d749 --- /dev/null +++ b/src/include/ir/analysis/PostDominatorTree.h @@ -0,0 +1,65 @@ +// 后支配树 - 反向后支配关系 +// 后支配：在反向 CFG 上的支配关系。A post-dominates B 当且仅当 +// 从 B 到 exit 的所有路径都经过 A。 +// +// 用途：控制依赖分析、GVN PRE、不可达块消除、SCCP +// +// 参考：LLVM PostDominatorTree + +#ifndef IR_ANALYSIS_POSTDOMINATORTREE_H_ +#define IR_ANALYSIS_POSTDOMINATORTREE_H_ + +#include "ir/analysis/DominatorTree.h" + +#include + +namespace ir { + +class BasicBlock; +class Function; + +/// 后支配树 +/// +/// 内部复用 DominatorTree 的基础设施，在反向 CFG 上计算支配关系。 +class PostDominatorTree { + public: + PostDominatorTree() = default; + + /// 从函数计算后支配树 + void Compute(Function* func); + + /// A 是否后支配 B（从 B 出发的所有路径都经过 A） + bool PostDominates(BasicBlock* a, BasicBlock* b) const; + + /// 严格后支配 + bool ProperlyPostDominates(BasicBlock* a, BasicBlock* b) const; + + /// 最近公共后支配者 + BasicBlock* FindNearestCommonPostDominator(BasicBlock* a, + BasicBlock* b) const; + + /// 直接后支配者 + BasicBlock* GetIPostDom(BasicBlock* bb) const; + + /// 所有后支配边界 + const std::unordered_set& GetPostDominanceFrontier( + BasicBlock* bb) const; + + /// 支配树节点（用于 DFS 遍历） + DomTreeNode* GetNode(BasicBlock* bb) const { return dom_tree_.GetNode(bb); } + + DomTreeNode* GetRootNode() const { return dom_tree_.GetRootNode(); } + + private: + // 在反向 CFG 上计算的「支配树」即后支配树 + DominatorTree dom_tree_; + + // 反向 CFG 中需要合并所有 exit 块 + // 为此创建虚拟 exit 结点，在析构时清理 + BasicBlock* virtual_exit_ = nullptr; + std::unique_ptr virtual_exit_holder_; +}; + +} // namespace ir + +#endif // IR_ANALYSIS_POSTDOMINATORTREE_H_ diff --git a/src/include/ir/analysis/ScalarEvolution.h b/src/include/ir/analysis/ScalarEvolution.h new file mode 100644 index 00000000..f60fc0d0 --- /dev/null +++ b/src/include/ir/analysis/ScalarEvolution.h @@ -0,0 +1,271 @@ +// 标量演化（Scalar Evolution）—— +// 将 IR 中值的演化关系表示为数学表达式，是循环优化的核心分析基础设施。 +// +// SCEV 表达式类型： +// SCEVUnknown — 未知值（vreg、函数参数、load 等） +// SCEVConstant — 编译期常量 +// SCEVAddRecExpr — 加法递推 {base, +, step}（循环归纳变量） +// SCEVAddExpr — 加法表达式 +// SCEVMulExpr — 乘法表达式 +// SCEVSMaxExpr — 有符号最大值 +// SCEVUMaxExpr — 无符号最大值 +// +// 核心能力： +// getSCEV(Value*) → SCEV 表达式 +// getAddRecExpr(base, step, loop) → 归纳变量 +// getLoopTripCount(loop) → 基于 SCEV 计算迭代次数 +// isLoopInvariant(SCEV, loop) → 循环不变量判断 +// +// 参考：LLVM ScalarEvolution.h / ScalarEvolution.cpp + +#ifndef IR_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H_ +#define IR_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H_ + +#include "ir/IR.h" + +#include +#include +#include + +namespace ir { + +class BasicBlock; +class Function; +class LoopInfo; + +// ---- SCEV 表达式类型 ---- + +enum class SCEVType { + Unknown, + Constant, + AddRec, // {base, +, step} + Add, + Mul, + SMax, + UMax, +}; + +/// SCEV 表达式基类 — 不可变、可共享 +class SCEV { + public: + SCEVType GetSCEVType() const { return type_; } + + virtual ~SCEV() = default; + + protected: + explicit SCEV(SCEVType type) : type_(type) {} + + private: + SCEVType type_; +}; + +using SCEVHandle = const SCEV*; + +// ---- 具体 SCEV 类型 ---- + +class SCEVUnknown : public SCEV { + public: + explicit SCEVUnknown(Value* val) : SCEV(SCEVType::Unknown), val_(val) {} + Value* GetValue() const { return val_; } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::Unknown; + } + + private: + Value* val_; +}; + +class SCEVConstant : public SCEV { + public: + explicit SCEVConstant(int64_t val) : SCEV(SCEVType::Constant), val_(val) {} + int64_t GetValue() const { return val_; } + bool IsZero() const { return val_ == 0; } + bool IsOne() const { return val_ == 1; } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::Constant; + } + + private: + int64_t val_; +}; + +/// 加法递推表达式 {base, +, step} +class SCEVAddRecExpr : public SCEV { + public: + SCEVAddRecExpr(SCEVHandle base, SCEVHandle step, BasicBlock* loop_header) + : SCEV(SCEVType::AddRec), + base_(base), + step_(step), + loop_header_(loop_header) {} + + SCEVHandle GetStart() const { return base_; } + SCEVHandle GetStepRecurrence() const { return step_; } + BasicBlock* GetLoop() const { return loop_header_; } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::AddRec; + } + + private: + SCEVHandle base_; + SCEVHandle step_; + BasicBlock* loop_header_; +}; + +/// 加法表达式（操作数列表） +class SCEVAddExpr : public SCEV { + public: + explicit SCEVAddExpr(std::vector ops) + : SCEV(SCEVType::Add), operands_(std::move(ops)) {} + const std::vector& GetOperands() const { return operands_; } + size_t GetNumOperands() const { return operands_.size(); } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::Add; + } + + private: + std::vector operands_; +}; + +/// 乘法表达式 +class SCEVMulExpr : public SCEV { + public: + explicit SCEVMulExpr(std::vector ops) + : SCEV(SCEVType::Mul), operands_(std::move(ops)) {} + const std::vector& GetOperands() const { return operands_; } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::Mul; + } + + private: + std::vector operands_; +}; + +class SCEVSMaxExpr : public SCEV { + public: + explicit SCEVSMaxExpr(std::vector ops) + : SCEV(SCEVType::SMax), operands_(std::move(ops)) {} + const std::vector& GetOperands() const { return operands_; } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::SMax; + } + + private: + std::vector operands_; +}; + +class SCEVUMaxExpr : public SCEV { + public: + explicit SCEVUMaxExpr(std::vector ops) + : SCEV(SCEVType::UMax), operands_(std::move(ops)) {} + const std::vector& GetOperands() const { return operands_; } + + static bool classof(const SCEV* s) { + return s->GetSCEVType() == SCEVType::UMax; + } + + private: + std::vector operands_; +}; + +// ---- 循环信息（SCEV 专用轻量表示） ---- + +struct SCEVLoopInfo { + BasicBlock* header = nullptr; + BasicBlock* latch = nullptr; // 唯一回边块 + BasicBlock* preheader = nullptr; + std::vector blocks; + std::vector exiting_blocks; + + bool Valid() const { return header && latch && preheader; } +}; + +// ---- ScalarEvolution 主类 ---- + +class ScalarEvolution { + public: + ScalarEvolution() = default; + + /// 为函数计算所有值的 SCEV 表达式 + void Compute(Function* func); + + /// 获取值的 SCEV 表达式 + SCEVHandle GetSCEV(Value* val) const; + + /// 创建 SCEV 表达式（自动去重） + SCEVHandle CreateConstant(int64_t c); + SCEVHandle CreateUnknown(Value* val); + SCEVHandle CreateAddExpr(std::vector ops); + SCEVHandle CreateMulExpr(std::vector ops); + SCEVHandle CreateAddRecExpr(SCEVHandle base, SCEVHandle step, + BasicBlock* loop_header); + + /// 是否为循环不变量 + bool IsLoopInvariant(SCEVHandle s, BasicBlock* loop_header) const; + + /// 计算循环迭代次数（基于 SCEV）。成功返回 true。 + bool GetLoopTripCount(BasicBlock* loop_header, int64_t* result) const; + + /// 是否为已知常量 + static bool IsConstant(SCEVHandle s) { + return dynamic_cast(s) != nullptr; + } + static int64_t GetConstantValue(SCEVHandle s); + + /// 检测到的循环列表（用于后续 pass 消费） + const std::vector& GetDetectedLoops() const { + return detected_loops_; + } + + private: + // 循环检测（基于回边） + void DetectLoops(Function* func); + + // 为所有值计算 SCEV + void ComputeSCEVs(Function* func); + + // 为单个指令计算 SCEV + SCEVHandle ComputeSCEVForInst(Instruction* inst); + + // 简化 SCEV 表达式 + SCEVHandle SimplifyAddExpr(std::vector ops); + SCEVHandle SimplifyMulExpr(std::vector ops); + + // SCEV 去重池 + std::unordered_map> unknowns_; + std::unordered_map> constants_; + + struct AddExprKey { + std::vector ops; + bool operator==(const AddExprKey& o) const { return ops == o.ops; } + }; + struct AddExprKeyHash { + size_t operator()(const AddExprKey& k) const { + size_t h = 0; + for (auto* op : k.ops) h ^= (size_t)op; + return h; + } + }; + std::unordered_map, AddExprKeyHash> + add_exprs_; + + // SCEV 值映射 + std::unordered_map scev_map_; + + // 循环检测结果 + std::vector detected_loops_; + + // 回边 → 循环头映射 + std::unordered_map latch_to_header_; + std::unordered_map header_to_latch_; + std::unordered_map> block_to_loop_headers_; +}; + +} // namespace ir + +#endif // IR_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H_ diff --git a/src/include/ir/passes/PassManager.h b/src/include/ir/passes/PassManager.h index 4ec81daf..03c218c8 100644 --- a/src/include/ir/passes/PassManager.h +++ b/src/include/ir/passes/PassManager.h @@ -17,6 +17,8 @@ void RunDCE(Module& module); void RunCFGSimplify(Module& module); void RunCSE(Module& module); void RunTailCallOpt(Module& module); +void RunLoopInterchange(Module& module); +void RunLoopVectorize(Module& module); class PassManagerModule { public: @@ -92,6 +94,8 @@ class PassManager { RunTailCallOpt(*module); RunLICM(module); + RunLoopInterchange(*module); + // TODO: RunLoopVectorize(*module); // 等 LoopVectorize 完善后再接入 for (int i = 0; i < 10; ++i) { RunConstFold(*module); diff --git a/src/include/mir/GreedyAlloc.h b/src/include/mir/GreedyAlloc.h new file mode 100644 index 00000000..3669dc73 --- /dev/null +++ b/src/include/mir/GreedyAlloc.h @@ -0,0 +1,12 @@ +#pragma once + +namespace mir +{ + +class MachineFunction; +class MachineModule; + +void RunGreedyRegAlloc(MachineFunction &function); +void RunGreedyRegAlloc(MachineModule &module); + +} // namespace mir diff --git a/src/include/mir/LiveIntervals.h b/src/include/mir/LiveIntervals.h new file mode 100644 index 00000000..478db813 --- /dev/null +++ b/src/include/mir/LiveIntervals.h @@ -0,0 +1,177 @@ +#pragma once + +#include "mir/MIR.h" + +#include +#include +#include + +namespace mir { + +// 全局指令编号 —— 类似 LLVM SlotIndex（简化版） +// 每条指令在函数内有一个唯一的全局索引 +struct SlotIndex { + int index = -1; // 全局指令索引，-1 表示无效 + + bool IsValid() const { return index >= 0; } + bool operator<(SlotIndex other) const { return index < other.index; } + bool operator<=(SlotIndex other) const { return index <= other.index; } + bool operator==(SlotIndex other) const { return index == other.index; } +}; + +// 活跃段：[start, end) 在全局索引空间中 +struct LiveSegment { + int start; // inclusive, 全局 slot index + int end; // exclusive, 全局 slot index + + bool Overlaps(int s, int e) const { return start < e && s < end; } + bool Overlaps(const LiveSegment &other) const { + return start < other.end && other.start < end; + } +}; + +// 指令级精度的活跃区间分析 +// 为每个 vreg 计算两种表示： +// 1. 块级：per-block [first_def, last_use]（兼容现有代码） +// 2. 全局段：per-vreg 的全局 LiveSegment 列表（精确干涉） +class LiveIntervals { +public: + void Compute(MachineFunction &mf); + + // ---- 增量更新（LiveRangeEdit 使用）---- + // 重算单个 vreg 的所有段和块级信息（不重建全局 slot） + void RecomputeVReg(int vreg, MachineFunction &mf); + // 从所有数据结构中删除 vreg + void RemoveVReg(int vreg); + + // ---- 查询接口 ---- + bool IsLiveAfter(int vreg, MachineBasicBlock *block, int inst_idx) const; + + // ---- 干涉检测（块级，向后兼容）---- + bool Interfere(int a, int b) const; + bool InterfereExcept(int a, int b, const MachineInstr *exclude) const; + bool InterfereExcept(int a, int b, + const std::unordered_set &exclude) const; + + // ---- 指令级干涉检测 ---- + bool InterferePrecise(int a, int b) const; + bool InterferePreciseExcept(int a, int b, const MachineInstr *exclude) const; + bool InterfereExceptBlock(int a, int b, MachineBasicBlock *exclude_block) const; + + // ---- 全局段式干涉检测（最精确）---- + // 基于全局指令编号的段列表，O(N_segments) 重叠检测 + bool InterfereSegments(int a, int b) const; + // 排除特定指令（用全局 slot index） + bool InterfereSegmentsExcept(int a, int b, SlotIndex exclude_slot) const; + // 排除特定块的全局 slot 范围（用于 phi 源 vreg 干涉检查） + bool InterfereSegmentsExceptBlock(int a, int b, MachineBasicBlock *exclude_block) const; + + // ---- 获取全局 SlotIndex ---- + SlotIndex GetInstSlot(const MachineInstr *inst) const; + // 获取块内某指令的全局 slot + SlotIndex GetSlot(MachineBasicBlock *block, int inst_idx) const; + + // ---- 获取活跃信息 ---- + const std::unordered_set &GetLiveBlocks(int vreg) const { + static const std::unordered_set empty; + auto it = live_blocks_.find(vreg); + if (it != live_blocks_.end()) return it->second; + return empty; + } + + const std::unordered_set &GetLiveOut(MachineBasicBlock *block) const { + static const std::unordered_set empty; + auto it = block_to_idx_.find(block); + if (it == block_to_idx_.end()) return empty; + return block_live_[it->second].live_out; + } + + int GetNumVRegs() const { return num_vregs_; } + + struct Seg { + int start; // inclusive + int end; // exclusive + }; + + const std::unordered_map * + GetIntervals(int vreg) const { + auto it = intervals_.find(vreg); + return (it != intervals_.end()) ? &it->second : nullptr; + } + + const auto &GetAllIntervals() const { return intervals_; } + const auto &GetBlockToIdx() const { return block_to_idx_; } + + // 全局段数据 + const std::vector &GetSegments(int vreg) const { + static const std::vector empty; + auto it = segments_.find(vreg); + return (it != segments_.end()) ? it->second : empty; + } + + // 每个块内的全局 slot 范围 + int GetBlockStartSlot(int block_idx) const { return block_start_slots_[block_idx]; } + int GetBlockEndSlot(int block_idx) const { return block_end_slots_[block_idx]; } + int GetTotalSlots() const { return total_slots_; } + + struct BlockDefUse { + int first_def = -1; + int last_use = -1; + bool has_ref = false; + }; + + const std::unordered_map * + GetBlockDefUse(int vreg) const { + auto it = block_def_use_.find(vreg); + return (it != block_def_use_.end()) ? &it->second : nullptr; + } + + int GetLastUseInBlock(int vreg, int block_idx) const; + int GetFirstDefInBlock(int vreg, int block_idx) const; + + // ---- 全局 slot ↔ 指令 映射 ---- + const MachineInstr *GetInstAtSlot(SlotIndex slot) const; + +private: + int num_vregs_ = 0; + int total_slots_ = 0; // 总指令数（全局） + + // 每个块的全局起始/结束 slot + std::vector block_start_slots_; + std::vector block_end_slots_; + + // 指令 → 全局 slot + std::unordered_map inst_to_slot_; + + // slot → 指令（用于调试） + std::vector slot_to_inst_; + + // vreg → 全局段列表（已排序，不重叠） + std::unordered_map> segments_; + + // 每个块的 live_in / live_out（块级数据流分析） + struct BlockLiveness { + std::unordered_set live_in; + std::unordered_set live_out; + std::unordered_set def; + std::unordered_set use; + }; + std::vector block_live_; + + // vreg → block → segment（块级，向后兼容） + std::unordered_map> intervals_; + + // vreg → 活跃的块集合 + std::unordered_map> live_blocks_; + + // 块→索引映射 + std::unordered_map block_to_idx_; + + // vreg → block → 精确 def/use 位置 + std::unordered_map> block_def_use_; + + // 内部：构建全局段 + void BuildGlobalSegments(MachineFunction &mf); +}; + +} // namespace mir diff --git a/src/include/mir/LiveRangeEdit.h b/src/include/mir/LiveRangeEdit.h new file mode 100644 index 00000000..32ee0f30 --- /dev/null +++ b/src/include/mir/LiveRangeEdit.h @@ -0,0 +1,101 @@ +// LiveRangeEdit —— 活范围增量编辑器 +// +// 参照 LLVM LiveRangeEdit，提供在寄存器分配过程中安全修改活范围的能力。 +// 核心功能： +// 1. 创建新 vreg（与源 vreg 同类型） +// 2. 分块替换：将源 vreg 在指定块中的使用替换为新 vreg +// 3. 边界 COPY：在冷/热块边界自动插入 MovReg +// 4. 干涉验证：替换后检查新 vreg 是否与现有分配冲突 +// +// 使用场景： +// - 活范围分裂：分配失败时将 vreg 在循环边界处分为冷/热两部分 +// - Spill 优化：将冷块中的使用替换为独立 spilled vreg +// +// 约束： +// - 修改 IR 后必须调用 Commit() 重建 LiveIntervals +// - 当前 Commit() 是全量重算，后续可升级为增量更新 + +#pragma once + +#include "mir/LiveIntervals.h" +#include "mir/MIR.h" + +#include +#include +#include + +namespace mir { + +class LiveRangeEdit { +public: + LiveRangeEdit(MachineFunction &mf, LiveIntervals &li) + : mf_(mf), li_(li) {} + + // 创建与 vreg 同类型的新 vreg + int CreateVReg(int src_vreg) { + int new_v = mf_.CreateVReg(mf_.GetVRegClass(src_vreg)); + created_.push_back(new_v); + return new_v; + } + + // 将 src 在 blocks 中的使用替换为 dst + void ReplaceUsesInBlocks(int src, int dst, + const std::unordered_set &blocks) { + auto vc = mf_.GetVRegClass(src); + for (auto *bb : blocks) + for (auto &mi : bb->GetInstructions()) + for (auto &op : mi.GetOperands()) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg && op.GetVRegId() == src) + const_cast(op) = Operand::VReg(dst, vc); + replacements_.push_back({src, dst, blocks}); + } + + // 在块入口插入 COPY（用于边界连接） + void InsertCopyAtEntry(MachineBasicBlock *bb, int dst, int src) { + auto &insts = const_cast&>(bb->GetInstructions()); + insts.insert(insts.begin(), + MachineInstr(Opcode::MovReg, + {Operand::VReg(dst, mf_.GetVRegClass(dst)), + Operand::VReg(src, mf_.GetVRegClass(src))})); + } + + // 提交所有修改：增量更新 LiveIntervals（仅重算受影响 vreg） + void Commit() { + // 收集所有受影响的 vreg（src 被减少，dst 被增加） + std::unordered_set affected; + for (auto &r : replacements_) { + affected.insert(r.src); + affected.insert(r.dst); + } + for (int v : created_) + affected.insert(v); + + // 对每个受影响的 vreg 增量重算 + for (int v : affected) + li_.RecomputeVReg(v, mf_); + } + + // 回退最近一次替换（从 blocks 中恢复 src 的原始使用） + void UndoLastReplace() { + if (replacements_.empty()) return; + auto &[src, dst, blocks] = replacements_.back(); + auto vc = mf_.GetVRegClass(dst); + for (auto *bb : blocks) + for (auto &mi : bb->GetInstructions()) + for (auto &op : mi.GetOperands()) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg && op.GetVRegId() == dst) + const_cast(op) = Operand::VReg(src, vc); + replacements_.pop_back(); + } + + const std::vector &GetCreatedVRegs() const { return created_; } + +private: + MachineFunction &mf_; + LiveIntervals &li_; + std::vector created_; + struct Replacement { int src; int dst; std::unordered_set blocks; }; + std::vector replacements_; +}; + +} // namespace mir diff --git a/src/include/mir/MachineRegisterInfo.h b/src/include/mir/MachineRegisterInfo.h new file mode 100644 index 00000000..fda883ef --- /dev/null +++ b/src/include/mir/MachineRegisterInfo.h @@ -0,0 +1,66 @@ +#pragma once + +#include "mir/MIR.h" + +#include +#include + +namespace mir { + +// def/use 信息，按 vreg 组织。廉价构造，每次修改后需重新计算。 +class MachineRegisterInfo { +public: + void Compute(MachineFunction &mf); + + // ---- vreg 查询 ---- + + // 获取唯一定义指令（SSA: 每个 vreg 最多一个定义），无定义返回 nullptr + MachineInstr *GetDef(int vreg) const { + if (vreg < 0 || vreg >= static_cast(defs_.size())) return nullptr; + return defs_[vreg]; + } + + // 获取所有使用该 vreg 的指令 + const std::vector &GetUses(int vreg) const { + static const std::vector empty; + if (vreg < 0 || vreg >= static_cast(uses_.size())) return empty; + return uses_[vreg]; + } + + int GetUseCount(int vreg) const { + if (vreg < 0 || vreg >= static_cast(uses_.size())) return 0; + return static_cast(uses_[vreg].size()); + } + int GetNumVRegs() const { return static_cast(defs_.size()); } + + bool HasOneDef(int vreg) const { return GetDef(vreg) != nullptr; } + bool HasOneUse(int vreg) const { return GetUseCount(vreg) == 1; } + + // ---- 遍历 ---- + + const std::vector &GetAllDefs() const { return defs_; } + const std::vector> &GetAllUses() const { return uses_; } + + // ---- 修改（在寄存器合并时使用）---- + + // 将函数内所有对 old_vreg 的 VReg 引用替换为 new_vreg + static void ReplaceAllVRegRefs(MachineFunction &mf, int old_vreg, int new_vreg); + + // ---- 指令级查询（跨所有函数）---- + + struct InstDefUse { + std::vector defs; // vreg ids + std::vector uses; // vreg ids + bool is_call = false; + }; + + static InstDefUse GetInstDefUse(const MachineInstr &inst); + +private: + // 每个 vreg 的定义指令（SSA: 最多一个） + std::vector defs_; + // 每个 vreg 的使用指令列表 + std::vector> uses_; +}; + +} // namespace mir diff --git a/src/ir/Type.cpp b/src/ir/Type.cpp index ea64020d..54c6aa8a 100644 --- a/src/ir/Type.cpp +++ b/src/ir/Type.cpp @@ -1,9 +1,18 @@ -// 当前支持 void、i32、float 及其指针类型。 +// 当前支持 void、i32、float 及其指针类型，以及向量类型。 #include "ir/IR.h" +#include +#include + namespace ir { -Type::Type(Kind k) : kind_(k) {} +Type::Type(Kind k, std::shared_ptr elem, int elems) + : kind_(k), vector_element_(std::move(elem)), vector_size_(elems) {} + +std::shared_ptr Type::GetVector(std::shared_ptr elem, int elems) { + // 简单实现：每次创建新的（向量类型数量少，缓存收益不大） + return std::make_shared(Kind::Vector, std::move(elem), elems); +} const std::shared_ptr& Type::GetVoidType() { static const std::shared_ptr type = std::make_shared(Kind::Void); @@ -51,4 +60,10 @@ bool Type::IsPtrInt32() const { return kind_ == Kind::PtrInt32; } bool Type::IsPtrFloat32() const { return kind_ == Kind::PtrFloat32; } +bool Type::IsVector() const { return kind_ == Kind::Vector; } + +std::shared_ptr Type::GetVectorElement() const { return vector_element_; } + +int Type::GetVectorSize() const { return vector_size_; } + } // namespace ir diff --git a/src/ir/analysis/AliasAnalysis.cpp b/src/ir/analysis/AliasAnalysis.cpp new file mode 100644 index 00000000..0580c8ab --- /dev/null +++ b/src/ir/analysis/AliasAnalysis.cpp @@ -0,0 +1,89 @@ +#include "ir/analysis/AliasAnalysis.h" +#include + +namespace ir { + +void AliasAnalysis::Compute(Function* func) { + non_escaping_allocas_.clear(); func_params_.clear(); + if (!func) return; + for (auto& param : func->GetParams()) func_params_.insert(param.get()); + AnalyzeEscape(func); +} + +void AliasAnalysis::AnalyzeEscape(Function* func) { + std::unordered_set all_allocas; + for (auto& bb : func->GetBlocks()) + for (auto& inst : bb->GetInstructions()) + if (auto* a = dynamic_cast(inst.get())) all_allocas.insert(a); + + for (auto* alloca : all_allocas) { + std::unordered_set visited; + std::queue worklist; + worklist.push(alloca); + bool escapes = false; + + while (!worklist.empty()) { + Value* cur = worklist.front(); worklist.pop(); + if (!visited.insert(cur).second) continue; + + for (auto& use : cur->GetUses()) { + auto* user = use.GetUser(); + if (!user) continue; + + // 直接逃逸路径：传给 Call、返回、被 store 到其他指针 + if (dynamic_cast(user) || dynamic_cast(user)) + { escapes = true; break; } + if (auto* s = dynamic_cast(user)) { + if (s->GetNumOperands() >= 2 && s->GetOperand(1) != cur) + { escapes = true; break; } + continue; // store ..., cur → 正常的局部写入 + } + + // PHI 和 GEP：继续追踪其使用者（不直接逃逸） + if (dynamic_cast(user) || dynamic_cast(user)) + { worklist.push(user); continue; } + + // 指针被用于算术 → 逃逸 + if (dynamic_cast(user) && cur->GetType() && + (cur->GetType()->IsPtrInt32() || cur->GetType()->IsPtrFloat32())) + { escapes = true; break; } + } + if (escapes) break; + } + + if (!escapes) non_escaping_allocas_.insert(alloca); + } +} + +AliasResult AliasAnalysis::Alias(Value* a, Value* b) const { + if (!a || !b) return AliasResult::MayAlias; + if (a == b) return AliasResult::MustAlias; + + // 去除 GEP 包装找到根 + auto get_root = [](Value* p) { + while (auto* g = dynamic_cast(p)) p = g->GetOperand(0); + return p; + }; + Value *ra = get_root(a), *rb = get_root(b); + if (ra == rb) return AliasResult::MustAlias; + + // 类型隔离 + if (a->GetType() && b->GetType()) { + bool ai=a->GetType()->IsPtrInt32(), af=a->GetType()->IsPtrFloat32(); + bool bi=b->GetType()->IsPtrInt32(), bf=b->GetType()->IsPtrFloat32(); + if ((ai&&bf)||(af&&bi)) return AliasResult::NoAlias; + } + + // 不同全局 + if (dynamic_cast(ra) && dynamic_cast(rb) && ra != rb) + return AliasResult::NoAlias; + + // 不同未逃逸 alloca + auto *aa = dynamic_cast(ra), *ab = dynamic_cast(rb); + if (aa && ab && non_escaping_allocas_.count(aa) && non_escaping_allocas_.count(ab)) + return AliasResult::NoAlias; + + return AliasResult::MayAlias; +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/analysis/MemorySSA.cpp b/src/ir/analysis/MemorySSA.cpp new file mode 100644 index 00000000..ba625b6a --- /dev/null +++ b/src/ir/analysis/MemorySSA.cpp @@ -0,0 +1,541 @@ +#include "ir/analysis/MemorySSA.h" + +#include +#include +#include +#include + +namespace ir { + +// ============================================================================ +// 支配树计算（用于 rename pass 和支配查询） +// ============================================================================ +void MemorySSA::ComputeDomTree(Function& func) { + auto& blocks = func.GetBlocks(); + size_t n = blocks.size(); + if (n == 0) return; + + // 建立 block→index 映射 + std::unordered_map block_to_idx; + for (size_t i = 0; i < n; ++i) + block_to_idx[blocks[i].get()] = i; + + // 构建前驱列表 + std::vector> preds(n); + for (size_t i = 0; i < n; ++i) { + auto& insts = blocks[i]->GetInstructions(); + if (insts.empty()) continue; + auto* term = insts.back().get(); + auto add_pred = [&](BasicBlock* target) { + auto it = block_to_idx.find(target); + if (it != block_to_idx.end()) preds[it->second].push_back(i); + }; + if (auto* br = dynamic_cast(term)) + add_pred(br->GetTarget()); + else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + add_pred(cbr->GetTrueTarget()); + add_pred(cbr->GetFalseTarget()); + } else if (!dynamic_cast(term) && i + 1 < n) + preds[i + 1].push_back(i); + } + + // 初始化 dom 集合 + std::vector> dom(n); + std::unordered_set all; + for (size_t i = 0; i < n; ++i) all.insert(static_cast(i)); + dom[0] = {0}; + for (size_t i = 1; i < n; ++i) dom[i] = all; + + // 迭代 + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + for (size_t i = 1; i < n; ++i) { + if (preds[i].empty()) continue; + std::unordered_set new_dom = all; + for (int p : preds[i]) { + std::unordered_set intersect; + for (int x : new_dom) + if (dom[p].count(x)) intersect.insert(x); + new_dom = std::move(intersect); + } + new_dom.insert(static_cast(i)); + if (new_dom != dom[i]) { dom[i] = std::move(new_dom); changed = true; } + } + } + + // 计算 idom + idom_.clear(); + BasicBlock* entry = blocks[0].get(); + idom_[entry] = entry; + for (size_t i = 1; i < n; ++i) { + int best = -1; + for (int d : dom[i]) { + if (d == static_cast(i)) continue; + if (best < 0 || dom[d].size() > dom[best].size()) best = d; + } + if (best >= 0) + idom_[blocks[i].get()] = blocks[best].get(); + } + + // 构建支配树子节点列表 + DFS 计算 entry/exit 时间 + std::unordered_map> children; + for (auto& [bb, id] : idom_) + if (bb != id) children[id].push_back(bb); + + dom_dfn_in_.clear(); dom_dfn_out_.clear(); + int timer = 0; + std::function dom_dfs = [&](BasicBlock* bb) { + dom_dfn_in_[bb] = timer++; + for (auto* ch : children[bb]) dom_dfs(ch); + dom_dfn_out_[bb] = timer++; + }; + dom_dfs(entry); +} + +// ============================================================================ +// BuildAliasClasses —— 构建别名邻接表 + 别名类映射 +// +// 两种输出： +// 1. alias_adjacency_: Value* → 与它 MayAlias 的 Value* 集合 +// 用于 Store 时级联更新所有别名指针 +// 2. ptr_to_class_: Value* → 类 ID（Union-Find 等价类） +// 用于跨块 CSE 时按类查找 +// ============================================================================ +void MemorySSA::BuildAliasClasses(Function& func, AliasAnalysis* aa) { + ptr_to_class_.clear(); + class_to_ptrs_.clear(); + alias_adjacency_.clear(); + + // 第一步：收集所有指针 operand + std::vector all_ptrs; + for (auto& bb : func.GetBlocks()) { + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + auto* inst = inst_ptr.get(); + if (auto* load = dynamic_cast(inst)) { + if (load->GetNumOperands() >= 1) all_ptrs.push_back(load->GetOperand(0)); + } else if (auto* store = dynamic_cast(inst)) { + if (store->GetNumOperands() >= 2) all_ptrs.push_back(store->GetOperand(1)); + } + } + } + + if (all_ptrs.empty() || !aa) return; + + // 去重 + std::sort(all_ptrs.begin(), all_ptrs.end()); + all_ptrs.erase(std::unique(all_ptrs.begin(), all_ptrs.end()), all_ptrs.end()); + + int n = static_cast(all_ptrs.size()); + + // 为每个指针建立别名邻接集合 + for (int i = 0; i < n; ++i) { + for (int j = i + 1; j < n; ++j) { + if (aa->Alias(all_ptrs[i], all_ptrs[j]) != AliasResult::NoAlias) { + alias_adjacency_[all_ptrs[i]].push_back(all_ptrs[j]); + alias_adjacency_[all_ptrs[j]].push_back(all_ptrs[i]); + } + } + } + + // Union-Find 等价类（给 CSE 用） + std::vector parent(n); + for (int i = 0; i < n; ++i) parent[i] = i; + + std::function find = [&](int x) -> int { + if (parent[x] != x) parent[x] = find(parent[x]); + return parent[x]; + }; + auto unite = [&](int a, int b) { + int ra = find(a), rb = find(b); + if (ra != rb) parent[ra] = rb; + }; + + for (int i = 0; i < n; ++i) + for (int j = i + 1; j < n; ++j) + if (find(i) != find(j) && aa->Alias(all_ptrs[i], all_ptrs[j]) != AliasResult::NoAlias) + unite(i, j); + + std::unordered_map root_to_class; + int next_class = 0; + for (int i = 0; i < n; ++i) { + int root = find(i); + if (!root_to_class.count(root)) + root_to_class[root] = next_class++; + int cid = root_to_class[root]; + ptr_to_class_[all_ptrs[i]] = cid; + class_to_ptrs_[cid].push_back(all_ptrs[i]); + } +} + +// ============================================================================ +// BuildMemorySSA —— per-pointer 状态传播 + 别名感知 Store 级联 +// +// 核心：保持 per-pointer 状态追踪，但在 Store 时级联更新所有 MayAlias +// 指针的状态（通过 alias_adjacency_ 查找）。 +// +// 无 AA 时退化为标准 per-pointer 行为。 +// ============================================================================ +void MemorySSA::BuildMemorySSA(Function& func) { + auto& blocks = func.GetBlocks(); + size_t n = blocks.size(); + if (n == 0) return; + + // LiveOnEntry + live_on_entry_ = std::make_unique(MemoryAccess::LiveOnEntry, blocks[0].get()); + + // 检查是否有别名信息 + bool has_alias_info = !alias_adjacency_.empty(); + + // Per-block: per-pointer 内存状态（用于 live-on-exit） + // key: 指针 Value*, value: 该指针当前的 MemoryAccess + using PtrState = std::unordered_map; + std::unordered_map block_live_on_entry_state; + std::unordered_map block_live_on_exit_state; + + // 建立 RPO + std::vector rpo; + { + std::unordered_set visited; + std::function dfs_rpo = [&](BasicBlock* bb) { + visited.insert(bb); + auto& insts = bb->GetInstructions(); + if (!insts.empty()) { + auto* term = insts.back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) + { if (!visited.count(br->GetTarget())) dfs_rpo(br->GetTarget()); } + else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + if (!visited.count(cbr->GetTrueTarget())) dfs_rpo(cbr->GetTrueTarget()); + if (!visited.count(cbr->GetFalseTarget())) dfs_rpo(cbr->GetFalseTarget()); + } + } + rpo.push_back(bb); + }; + dfs_rpo(blocks[0].get()); + std::reverse(rpo.begin(), rpo.end()); + } + + // 建立 CFG 前驱 + std::unordered_map> cfg_preds; + for (auto& bb : blocks) { + auto& insts = bb->GetInstructions(); + if (insts.empty()) continue; + auto* term = insts.back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) + cfg_preds[br->GetTarget()].push_back(bb.get()); + else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + cfg_preds[cbr->GetTrueTarget()].push_back(bb.get()); + cfg_preds[cbr->GetFalseTarget()].push_back(bb.get()); + } + } + + // 辅助：Store 时级联更新所有别名指针 + // 返回创建的 MemoryDef（如果有的话） + auto propagate_store_state = [&](PtrState& current_state, Value* ptr, MemoryDef* md) { + // 更新精确指针 + current_state[ptr] = md; + // 级联更新所有 MayAlias 指针 + if (has_alias_info) { + auto it = alias_adjacency_.find(ptr); + if (it != alias_adjacency_.end()) { + for (auto* alias_ptr : it->second) + current_state[alias_ptr] = md; + } + } + }; + + // ========================================================================== + // 第一遍 RPO + // ========================================================================== + for (auto* bb : rpo) { + auto& preds = cfg_preds[bb]; + PtrState live_in; + + if (&preds == &cfg_preds[blocks[0].get()] || preds.empty()) { + // Entry block：空状态 + } else if (preds.size() == 1) { + // 单前驱：继承其状态 + live_in = block_live_on_exit_state[preds[0]]; + } else { + // 多前驱：为每个在前驱中出现过的指针创建 MemoryPhi + std::unordered_set all_ptrs; + for (auto* pred : preds) { + for (auto& [ptr, acc] : block_live_on_exit_state[pred]) + all_ptrs.insert(ptr); + } + for (auto* ptr : all_ptrs) { + auto phi = std::make_unique(bb); + for (auto* pred : preds) { + auto& pred_state = block_live_on_exit_state[pred]; + auto it = pred_state.find(ptr); + MemoryAccess* incoming = (it != pred_state.end()) ? it->second : live_on_entry_.get(); + phi->addIncoming(incoming, pred); + } + live_in[ptr] = phi.get(); + accesses_.push_back(std::move(phi)); + } + } + block_live_on_entry_state[bb] = live_in; + PtrState current_state = live_in; + + // 遍历指令 + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + auto* inst = inst_ptr.get(); + + if (auto* load = dynamic_cast(inst)) { + Value* ptr = load->GetOperand(0); + MemoryAccess* def_acc = current_state.count(ptr) ? current_state[ptr] : live_on_entry_.get(); + auto mu = std::make_unique(load, bb); + mu->setDefiningAccess(def_acc); + load_to_use_[load] = mu.get(); + accesses_.push_back(std::move(mu)); + } else if (auto* store = dynamic_cast(inst)) { + Value* ptr = store->GetOperand(1); + MemoryAccess* def_acc = current_state.count(ptr) ? current_state[ptr] : live_on_entry_.get(); + auto md = std::make_unique(store, bb); + md->setDefiningAccess(def_acc); + // Store：级联更新精确指针 + 所有 MayAlias 指针 + propagate_store_state(current_state, ptr, md.get()); + store_to_def_[store] = md.get(); + accesses_.push_back(std::move(md)); + } else if (dynamic_cast(inst)) { + // Call 可能修改任意内存 → 为所有已知指针更新状态 + auto md = std::make_unique(nullptr, bb); + for (auto& [ptr, acc] : current_state) + md->setDefiningAccess(acc); + accesses_.push_back(std::move(md)); + // Call 后所有指针状态重置为此 Call MemoryDef + auto* call_md = static_cast(accesses_.back().get()); + for (auto& [ptr, _] : current_state) + current_state[ptr] = call_md; + } + } + + block_live_on_exit_state[bb] = std::move(current_state); + } + + // ========================================================================== + // 第二遍 RPO：2 轮迭代更新 definingAccess（稳定回边） + // ========================================================================== + for (int iter = 0; iter < 2; ++iter) { + for (auto* bb : rpo) { + auto& preds = cfg_preds[bb]; + PtrState live_in; + + if (&preds == &cfg_preds[blocks[0].get()] || preds.empty()) { + // entry: 空状态 + } else if (preds.size() == 1) { + live_in = block_live_on_exit_state[preds[0]]; + } else { + // 多前驱：从所有前驱的 exit state 构建 merge + for (auto* pred : preds) { + for (auto& [ptr, acc] : block_live_on_exit_state[pred]) { + if (!live_in.count(ptr)) { + auto phi = std::make_unique(bb); + for (auto* p2 : preds) { + auto& ps = block_live_on_exit_state[p2]; + auto it = ps.find(ptr); + phi->addIncoming(it != ps.end() ? it->second : live_on_entry_.get(), p2); + } + live_in[ptr] = phi.get(); + accesses_.push_back(std::move(phi)); + } + } + } + } + + // 更新 block_live_on_entry_state + block_live_on_entry_state[bb] = live_in; + + // 更新此块中所有 MemoryUse 的 definingAccess + PtrState current_state = live_in; + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + auto* inst = inst_ptr.get(); + + if (auto* load = dynamic_cast(inst)) { + Value* ptr = load->GetOperand(0); + MemoryAccess* def_acc = current_state.count(ptr) ? current_state[ptr] : live_on_entry_.get(); + auto* mu = getMemoryUse(load); + if (mu) mu->setDefiningAccess(def_acc); + } else if (auto* store = dynamic_cast(inst)) { + Value* ptr = store->GetOperand(1); + MemoryAccess* def_acc = current_state.count(ptr) ? current_state[ptr] : live_on_entry_.get(); + auto* md = getMemoryDef(store); + if (md) { + md->setDefiningAccess(def_acc); + // 级联更新 + propagate_store_state(current_state, ptr, md); + } + } else if (dynamic_cast(inst)) { + // Call: 更新所有已知指针状态 + for (auto& acc : accesses_) { + if (acc->getKind() == MemoryAccess::Def && acc->getBlock() == bb && + !static_cast(acc.get())->getStore()) { + auto* call_md = static_cast(acc.get()); + for (auto& [ptr, _] : current_state) + current_state[ptr] = call_md; + break; + } + } + } + } + block_live_on_exit_state[bb] = std::move(current_state); + } // for each bb in rpo + } // iteration loop +} + +// ============================================================================ +// RenamePass —— 支配树前序遍历 +// （已由 per-pointer 第二遍 RPO 替代） +// ============================================================================ +void MemorySSA::RenamePass(BasicBlock* bb, MemoryAccess* incoming_val) { + auto* phi = getMemoryPhi(bb); + + MemoryAccess* current = phi ? static_cast(phi) : incoming_val; + + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + auto* inst = inst_ptr.get(); + + if (auto* load = dynamic_cast(inst)) { + auto* mu = getMemoryUse(load); + if (mu) mu->setDefiningAccess(current); + } else if (auto* store = dynamic_cast(inst)) { + auto* md = getMemoryDef(store); + if (md) { + md->setDefiningAccess(current); + current = md; + } + } + } + + for (auto& [child, id] : idom_) { + if (id == bb && child != bb) + RenamePass(child, current); + } +} + +// ============================================================================ +// Compute —— 主入口 +// ============================================================================ + +// 不带 AA：纯 per-pointer 模式 +void MemorySSA::Compute(Function& func) { + accesses_.clear(); + load_to_use_.clear(); + store_to_def_.clear(); + block_to_phi_.clear(); + idom_.clear(); + dom_dfn_in_.clear(); + dom_dfn_out_.clear(); + live_on_entry_.reset(); + ptr_to_class_.clear(); + class_to_ptrs_.clear(); + alias_adjacency_.clear(); + + ComputeDomTree(func); + BuildMemorySSA(func); +} + +// 带 AA：per-pointer + 别名感知 Store 级联 +void MemorySSA::Compute(Function& func, AliasAnalysis* aa) { + accesses_.clear(); + load_to_use_.clear(); + store_to_def_.clear(); + block_to_phi_.clear(); + idom_.clear(); + dom_dfn_in_.clear(); + dom_dfn_out_.clear(); + live_on_entry_.reset(); + ptr_to_class_.clear(); + class_to_ptrs_.clear(); + alias_adjacency_.clear(); + + ComputeDomTree(func); + BuildAliasClasses(func, aa); + BuildMemorySSA(func); +} + +// ============================================================================ +// 查询 API +// ============================================================================ +MemoryUse* MemorySSA::getMemoryUse(LoadInst* load) const { + auto it = load_to_use_.find(const_cast(load)); + return it != load_to_use_.end() ? it->second : nullptr; +} + +MemoryDef* MemorySSA::getMemoryDef(StoreInst* store) const { + auto it = store_to_def_.find(const_cast(store)); + return it != store_to_def_.end() ? it->second : nullptr; +} + +MemoryPhi* MemorySSA::getMemoryPhi(BasicBlock* bb) const { + auto it = block_to_phi_.find(const_cast(bb)); + return it != block_to_phi_.end() ? it->second : nullptr; +} + +int MemorySSA::getAliasClass(Value* ptr) const { + auto it = ptr_to_class_.find(ptr); + return it != ptr_to_class_.end() ? it->second : -1; +} + +// 支配关系：def 是否在 CFG 中支配 use +bool MemorySSA::dominates(const MemoryAccess* def, const MemoryAccess* use) const { + if (def == use) return true; + auto* def_bb = def->getBlock(); + auto* use_bb = use->getBlock(); + if (!def_bb || !use_bb) return false; + + // 同块：检查指令顺序 + if (def_bb == use_bb) { + auto& insts = def_bb->GetInstructions(); + bool found_def = false; + for (auto& ip : insts) { + if (ip.get() == def->getMemoryInst()) found_def = true; + if (ip.get() == use->getMemoryInst()) return found_def; + } + return false; + } + + // 跨块：检查 def_bb 是否支配 use_bb + auto dit_in = dom_dfn_in_.find(def_bb); + auto dit_out = dom_dfn_out_.find(def_bb); + auto uit_in = dom_dfn_in_.find(use_bb); + if (dit_in == dom_dfn_in_.end() || uit_in == dom_dfn_in_.end()) return false; + return dit_in->second <= uit_in->second && uit_in->second <= dit_out->second; +} + +// ============================================================================ +// getClobberingMemoryAccess —— 对齐 LLVM MemorySSAWalker +// 沿 definingAccess 链上溯，找到第一个与 ptr 别名的 MemoryDef +// ============================================================================ +MemoryAccess* MemorySSA::getClobberingMemoryAccess(MemoryUse* use, AliasAnalysis* aa) const { + if (!use || !aa) return nullptr; + auto* load = use->getMemoryInst(); + if (!load || load->GetNumOperands() < 1) return nullptr; + Value* ptr = load->GetOperand(0); + + MemoryAccess* current = use->getDefiningAccess(); + for (int steps = 0; steps < 50 && current; ++steps) { + if (current->getKind() == MemoryAccess::LiveOnEntry) + return current; + + if (current->getKind() == MemoryAccess::Def) { + auto* md = static_cast(current); + auto* mem_inst = md->getMemoryInst(); + if (!mem_inst) return current; // Call clobbers everything + if (mem_inst->GetNumOperands() >= 2) { + Value* store_ptr = mem_inst->GetOperand(1); + if (aa->Alias(ptr, store_ptr) != AliasResult::NoAlias) + return current; + } + current = md->getDefiningAccess(); + } else if (current->getKind() == MemoryAccess::Phi) { + return current; // Conservative: MemoryPhi is a clobber + } else { + current = current->getDefiningAccess(); + } + } + return getLiveOnEntry(); +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/analysis/PostDominatorTree.cpp b/src/ir/analysis/PostDominatorTree.cpp new file mode 100644 index 00000000..caa6305c --- /dev/null +++ b/src/ir/analysis/PostDominatorTree.cpp @@ -0,0 +1,120 @@ +// 后支配树实现 +// 通过构建反向 CFG（加虚拟 exit 节点），在反向 CFG 上计算支配树。 +// 反向 CFG 的支配者 == 原始 CFG 的后支配者。 +// +// 参考：LLVM PostDominatorTree.cpp + +#include "ir/analysis/PostDominatorTree.h" + +#include "ir/IR.h" + +#include +#include +#include + +namespace ir { + +void PostDominatorTree::Compute(Function* func) { + virtual_exit_ = nullptr; + virtual_exit_holder_.reset(); + + if (!func || func->GetBlocks().empty()) return; + + // 收集所有块 + std::vector all_blocks; + std::unordered_set block_set; + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + all_blocks.push_back(bb.get()); + block_set.insert(bb.get()); + } + + // 创建虚拟 exit 结点（代表函数出口） + // 注意：实际并不插入到函数中，只是作为反向 CFG 的 entry + virtual_exit_holder_ = std::make_unique("__virtual_exit__"); + virtual_exit_ = virtual_exit_holder_.get(); + all_blocks.push_back(virtual_exit_); + + // 收集真实 exit 块（Ret 终止 + 无后继的块） + std::unordered_set real_exits; + for (auto* bb : all_blocks) { + if (bb == virtual_exit_) continue; + if (!bb->HasTerminator()) { + real_exits.insert(bb); + continue; + } + auto* term = bb->GetInstructions().back().get(); + if (dynamic_cast(term)) { + real_exits.insert(bb); + } + } + + // 预计算原始 CFG 的前驱映射（用于构建反向 CFG） + std::unordered_map> orig_preds; + for (auto* bb : all_blocks) { + if (bb == virtual_exit_) continue; + orig_preds[bb] = {}; // 初始化 + } + for (auto* bb : all_blocks) { + if (bb == virtual_exit_) continue; + if (!bb->HasTerminator()) continue; + + auto* term = bb->GetInstructions().back().get(); + std::vector succs; + if (auto* br = dynamic_cast(term)) { + succs.push_back(br->GetTarget()); + } else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + succs.push_back(cbr->GetTrueTarget()); + succs.push_back(cbr->GetFalseTarget()); + } + + for (auto* s : succs) { + if (block_set.count(s)) { + orig_preds[s].push_back(bb); + } + } + } + + // 反向 CFG 的后继函数 + auto reverse_succ = [&](BasicBlock* bb) -> std::vector { + if (bb == virtual_exit_) { + // 虚拟 exit → 所有真实 exit + return std::vector(real_exits.begin(), real_exits.end()); + } + std::vector result = orig_preds[bb]; // 原前驱→现后继 + if (real_exits.count(bb)) { + result.push_back(virtual_exit_); // 真实 exit → 虚拟 exit + } + return result; + }; + + // 在反向 CFG 上计算支配树（即后支配树） + dom_tree_.Compute(virtual_exit_, all_blocks, reverse_succ); +} + +bool PostDominatorTree::PostDominates(BasicBlock* a, BasicBlock* b) const { + return dom_tree_.Dominates(a, b); +} + +bool PostDominatorTree::ProperlyPostDominates(BasicBlock* a, + BasicBlock* b) const { + return a != b && dom_tree_.Dominates(a, b); +} + +BasicBlock* PostDominatorTree::FindNearestCommonPostDominator( + BasicBlock* a, BasicBlock* b) const { + return dom_tree_.FindNearestCommonDominator(a, b); +} + +BasicBlock* PostDominatorTree::GetIPostDom(BasicBlock* bb) const { + // 跳过虚拟 exit 节点 + auto* idom = dom_tree_.GetIdom(bb); + if (idom == virtual_exit_) return nullptr; + return idom; +} + +const std::unordered_set& +PostDominatorTree::GetPostDominanceFrontier(BasicBlock* bb) const { + return dom_tree_.GetDominanceFrontier(bb); +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/analysis/ScalarEvolution.cpp b/src/ir/analysis/ScalarEvolution.cpp new file mode 100644 index 00000000..1040cca3 --- /dev/null +++ b/src/ir/analysis/ScalarEvolution.cpp @@ -0,0 +1,561 @@ +// 标量演化实现 +// 参考：LLVM ScalarEvolution.cpp + +#include "ir/analysis/ScalarEvolution.h" +#include "ir/analysis/DominatorTree.h" + +#include +#include + +namespace ir { + +// ================================================================ +// 辅助函数 +// ================================================================ + +static std::vector GetSuccessors(BasicBlock* bb) { + std::vector succs; + if (!bb || !bb->HasTerminator()) return succs; + auto* term = bb->GetInstructions().back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) { + succs.push_back(br->GetTarget()); + } else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + succs.push_back(cbr->GetTrueTarget()); + succs.push_back(cbr->GetFalseTarget()); + } + return succs; +} + +// ================================================================ +// SCEV 创建（去重） +// ================================================================ + +SCEVHandle ScalarEvolution::CreateConstant(int64_t c) { + auto it = constants_.find(c); + if (it != constants_.end()) return it->second.get(); + auto ptr = std::make_unique(c); + auto* raw = ptr.get(); + constants_[c] = std::move(ptr); + return raw; +} + +SCEVHandle ScalarEvolution::CreateUnknown(Value* val) { + auto it = unknowns_.find(val); + if (it != unknowns_.end()) return it->second.get(); + auto ptr = std::make_unique(val); + auto* raw = ptr.get(); + unknowns_[val] = std::move(ptr); + return raw; +} + +SCEVHandle ScalarEvolution::CreateAddExpr(std::vector ops) { + auto simplified = SimplifyAddExpr(std::move(ops)); + if (simplified->GetSCEVType() != SCEVType::Add) return simplified; + + auto* add = static_cast(simplified); + const auto& flat_ops = add->GetOperands(); + if (flat_ops.size() == 1) return flat_ops[0]; + + AddExprKey key{std::vector(flat_ops.begin(), flat_ops.end())}; + auto it = add_exprs_.find(key); + if (it != add_exprs_.end()) return it->second.get(); + + auto ptr = std::make_unique(key.ops); + auto* raw = ptr.get(); + add_exprs_[std::move(key)] = std::move(ptr); + return raw; +} + +SCEVHandle ScalarEvolution::CreateMulExpr(std::vector ops) { + auto simplified = SimplifyMulExpr(std::move(ops)); + if (simplified->GetSCEVType() != SCEVType::Mul) return simplified; + // 乘法表达式暂不去重 + return simplified; +} + +SCEVHandle ScalarEvolution::CreateAddRecExpr(SCEVHandle base, SCEVHandle step, + BasicBlock* loop_header) { + // 暂不去重 + return new SCEVAddRecExpr(base, step, loop_header); +} + +int64_t ScalarEvolution::GetConstantValue(SCEVHandle s) { + if (auto* c = dynamic_cast(s)) return c->GetValue(); + return 0; +} + +// ================================================================ +// SCEV 简化 +// ================================================================ + +SCEVHandle ScalarEvolution::SimplifyAddExpr(std::vector ops) { + // 扁平化嵌套的 AddExpr + std::vector flat; + int64_t const_sum = 0; + + auto flatten = [&](auto& self, SCEVHandle s) -> void { + if (!s) return; + if (auto* c = dynamic_cast(s)) { + const_sum += c->GetValue(); + return; + } + if (auto* add = dynamic_cast(s)) { + for (auto* op : add->GetOperands()) self(self, op); + return; + } + flat.push_back(s); + }; + + for (auto* op : ops) flatten(flatten, op); + + if (const_sum != 0) flat.push_back(CreateConstant(const_sum)); + + if (flat.empty()) return CreateConstant(0); + if (flat.size() == 1) return flat[0]; + + // 排序以支持去重（按指针地址排序，保证确定性） + std::sort(flat.begin(), flat.end()); + return new SCEVAddExpr(std::move(flat)); +} + +SCEVHandle ScalarEvolution::SimplifyMulExpr(std::vector ops) { + int64_t const_prod = 1; + std::vector non_const; + + for (auto* op : ops) { + if (auto* c = dynamic_cast(op)) { + const_prod *= c->GetValue(); + if (const_prod == 0) return CreateConstant(0); + } else { + non_const.push_back(op); + } + } + + if (const_prod != 1) non_const.push_back(CreateConstant(const_prod)); + if (non_const.empty()) return CreateConstant(1); + if (non_const.size() == 1) return non_const[0]; + + return new SCEVMulExpr(non_const); +} + +// ================================================================ +// 循环检测 +// ================================================================ + +void ScalarEvolution::DetectLoops(Function* func) { + detected_loops_.clear(); + latch_to_header_.clear(); + header_to_latch_.clear(); + block_to_loop_headers_.clear(); + + DominatorTree dom_tree; + dom_tree.Compute(func); + + // 查找回边：succ 支配 pred 的边 + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + auto succs = GetSuccessors(bb.get()); + for (auto* succ : succs) { + if (dom_tree.Dominates(succ, bb.get())) { + // 找到回边 bb → succ，succ 是循环头，bb 是 latch + latch_to_header_[bb.get()] = succ; + header_to_latch_[succ] = bb.get(); + } + } + } + + // 为每个检测到的循环头构建 SCEVLoopInfo + std::unordered_set processed_headers; + for (auto& [latch, header] : latch_to_header_) { + if (processed_headers.count(header)) continue; + processed_headers.insert(header); + + SCEVLoopInfo loop; + loop.header = header; + loop.latch = header_to_latch_[header]; + + // 收集循环体块（BFS 从 latch 反向，但不穿过 header） + std::unordered_set body; + std::vector worklist = {latch}; + body.insert(header); + body.insert(latch); + + while (!worklist.empty()) { + auto* cur = worklist.back(); + worklist.pop_back(); + + // 查找前驱（扫描所有块） + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + auto succs = GetSuccessors(bb.get()); + for (auto* s : succs) { + if (s == cur && !body.count(bb.get())) { + body.insert(bb.get()); + worklist.push_back(bb.get()); + } + } + } + } + + for (auto* b : body) { + loop.blocks.push_back(b); + block_to_loop_headers_[b].push_back(header); + + // 查找 exiting blocks（有后继在循环外的块） + auto succs = GetSuccessors(b); + for (auto* s : succs) { + if (!body.count(s)) { + loop.exiting_blocks.push_back(b); + break; + } + } + } + + // 确定 preheader（header 的循环外前驱） + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + auto succs = GetSuccessors(bb.get()); + for (auto* s : succs) { + if (s == header && !body.count(bb.get()) && + loop.preheader == nullptr) { + loop.preheader = bb.get(); + } + } + } + + if (loop.Valid()) { + detected_loops_.push_back(std::move(loop)); + } + } +} + +// ================================================================ +// 循环不变量判断 +// ================================================================ + +bool ScalarEvolution::IsLoopInvariant(SCEVHandle s, + BasicBlock* loop_header) const { + if (!s) return true; + if (dynamic_cast(s)) return true; + + if (auto* unknown = dynamic_cast(s)) { + auto* val = unknown->GetValue(); + // 参数是循环不变量 + if (dynamic_cast(val)) return true; + // 全局变量是循环不变量 + if (dynamic_cast(val)) return true; + // 指令：在其所在块不在循环内时是不变量 + if (auto* inst = dynamic_cast(val)) { + auto* parent = inst->GetParent(); + auto it = block_to_loop_headers_.find(parent); + if (it == block_to_loop_headers_.end()) return true; + return std::find(it->second.begin(), it->second.end(), loop_header) == + it->second.end(); + } + return false; + } + + if (auto* add = dynamic_cast(s)) { + for (auto* op : add->GetOperands()) + if (!IsLoopInvariant(op, loop_header)) return false; + return true; + } + + if (auto* mul = dynamic_cast(s)) { + for (auto* op : mul->GetOperands()) + if (!IsLoopInvariant(op, loop_header)) return false; + return true; + } + + // AddRec 本身不是不变量 + if (dynamic_cast(s)) return false; + + return false; +} + +// ================================================================ +// 循环迭代次数计算 +// ================================================================ + +bool ScalarEvolution::GetLoopTripCount(BasicBlock* loop_header, + int64_t* result) const { + // 查找 header 中以 SCEVAddRecExpr 形式的归纳变量 + for (auto& inst : loop_header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) continue; + + auto it = scev_map_.find(phi); + if (it == scev_map_.end()) continue; + + auto* add_rec = dynamic_cast(it->second); + if (!add_rec || add_rec->GetLoop() != loop_header) continue; + + // 查找循环退出条件：header 中的 CondBr，条件是 icmp indvar, bound + if (!loop_header->HasTerminator()) continue; + auto* term = loop_header->GetInstructions().back().get(); + auto* cbr = dynamic_cast(term); + if (!cbr) continue; + + auto* cond = dynamic_cast(cbr->GetCond()); + if (!cond) continue; + + Opcode cmp_op = cond->GetOpcode(); + if (cmp_op != Opcode::Eq && cmp_op != Opcode::Ne && + cmp_op != Opcode::Lt && cmp_op != Opcode::Le && + cmp_op != Opcode::Gt && cmp_op != Opcode::Ge) + continue; + + // 检查是否是 icmp indvar, bound 或 icmp bound, indvar + Value* bound_val = nullptr; + + auto find_scev = [&](Value* v) -> SCEVHandle { + auto it = scev_map_.find(v); + return (it != scev_map_.end()) ? it->second : nullptr; + }; + + if (find_scev(cond->GetOperand(0)) == add_rec) { + bound_val = cond->GetOperand(1); + } else if (find_scev(cond->GetOperand(1)) == add_rec) { + bound_val = cond->GetOperand(0); + } + if (!bound_val) continue; + + // 计算 bound 的 SCEV + auto* bound_scev = find_scev(bound_val); + auto* bound_const = dynamic_cast(bound_scev); + if (!bound_const) continue; + auto* start_const = + dynamic_cast(add_rec->GetStart()); + if (!start_const) continue; + auto* step_const = + dynamic_cast(add_rec->GetStepRecurrence()); + if (!step_const) continue; + + int64_t start = start_const->GetValue(); + int64_t bound = bound_const->GetValue(); + int64_t step = step_const->GetValue(); + + // 计算迭代次数 + if (step == 0) return false; + + // 确定退出方向 + auto* false_target = cbr->GetFalseTarget(); + auto h2l_it = header_to_latch_.find(loop_header); + BasicBlock* latch = (h2l_it != header_to_latch_.end()) ? h2l_it->second + : nullptr; + + // 简化：判断 false_target 是否在循环内来确定退出方向 + bool true_exits = true; + if (latch) { + auto succs = GetSuccessors(latch); + bool latch_to_false = + std::find(succs.begin(), succs.end(), false_target) != succs.end(); + true_exits = !latch_to_false; + } + + // 根据比较方向和 step 符号计算迭代次数 + int64_t diff = bound - start; + int64_t trip_count = 0; + + if (step > 0) { + if (diff <= 0 && !true_exits) { + // indvar < bound (或 indvar <= bound-1) + // trip = ceil((bound - start) / step) + if (cmp_op == Opcode::Lt || cmp_op == Opcode::Ne || + (cmp_op == Opcode::Eq && !true_exits)) { + trip_count = (diff + step - 1) / step; + if (trip_count < 0) trip_count = 0; + } else if (cmp_op == Opcode::Le) { + diff += 1; + trip_count = (diff + step - 1) / step; + if (trip_count < 0) trip_count = 0; + } + } + } else if (step < 0) { + if (diff >= 0) { + if (cmp_op == Opcode::Gt || cmp_op == Opcode::Ne) { + diff = -diff; + step = -step; + trip_count = (diff + step - 1) / step; + if (trip_count < 0) trip_count = 0; + } else if (cmp_op == Opcode::Ge) { + diff = -(diff - 1); + step = -step; + trip_count = (diff + step - 1) / step; + if (trip_count < 0) trip_count = 0; + } + } + } + + if (trip_count > 0) { + *result = trip_count; + return true; + } + } + + return false; +} + +// ================================================================ +// 为指令计算 SCEV +// ================================================================ + +SCEVHandle ScalarEvolution::ComputeSCEVForInst(Instruction* inst) { + if (!inst) return CreateUnknown(inst); + + // 常量 + if (auto* ci = dynamic_cast(inst)) { + return CreateConstant(ci->GetValue()); + } + + Opcode op = inst->GetOpcode(); + + // PHI 节点 → 可能的归纳变量 + if (auto* phi = dynamic_cast(inst)) { + // 检查是否在循环头中 + auto* parent = phi->GetParent(); + auto h2l_it = header_to_latch_.find(parent); + + if (h2l_it != header_to_latch_.end()) { + // 这是循环头的 PHI → 可能是归纳变量 + auto* latch = h2l_it->second; + + // 收集来自 preheader 和 latch 的值 + Value* start_val = nullptr; + Value* step_val = nullptr; + + for (size_t i = 0; i + 1 < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* incoming_bb = + dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)); + if (!incoming_bb) continue; + auto* incoming_val = phi->GetOperand(i); + if (!incoming_val) continue; + + if (incoming_bb == latch) { + step_val = incoming_val; + } else { + // 假设另一个是 preheader（循环外前驱） + auto lp_it = block_to_loop_headers_.find(incoming_bb); + if (lp_it == block_to_loop_headers_.end() || + std::find(lp_it->second.begin(), lp_it->second.end(), + parent) == lp_it->second.end()) { + start_val = incoming_val; + } + } + } + + if (start_val && step_val) { + auto* start_scev = GetSCEV(start_val); + // step_val 应该是 start_val 的某种增量形式 + // 典型模式：step_val = start + stride（BinaryInst Add with constant） + if (auto* step_inst = dynamic_cast(step_val)) { + if (step_inst->GetOpcode() == Opcode::Add) { + auto* lhs = step_inst->GetOperand(0); + auto* rhs = step_inst->GetOperand(1); + + Value* base_val = nullptr; + Value* stride_val = nullptr; + + if (lhs == phi) { + base_val = phi; + stride_val = rhs; + } else if (rhs == phi) { + base_val = phi; + stride_val = lhs; + } + + if (base_val == phi && stride_val) { + auto* stride_scev = GetSCEV(stride_val); + if (auto* stride_c = + dynamic_cast(stride_scev)) { + return CreateAddRecExpr(start_scev, stride_c, parent); + } + } + } + } + } + } + + // 非归纳变量的 PHI：返回 Unknown + return CreateUnknown(inst); + } + + // 二元运算 + if (auto* bin = dynamic_cast(inst)) { + auto* lhs = GetSCEV(bin->GetOperand(0)); + auto* rhs = GetSCEV(bin->GetOperand(1)); + if (!lhs || !rhs) return CreateUnknown(inst); + + switch (op) { + case Opcode::Add: + return CreateAddExpr({lhs, rhs}); + case Opcode::Sub: + return CreateAddExpr( + {lhs, CreateMulExpr({CreateConstant(-1), rhs})}); + case Opcode::Mul: + return CreateMulExpr({lhs, rhs}); + default: + return CreateUnknown(inst); + } + } + + // ZExt → 透传（i1 → i32） + if (op == Opcode::ZExt && inst->GetNumOperands() > 0) { + auto* operand = GetSCEV(inst->GetOperand(0)); + if (operand && !dynamic_cast(operand)) + return operand; + } + + return CreateUnknown(inst); +} + +// ================================================================ +// Compute — 主入口 +// ================================================================ + +void ScalarEvolution::Compute(Function* func) { + unknowns_.clear(); + constants_.clear(); + add_exprs_.clear(); + scev_map_.clear(); + detected_loops_.clear(); + + if (!func) return; + + DetectLoops(func); + ComputeSCEVs(func); +} + +void ScalarEvolution::ComputeSCEVs(Function* func) { + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (auto& inst : bb->GetInstructions()) { + auto* scev = ComputeSCEVForInst(inst.get()); + scev_map_[inst.get()] = scev; + } + } + // 为参数创建 Unknown + for (auto& param : func->GetParams()) { + scev_map_[param.get()] = CreateUnknown(param.get()); + } +} + +SCEVHandle ScalarEvolution::GetSCEV(Value* val) const { + if (!val) return nullptr; + + // 常量：从 constants_ 中查找 + if (auto* ci = dynamic_cast(val)) { + auto it = constants_.find(ci->GetValue()); + if (it != constants_.end()) return it->second.get(); + } + + // 先从 scev_map 中查找 + auto it = scev_map_.find(val); + if (it != scev_map_.end()) return it->second; + + // 参数 + if (dynamic_cast(val)) { + auto uit = unknowns_.find(val); + if (uit != unknowns_.end()) return uit->second.get(); + } + + return nullptr; +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/CMakeLists.txt b/src/ir/passes/CMakeLists.txt index 4521fe78..d770f751 100644 --- a/src/ir/passes/CMakeLists.txt +++ b/src/ir/passes/CMakeLists.txt @@ -8,6 +8,8 @@ add_library(ir_passes STATIC CSE.cpp DCE.cpp CFGSimplify.cpp + LoopInterchange.cpp + LoopVectorize.cpp TailCallOpt.cpp ) diff --git a/src/ir/passes/DSE.cpp b/src/ir/passes/DSE.cpp new file mode 100644 index 00000000..4678e0d4 --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/DSE.cpp @@ -0,0 +1,145 @@ +// Dead Store Elimination（DSE）—— MemorySSA 驱动的死存储删除 +// +// 对齐 LLVM DSE（lib/Transforms/Scalar/DeadStoreElimination.cpp） +// +// 算法： +// 1. 遍历所有 MemoryUse → 标记其 definingAccess 链上的 MemoryDef 为「活跃」 +// 2. 遍历所有 MemoryPhi → 标记其所有 incoming MemoryDef 为「活跃」 +// （因为 phi 合并的值在运行时可能被读取，其源 store 不能删除） +// 3. 标记 global/escaping alloca 的 store 为活跃（外部可观测） +// 4. 未被标记的 MemoryDef（non-escaping alloca 的死 store）→ 删除 +// 5. Tier 2：同块内同指针连续 store，无中间 load/call → 前者被覆盖 + +#include "ir/IR.h" +#include "ir/analysis/AliasAnalysis.h" +#include "ir/analysis/MemorySSA.h" + +#include +#include +#include + +namespace ir { +namespace { + +static bool RunDSEOnFunction(Function& func) { + AliasAnalysis aa; + aa.Compute(&func); + MemorySSA mssa; + mssa.Compute(func, &aa); + + // Step 1: 收集活跃 MemoryDef + std::unordered_set live_defs; + + // 1a: MemoryUse → 标记其 definingAccess 链上的所有 MemoryDef + for (auto& bb : func.GetBlocks()) { + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + if (auto* load = dynamic_cast(inst_ptr.get())) { + auto* mu = mssa.getMemoryUse(load); + if (!mu) continue; + MemoryAccess* acc = mu->getDefiningAccess(); + for (int steps = 0; steps < 20 && acc; ++steps) { + if (acc->getKind() == MemoryAccess::Def) + live_defs.insert(static_cast(acc)); + if (acc->getKind() == MemoryAccess::Phi) break; // phi incoming 由 1b 处理 + acc = acc->getDefiningAccess(); + } + } + } + } + + // 1b: MemoryPhi incoming → 全部标记为活跃 + mssa.forEachMemoryPhi([&](MemoryPhi* phi) { + for (size_t i = 0; i < phi->getNumIncoming(); ++i) { + auto* incoming = phi->getIncomingValue(i); + if (incoming && incoming->getKind() == MemoryAccess::Def) + live_defs.insert(static_cast(incoming)); + } + }); + + // 1c: Global/escaping alloca 的 store → 保守标记为活跃 + for (auto& bb : func.GetBlocks()) { + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + if (auto* store = dynamic_cast(inst_ptr.get())) { + Value* ptr = store->GetOperand(1); + auto* alloca = dynamic_cast(ptr); + if (!alloca || !aa.IsNonEscaping(alloca)) { + auto* md = mssa.getMemoryDef(store); + if (md) live_defs.insert(md); + } + } + } + } + + // Step 2: 收集死存储（Tier 1——MemorySSA） + std::unordered_set dead_stores; + for (auto& bb : func.GetBlocks()) { + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + auto* store = dynamic_cast(inst_ptr.get()); + if (!store) continue; + Value* ptr = store->GetOperand(1); + auto* alloca = dynamic_cast(ptr); + if (!alloca || !aa.IsNonEscaping(alloca)) continue; + auto* md = mssa.getMemoryDef(store); + if (md && !live_defs.count(md)) + dead_stores.insert(store); + } + } + + // Step 3: Tier 2——同块覆盖 + for (auto& bb : func.GetBlocks()) { + std::unordered_map uncovered; + for (auto& inst_ptr : bb->GetInstructions()) { + auto* inst = inst_ptr.get(); + if (auto* store = dynamic_cast(inst)) { + Value* ptr = store->GetOperand(1); + auto it = uncovered.find(ptr); + if (it != uncovered.end()) { + auto* prev_md = mssa.getMemoryDef(it->second); + if (prev_md && !live_defs.count(prev_md)) + dead_stores.insert(it->second); + } + uncovered[ptr] = store; + } else if (auto* load = dynamic_cast(inst)) { + if (load->GetNumOperands() >= 1) + uncovered.erase(load->GetOperand(0)); + } else if (dynamic_cast(inst)) { + uncovered.clear(); + } + } + } + + // Step 4: 删除 + if (dead_stores.empty()) return false; + + for (auto& bb : func.GetBlocks()) { + auto& insts = const_cast>&>(bb->GetInstructions()); + for (auto& inst_ptr : insts) { + if (auto* store = dynamic_cast(inst_ptr.get())) { + if (dead_stores.count(store)) { + for (size_t i = 0; i < store->GetNumOperands(); ++i) + if (auto* op = dynamic_cast(store->GetOperand(i))) + op->RemoveUse(store, i); + } + } + } + insts.erase(std::remove_if(insts.begin(), insts.end(), + [&dead_stores](const std::unique_ptr& p) { + auto* s = dynamic_cast(p.get()); + return s && dead_stores.count(s) > 0; + }), insts.end()); + } + return true; +} + +} // namespace + +bool RunDSE(Module& module) { + bool changed = false; + for (auto& func_ptr : module.GetFunctions()) { + if (func_ptr->IsExternal()) continue; + changed |= RunDSEOnFunction(*func_ptr); + } + return changed; +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/IRVerifier.cpp b/src/ir/passes/IRVerifier.cpp new file mode 100644 index 00000000..2b3dd742 --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/IRVerifier.cpp @@ -0,0 +1,208 @@ +// IR 验证器：校验 IR 模块的合法性。 +// 检查项： +// 1. SSA 支配性：每条指令的操作数（也是指令）必须由当前基本块支配 +// 2. 基本块终结指令：每个非空基本块必须以终结指令结尾 +// 3. PHI 一致性：PHI 节点操作数结构正确 +// +// 验证失败时输出错误信息并 abort()。调用方应通过 NDEBUG 控制是否启用。 + +#include "ir/IR.h" +#include "ir/analysis/DominatorTree.h" +#include "utils/Log.h" + +#include +#include +#include +#include +#include + +namespace ir { + +namespace { + +// 收集某个基本块的前驱（基于终结指令的跳转目标） +std::unordered_map> CollectPredecessors( + Function* func) { + std::unordered_map> preds; + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + preds[bb.get()] = {}; + } + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + if (!bb->HasTerminator()) { + continue; + } + auto* term = bb->GetInstructions().back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) { + preds[br->GetTarget()].push_back(bb.get()); + } else if (auto* condbr = dynamic_cast(term)) { + preds[condbr->GetTrueTarget()].push_back(bb.get()); + preds[condbr->GetFalseTarget()].push_back(bb.get()); + } + } + return preds; +} + +// 验证单个函数的 IR +void VerifyFunction(Function* func) { + const auto& blocks = func->GetBlocks(); + if (blocks.empty()) { + return; // 空函数（external declaration），无需验证 + } + + // 构建前驱映射（用于 PHI 验证） + auto pred_map = CollectPredecessors(func); + + // 构建支配树 + DominatorTree dom_tree; + dom_tree.Compute(func); + + for (const auto& bb : blocks) { + BasicBlock* current_bb = bb.get(); + + // 检查 1: 非空基本块必须以终结指令结尾 + const auto& instructions = current_bb->GetInstructions(); + if (!instructions.empty()) { + auto* last_inst = instructions.back().get(); + if (!last_inst->IsTerminator()) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() << "' 的基本块 '" + << current_bb->GetName() + << "' 的最后一条指令不是终结指令 (opcode=" + << static_cast(last_inst->GetOpcode()) << ")"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + } + + // 检查 2: SSA 支配性 + PHI 一致性 + for (const auto& inst_ptr : instructions) { + auto* inst = inst_ptr.get(); + + if (inst->GetOpcode() == Opcode::Phi) { + // PHI 一致性检查: + // - 操作数个数必须为偶数 + // - 每个奇数索引的操作数（基本块引用）必须是前驱 + size_t num_operands = inst->GetNumOperands(); + if (num_operands % 2 != 0) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() + << "' 的基本块 '" << current_bb->GetName() + << "' 中的 PHI 节点操作数个数为奇数 (" << num_operands << ")"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + + // 收集已出现的前驱，检查重复 + std::unordered_set seen_preds; + const auto& bb_preds = pred_map[current_bb]; + + for (size_t i = 1; i < num_operands; i += 2) { + Value* block_op = inst->GetOperand(i); + auto* pred_bb = dynamic_cast(block_op); + if (!pred_bb) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() + << "' 的基本块 '" << current_bb->GetName() + << "' 中的 PHI 节点操作数 " << i << " 不是基本块"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + + // 检查该基本块是否为实际前驱 + bool is_pred = false; + for (auto* p : bb_preds) { + if (p == pred_bb) { + is_pred = true; + break; + } + } + if (!is_pred) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() + << "' 的基本块 '" << current_bb->GetName() + << "' 中的 PHI 节点引用了非前驱基本块 '" + << pred_bb->GetName() << "'"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + + // 检查重复前驱 + if (seen_preds.find(pred_bb) != seen_preds.end()) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() + << "' 的基本块 '" << current_bb->GetName() + << "' 中的 PHI 节点包含重复前驱 '" + << pred_bb->GetName() << "'"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + seen_preds.insert(pred_bb); + + // PHI 的 SSA 支配性检查： + // 每个值操作数（偶数索引）的定义必须支配对应的前驱基本块 + Value* val_op = inst->GetOperand(i - 1); + auto* val_inst = dynamic_cast(val_op); + if (val_inst && val_inst->GetParent()) { + if (!dom_tree.Dominates(val_inst->GetParent(), pred_bb)) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() + << "' 的基本块 '" << current_bb->GetName() + << "' 中的 PHI 值操作数 '" << val_inst->GetName() + << "' (定义于 '" << val_inst->GetParent()->GetName() + << "') 不支配前驱 '" << pred_bb->GetName() << "'"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + } + } + } else { + // 非 PHI 指令：检查每个操作数的 SSA 支配性 + for (size_t i = 0; i < inst->GetNumOperands(); ++i) { + Value* op = inst->GetOperand(i); + // 跳过常量、参数和基本块引用 + if (op->IsConstant()) continue; + auto* op_bb_ref = dynamic_cast(op); + if (op_bb_ref) continue; + auto* op_arg = dynamic_cast(op); + if (op_arg) continue; + if (op->IsFunction()) continue; + + auto* op_inst = dynamic_cast(op); + if (!op_inst) continue; + + BasicBlock* def_bb = op_inst->GetParent(); + if (!def_bb) continue; + + // 支配性检查：定义的基本块必须支配当前基本块 + if (!dom_tree.Dominates(def_bb, current_bb)) { + std::ostringstream oss; + oss << "IR 验证失败: 函数 '" << func->GetName() + << "' 中的指令 '" << inst->GetName() + << "' (opcode=" << static_cast(inst->GetOpcode()) + << ", 基本块 '" << current_bb->GetName() + << "') 使用了未支配的操作数 '" << op_inst->GetName() + << "' (定义于 '" << def_bb->GetName() << "')"; + LogError(oss.str(), std::cerr); + std::abort(); + } + } + } + } + } +} + +} // namespace + +void VerifyIR(Module& module) { + for (const auto& func_ptr : module.GetFunctions()) { + auto* func = func_ptr.get(); + // 跳过外部声明（没有函数体） + if (func->IsExternal()) continue; + // 跳过空函数体 + if (func->GetBlocks().empty()) continue; + + VerifyFunction(func); + } +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/IfConversion.cpp b/src/ir/passes/IfConversion.cpp new file mode 100644 index 00000000..c5e8bf95 --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/IfConversion.cpp @@ -0,0 +1,290 @@ +// IfConversion: 将简单 if-else diamond 转换为算术 select +// - 扫描 CondBr→T→Br→M 且 F==M 的 diamond 模式 +// - 安全检查：T 必须只有单一前驱（B），仅允许纯算术指令（禁 Div/Mod/浮点） +// - 将 phi 转换为 fv + (tv-fv)*zext(cond) +// - 配合 CFGSimplify 清理空块，使循环体变为单 BB → 可被 LoopUnroll 展开 + +#include "ir/IR.h" + +#include +#include + +namespace ir { + +namespace { + +static Value* UnwrapCondition(Value* cond) { + for (int pass = 0; pass < 2; ++pass) { + auto* outer = dynamic_cast(cond); + if (!outer || outer->GetOpcode() != Opcode::Ne) break; + auto* rc = dynamic_cast(outer->GetRhs()); + if (!rc || rc->GetValue() != 0) break; + auto* zext = dynamic_cast(outer->GetLhs()); + if (!zext || zext->GetOpcode() != Opcode::ZExt) break; + cond = zext->GetOperandValue(); + } + return cond; +} + +static BasicBlock* GetOnlyBrTarget(BasicBlock* bb) { + const auto& insts = bb->GetInstructions(); + if (insts.empty()) return nullptr; + auto* br = dynamic_cast(insts.back().get()); + return br ? br->GetTarget() : nullptr; +} + +static std::vector ComputePredecessors( + BasicBlock* bb, const std::vector>& all_blocks) { + std::vector preds; + for (const auto& other : all_blocks) { + if (other.get() == bb) continue; + const auto& insts = other->GetInstructions(); + if (insts.empty()) continue; + auto* term = insts.back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) { + if (br->GetTarget() == bb) preds.push_back(other.get()); + } else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + if (cbr->GetTrueTarget() == bb || cbr->GetFalseTarget() == bb) + preds.push_back(other.get()); + } + } + return preds; +} + +static bool IsSimpleBlock(BasicBlock* bb) { + for (const auto& inst : bb->GetInstructions()) { + switch (inst->GetOpcode()) { + case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul: + case Opcode::And: case Opcode::Or: + case Opcode::Eq: case Opcode::Ne: case Opcode::Lt: + case Opcode::Le: case Opcode::Gt: case Opcode::Ge: + case Opcode::ZExt: + case Opcode::Br: + continue; + default: + return false; + } + } + return true; +} + +static Value* GetPhiValueFrom(PhiInst* phi, BasicBlock* bb) { + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + if (dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)) == bb) + return phi->GetOperand(i); + } + return nullptr; +} + +static void RemovePhiEntriesFrom(PhiInst* phi, BasicBlock* bb) { + std::vector> keep; + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* pred = dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)); + if (pred != bb) + keep.push_back({phi->GetOperand(i), phi->GetOperand(i + 1)}); + } + if (keep.size() * 2 != phi->GetNumOperands()) { + phi->ClearOperands(); + for (auto& [val, pred] : keep) { + phi->AddOperand(val); + phi->AddOperand(pred); + } + } +} + +static void SetPhiEntry(PhiInst* phi, BasicBlock* bb, Value* val) { + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + if (dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)) == bb) { + phi->SetOperand(i, val); + return; + } + } + phi->AddOperand(val); + phi->AddOperand(bb); +} + +static bool TryConvertOneDiamond(BasicBlock* B, BasicBlock* T, BasicBlock* M, + Value* cond_i1, Context& ctx, + const std::vector>& all_blocks) { + if (!IsSimpleBlock(T)) return false; + if (GetOnlyBrTarget(T) != M) return false; + auto t_preds = ComputePredecessors(T, all_blocks); + if (t_preds.size() != 1 || t_preds[0] != B) return false; + + struct PhiEntry { PhiInst* phi; Value* val_t; Value* val_f; }; + std::vector to_convert; + for (const auto& inst : M->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + // 仅处理 i32 类型的 phi——算术 select 变换不支持 float + if (!phi->GetType()->IsInt32()) continue; + Value* val_t = GetPhiValueFrom(phi, T); + if (!val_t) continue; + Value* val_f = GetPhiValueFrom(phi, B); + if (!val_f) { + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* pred = dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)); + if (pred != T) { val_f = phi->GetOperand(i); break; } + } + } + if (!val_f) continue; + to_convert.push_back({phi, val_t, val_f}); + } + if (to_convert.empty()) return false; + + // 检查 T 块指令类型：浮点运算移入无条件块会改变语义 + // 仅当 T 块所有指令均为 i32/i1/void 类型时才安全 + for (const auto& inst : T->GetInstructions()) { + if (inst->GetOpcode() == Opcode::Br) continue; + auto ty = inst->GetType(); + // Block with no type info is suspicious, skip safely + if (!ty) continue; + if (!ty->IsInt32() && !ty->IsInt1() && !ty->IsVoid()) { + return false; + } + } + + auto* cbr = B->GetInstructions().back().get(); + cbr->ClearOperands(); // 析构前清理操作数引用，防止悬空 use + B->TakeInstruction(cbr); + + auto& t_insts = const_cast>&>(T->GetInstructions()); + std::vector t_to_move; + for (const auto& inst : t_insts) + if (inst->GetOpcode() != Opcode::Br) + t_to_move.push_back(inst.get()); + for (auto* inst : t_to_move) { + auto taken = T->TakeInstruction(inst); + B->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(taken)); + } + if (!T->GetInstructions().empty()) { + auto* last_inst = T->GetInstructions().back().get(); + last_inst->ClearOperands(); + T->TakeInstruction(last_inst); + } + + for (auto& [phi, val_t, val_f] : to_convert) { + if (val_t == val_f) { + RemovePhiEntriesFrom(phi, T); + SetPhiEntry(phi, B, val_f); + continue; + } + auto* zext = B->Append(Opcode::ZExt, Type::GetInt32Type(), cond_i1, ctx.NextTemp()); + auto* diff = B->Append(Opcode::Sub, Type::GetInt32Type(), val_t, val_f, ctx.NextTemp()); + auto* masked = B->Append(Opcode::Mul, Type::GetInt32Type(), diff, zext, ctx.NextTemp()); + auto* select_val = B->Append(Opcode::Add, Type::GetInt32Type(), val_f, masked, ctx.NextTemp()); + RemovePhiEntriesFrom(phi, T); + SetPhiEntry(phi, B, select_val); + } + + B->Append(Type::GetVoidType(), M); + return true; +} + +static void IfConvertFunction(Function* func, Context& ctx) { + auto& blocks = const_cast>&>(func->GetBlocks()); + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + for (const auto& bb : blocks) { + const auto& insts = bb->GetInstructions(); + if (insts.empty()) continue; + auto* cbr = dynamic_cast(insts.back().get()); + if (!cbr) continue; + BasicBlock* T = cbr->GetTrueTarget(); + BasicBlock* F = cbr->GetFalseTarget(); + Value* cond = UnwrapCondition(cbr->GetCond()); + if (TryConvertOneDiamond(bb.get(), T, F, cond, ctx, blocks)) { + changed = true; + break; + } + } + } +} + +static void CleanupRedundantPhis(Function* func) { + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + auto& insts = const_cast>&>(bb->GetInstructions()); + for (size_t i = 0; i < insts.size(); ) { + auto* phi = dynamic_cast(insts[i].get()); + if (!phi) break; + Value* unique_val = nullptr; + bool all_same = true; + for (size_t j = 0; j < phi->GetNumOperands(); j += 2) { + Value* v = phi->GetOperand(j); + if (!unique_val) unique_val = v; + else if (unique_val != v) { all_same = false; break; } + } + if (all_same && unique_val) { + phi->ReplaceAllUsesWith(unique_val); + phi->ClearOperands(); + insts.erase(insts.begin() + i); + continue; + } + ++i; + } + } +} + +static void MergeSinglePredBlocks(Function* func) { + auto& blocks = const_cast>&>(func->GetBlocks()); + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + for (auto& bb_ptr : blocks) { + BasicBlock* bb = bb_ptr.get(); + if (bb == func->GetEntry()) continue; + bool has_phi = false; + for (const auto& inst : bb->GetInstructions()) { + if (dynamic_cast(inst.get())) { has_phi = true; break; } + } + if (has_phi) continue; + auto preds = ComputePredecessors(bb, blocks); + if (preds.size() != 1) continue; + BasicBlock* pred = preds[0]; + if (pred == bb) continue; + const auto& pred_insts = pred->GetInstructions(); + if (pred_insts.empty()) continue; + auto* br = dynamic_cast(pred_insts.back().get()); + if (!br || br->GetTarget() != bb) continue; + auto* pred_term = pred_insts.back().get(); + pred_term->ClearOperands(); + pred->TakeInstruction(pred_term); + auto& bb_insts = const_cast>&>(bb->GetInstructions()); + std::vector to_move; + for (auto& inst : bb_insts) + to_move.push_back(inst.get()); + for (auto* inst : to_move) { + auto taken = bb->TakeInstruction(inst); + pred->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(taken)); + } + for (auto& other : blocks) { + if (other.get() == bb) continue; + auto& o_insts = const_cast>&>(other->GetInstructions()); + for (auto& inst : o_insts) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + if (dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)) == bb) + phi->SetOperand(i + 1, pred); + } + } + } + changed = true; + break; + } + } +} + +} // namespace + +void RunIfConversion(Module& module) { + for (auto& func : module.GetFunctions()) { + if (func->IsExternal()) continue; + IfConvertFunction(func.get(), module.GetContext()); + CleanupRedundantPhis(func.get()); + MergeSinglePredBlocks(func.get()); + } +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/LoopInterchange.cpp b/src/ir/passes/LoopInterchange.cpp new file mode 100644 index 00000000..128f482a --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/LoopInterchange.cpp @@ -0,0 +1,1128 @@ +#include "ir/IR.h" + +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +namespace ir { + +namespace { + +constexpr bool kDebugLoopInterchange = false; +constexpr bool kEnableTransform = true; // 停点三：启用 IR 变换 + +// =========================================================================== +// CFG 辅助函数（从 LICM.cpp 复用模式） +// =========================================================================== + +std::vector GetSuccessors(BasicBlock* bb) { + std::vector succs; + if (!bb) return succs; + + const auto& insts = bb->GetInstructions(); + if (insts.empty()) return succs; + + auto* term = insts.back().get(); + if (!term) return succs; + + switch (term->GetOpcode()) { + case Opcode::Br: { + auto* br = static_cast(term); + succs.push_back(br->GetTarget()); + break; + } + case Opcode::CondBr: { + auto* cbr = static_cast(term); + succs.push_back(cbr->GetTrueTarget()); + succs.push_back(cbr->GetFalseTarget()); + break; + } + default: + break; + } + + return succs; +} + +std::vector GetPredecessors(BasicBlock* bb, Function* func) { + std::vector preds; + if (!bb || !func) return preds; + + for (auto& block : func->GetBlocks()) { + auto succs = GetSuccessors(block.get()); + for (auto* succ : succs) { + if (succ == bb) { + preds.push_back(block.get()); + break; + } + } + } + + return preds; +} + +// =========================================================================== +// 循环检测（从 LICM.cpp 复用） +// =========================================================================== + +struct Loop { + BasicBlock* header = nullptr; + BasicBlock* preheader = nullptr; + std::set blocks; +}; + +BasicBlock* FindPreheader(Loop* loop, Function* func) { + auto header_preds = GetPredecessors(loop->header, func); + BasicBlock* preheader = nullptr; + + for (auto* pred : header_preds) { + if (loop->blocks.find(pred) == loop->blocks.end()) { + if (preheader == nullptr) { + preheader = pred; + } else { + return nullptr; // 多个外部前驱 → 不是自然循环 + } + } + } + + if (preheader) { + auto succs = GetSuccessors(preheader); + if (succs.size() == 1 && succs[0] == loop->header) { + return preheader; + } + } + + return nullptr; +} + +std::vector> FindLoops(Function* func) { + std::vector> loops; + + std::unordered_map dfn; + std::vector postorder; + + std::set visited; + std::vector> stack; + + if (func->GetBlocks().empty()) return loops; + + auto* entry = func->GetEntry(); + if (!entry) return loops; + + stack.push_back({entry, 0}); + + // DFS 后序遍历 + while (!stack.empty()) { + auto& top = stack.back(); + auto* bb = top.first; + auto& child_idx = top.second; + + if (child_idx == 0) { + if (visited.count(bb)) { + stack.pop_back(); + continue; + } + visited.insert(bb); + dfn[bb] = static_cast(dfn.size()); + } + + auto succs = GetSuccessors(bb); + bool found_new = false; + + while (child_idx < succs.size()) { + auto* succ = succs[child_idx]; + child_idx++; + + if (visited.count(succ) == 0) { + stack.push_back({succ, 0}); + found_new = true; + break; + } + } + + if (!found_new) { + postorder.push_back(bb); + stack.pop_back(); + } + } + + std::reverse(postorder.begin(), postorder.end()); + + // 检测回边（succ DFN <= bb DFN） + for (auto* bb : postorder) { + auto succs = GetSuccessors(bb); + for (auto* succ : succs) { + if (dfn.count(succ) && dfn[succ] <= dfn[bb]) { + auto loop = std::make_unique(); + loop->header = succ; + + std::set in_loop; + std::queue worklist; + + in_loop.insert(succ); + if (bb != succ) { + in_loop.insert(bb); + worklist.push(bb); + } + + while (!worklist.empty()) { + auto* current = worklist.front(); + worklist.pop(); + + auto preds = GetPredecessors(current, func); + for (auto* pred : preds) { + if (in_loop.count(pred) == 0) { + in_loop.insert(pred); + worklist.push(pred); + } + } + } + + loop->blocks = std::move(in_loop); + loop->preheader = FindPreheader(loop.get(), func); + + if (loop->preheader) { + loops.push_back(std::move(loop)); + } + } + } + } + + return loops; +} + +// =========================================================================== +// 二维循环嵌套结构 +// =========================================================================== + +struct LoopNest { + BasicBlock* outer_header = nullptr; + BasicBlock* inner_preheader = nullptr; // outer body / inner preheader + BasicBlock* inner_header = nullptr; + BasicBlock* inner_body = nullptr; // inner body + inner latch + BasicBlock* inner_exit = nullptr; // inner exit / outer latch + BasicBlock* outer_exit = nullptr; + + PhiInst* outer_iv_phi = nullptr; + PhiInst* inner_iv_phi = nullptr; + PhiInst* outer_passthrough_phi = nullptr; + + Value* outer_bound = nullptr; + Value* inner_bound = nullptr; + BinaryInst* outer_cmp = nullptr; + BinaryInst* inner_cmp = nullptr; + CondBranchInst* outer_condbr = nullptr; + CondBranchInst* inner_condbr = nullptr; + + BinaryInst* inner_inc = nullptr; + BinaryInst* outer_inc = nullptr; +}; + +// =========================================================================== +// 二维循环嵌套检测 +// =========================================================================== + +// 透过 zext + icmp ne 找到真正的循环比较指令 +// 模式: condbr(icmp ne(zext(icmp slt(iv, bound)), 0)) +// 返回真实 icmp slt/sle 的 LHS(IV) 和 RHS(bound) +struct LoopCmpInfo { + BinaryInst* real_cmp = nullptr; // icmp slt/sle + Value* iv = nullptr; + Value* bound = nullptr; +}; + +LoopCmpInfo ExtractLoopCmp(CondBranchInst* condbr) { + LoopCmpInfo info; + + // Step 1: condbr 的 condition 是 icmp ne %x, 0 + auto* icmp_ne = dynamic_cast(condbr->GetCond()); + if (!icmp_ne) return info; + if (icmp_ne->GetOpcode() != Opcode::Ne) return info; + + // rhs 必须是常量 0 + auto* zero_const = dynamic_cast(icmp_ne->GetRhs()); + if (!zero_const || zero_const->GetValue() != 0) return info; + + // Step 2: lhs 是 zext 的结果 + auto* zext = dynamic_cast(icmp_ne->GetLhs()); + if (!zext || zext->GetOpcode() != Opcode::ZExt) return info; + + // Step 3: zext 的操作数是真正的 icmp slt/sle + auto* real_cmp = dynamic_cast(zext->GetOperandValue()); + if (!real_cmp) return info; + auto opcode = real_cmp->GetOpcode(); + if (opcode != Opcode::Lt && opcode != Opcode::Le) return info; + + info.real_cmp = real_cmp; + info.iv = real_cmp->GetLhs(); + info.bound = real_cmp->GetRhs(); + return info; +} + +std::optional DetectTwoDLoopNest(Loop* outer_loop, Function* /*func*/) { + LoopNest nest; + + // ---- Step 1: 验证外层 header ---- + nest.outer_header = outer_loop->header; + + // 1a: 查找 condbr（必须先做，才能提取 cmp） + if (!nest.outer_header->HasTerminator()) return std::nullopt; + auto* outer_term = nest.outer_header->GetInstructions().back().get(); + nest.outer_condbr = dynamic_cast(outer_term); + if (!nest.outer_condbr) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 外层 header 非 condbr\n"; + return std::nullopt; + } + + // 1b: 透过 zext + icmp ne 找到真正的循环比较 + auto outer_cmp_info = ExtractLoopCmp(nest.outer_condbr); + if (!outer_cmp_info.real_cmp) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 外层 condbr 无法提取循环比较\n"; + return std::nullopt; + } + nest.outer_cmp = outer_cmp_info.real_cmp; + nest.outer_bound = outer_cmp_info.bound; + + // 1c: 收集候选 phi，用 cmp LHS 匹配选择 outer IV + std::vector outer_phis; + for (auto& inst : nest.outer_header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + if (phi->GetNumOperands() == 4) outer_phis.push_back(phi); + } + + for (auto* phi : outer_phis) { + if (phi == outer_cmp_info.iv) { + nest.outer_iv_phi = phi; + break; + } + } + + if (!nest.outer_iv_phi) { + // 退路：取第一个 phi + if (!outer_phis.empty()) { + nest.outer_iv_phi = outer_phis[0]; + } else { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 外层 header 无有效 phi\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // 确定 inner_preheader / outer_exit + { + auto* true_bb = nest.outer_condbr->GetTrueTarget(); + auto* false_bb = nest.outer_condbr->GetFalseTarget(); + + if (outer_loop->blocks.count(true_bb) && !outer_loop->blocks.count(false_bb)) { + nest.inner_preheader = true_bb; + nest.outer_exit = false_bb; + } else if (!outer_loop->blocks.count(true_bb) && outer_loop->blocks.count(false_bb)) { + nest.inner_preheader = false_bb; + nest.outer_exit = true_bb; + } else { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 外层 condbr 无法区分 preheader/exit\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // ---- Step 2: 验证 inner_preheader（外层 body）---- + // 必须只有一个无条件分支到 inner_header + if (nest.inner_preheader->HasTerminator()) { + auto* ph_term = nest.inner_preheader->GetInstructions().back().get(); + auto* ph_br = dynamic_cast(ph_term); + if (!ph_br) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_preheader terminator 非 br\n"; + return std::nullopt; + } + nest.inner_header = ph_br->GetTarget(); + } else { + return std::nullopt; + } + + // inner_preheader: 允许非 br 指令（放松 perfect nest 要求） + // 只拒绝 phi（说明不是自然循环）和 call（可能有副作用） + for (auto& inst : nest.inner_preheader->GetInstructions()) { + if (inst->IsTerminator()) break; + if (dynamic_cast(inst.get())) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_preheader 含 phi → 非 perfect nest\n"; + return std::nullopt; + } + if (dynamic_cast(inst.get())) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_preheader 含 call → 非 perfect nest\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // ---- Step 3: 验证内层 header ---- + // 3a: 查找 condbr 并提取 cmp + if (!nest.inner_header->HasTerminator()) return std::nullopt; + { + auto* inner_term = nest.inner_header->GetInstructions().back().get(); + nest.inner_condbr = dynamic_cast(inner_term); + if (!nest.inner_condbr) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 内层 header 非 condbr\n"; + return std::nullopt; + } + } + + auto inner_cmp_info = ExtractLoopCmp(nest.inner_condbr); + if (!inner_cmp_info.real_cmp) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 内层 condbr 无法提取循环比较\n"; + return std::nullopt; + } + nest.inner_cmp = inner_cmp_info.real_cmp; + nest.inner_bound = inner_cmp_info.bound; + + // 3b: 收集 phi，区分 inner IV 和 outer passthrough + { + std::vector phis; + for (auto& inst : nest.inner_header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + if (phi->GetNumOperands() == 4) phis.push_back(phi); + } + + if (phis.size() < 2) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 内层 header phi 数量 < 2 (实际 " + << phis.size() << ")\n"; + return std::nullopt; + } + + // 自引用 phi = passthrough。可能有多层嵌套的 passthrough（如 rep→i→j） + // 真正的 outer IV passthrough: 其 init 值来自 outer_header 的 outer_iv_phi + BasicBlock* latch_bb_for_body = nullptr; + for (auto* phi : phis) { + Value* init_val = nullptr; + Value* latch_val = nullptr; + BasicBlock* init_bb = nullptr; + BasicBlock* latch_bb = nullptr; + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb == nest.inner_preheader) { + init_val = phi->GetOperand(i); + init_bb = bb; + } else { + latch_val = phi->GetOperand(i); + latch_bb = bb; + } + } + if (latch_val == phi) { // 自引用 = 某种 passthrough + // 记录 inner_body（所有自引用 phi 的 latch_bb 应该相同） + if (!nest.inner_body && latch_bb) { + nest.inner_body = latch_bb; + } + // init 值来自 outer_iv_phi → 这是 outer IV passthrough + if (init_val == nest.outer_iv_phi) { + nest.outer_passthrough_phi = phi; + } + } + } + + if (!nest.outer_passthrough_phi) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 未找到 outer IV passthrough phi\n"; + return std::nullopt; + } + + // inner IV: 在非 passthrough phi 中匹配 cmp LHS + for (auto* phi : phis) { + if (phi == nest.outer_passthrough_phi) continue; + if (phi == inner_cmp_info.iv) { + nest.inner_iv_phi = phi; + break; + } + } + + // 退路：取第一个非 passthrough phi + if (!nest.inner_iv_phi) { + for (auto* phi : phis) { + if (phi != nest.outer_passthrough_phi) { + nest.inner_iv_phi = phi; + break; + } + } + } + + if (!nest.inner_iv_phi) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 未找到 inner IV phi\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // 确定 inner_exit + { + auto* true_bb = nest.inner_condbr->GetTrueTarget(); + auto* false_bb = nest.inner_condbr->GetFalseTarget(); + + if (true_bb == nest.inner_body) { + nest.inner_exit = false_bb; + } else if (false_bb == nest.inner_body) { + nest.inner_exit = true_bb; + } else { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 内层 condbr 目标异常\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // ---- Step 4: 验证 inner_body ---- + // inner_body 的 terminator 必须无条件 br 到 inner_header + if (!nest.inner_body->HasTerminator()) return std::nullopt; + auto* body_term = nest.inner_body->GetInstructions().back().get(); + auto* body_br = dynamic_cast(body_term); + if (!body_br || body_br->GetTarget() != nest.inner_header) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_body terminator 非 br → inner_header\n"; + return std::nullopt; + } + + // 查找 inner_inc（inner IV 的 +1 指令） + { + Value* inner_latch_val = nullptr; + for (size_t i = 0; i < nest.inner_iv_phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(nest.inner_iv_phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb == nest.inner_body) { + inner_latch_val = nest.inner_iv_phi->GetOperand(i); + break; + } + } + nest.inner_inc = dynamic_cast(inner_latch_val); + if (!nest.inner_inc || nest.inner_inc->GetOpcode() != Opcode::Add) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_inc 非 Add 指令\n"; + return std::nullopt; + } + // 验证是 inner_iv + 1 + if (!(nest.inner_inc->GetLhs() == nest.inner_iv_phi && + dynamic_cast(nest.inner_inc->GetRhs()))) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_inc 模式非 iv + const\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // ---- Step 5: 验证 inner_exit ---- + if (!nest.inner_exit->HasTerminator()) return std::nullopt; + auto* exit_term = nest.inner_exit->GetInstructions().back().get(); + auto* exit_br = dynamic_cast(exit_term); + if (!exit_br || exit_br->GetTarget() != nest.outer_header) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_exit terminator 非 br → outer_header\n"; + return std::nullopt; + } + + // 查找 outer_inc（外层 IV 的 +1 指令） + { + Value* outer_latch_val = nullptr; + for (size_t i = 0; i < nest.outer_iv_phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(nest.outer_iv_phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb == nest.inner_exit) { + outer_latch_val = nest.outer_iv_phi->GetOperand(i); + break; + } + } + nest.outer_inc = dynamic_cast(outer_latch_val); + if (!nest.outer_inc || nest.outer_inc->GetOpcode() != Opcode::Add) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] outer_inc 非 Add 指令\n"; + return std::nullopt; + } + // outer_inc 可能引用 outer_passthrough_phi 或 outer_iv_phi + if (!(dynamic_cast(nest.outer_inc->GetRhs()))) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] outer_inc 模式非 iv + const\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // ---- Step 6: 验证边界相等且 loop-invariant ---- + { + // 构建 nest 所有块的集合（用于 loop-invariance 检查） + std::set nest_blocks; + nest_blocks.insert(nest.outer_header); + nest_blocks.insert(nest.inner_preheader); + nest_blocks.insert(nest.inner_header); + nest_blocks.insert(nest.inner_body); + nest_blocks.insert(nest.inner_exit); + + auto IsLoopInvariant = [&](Value* val) -> bool { + auto* inst = dynamic_cast(val); + if (!inst) return true; // Constant/Argument/GlobalVariable + return nest_blocks.count(inst->GetParent()) == 0; + }; + + auto* outer_const = dynamic_cast(nest.outer_bound); + auto* inner_const = dynamic_cast(nest.inner_bound); + + if (outer_const && inner_const) { + // 两者都是常量：必须相等 + if (outer_const->GetValue() != inner_const->GetValue()) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 外层边界(" << outer_const->GetValue() + << ") != 内层边界(" << inner_const->GetValue() << ")\n"; + return std::nullopt; + } + } else if (nest.outer_bound == nest.inner_bound) { + // 引用同一个 SSA 值：检查是否 loop-invariant + if (!IsLoopInvariant(nest.outer_bound)) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 边界不是 loop-invariant\n"; + return std::nullopt; + } + } else { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 边界非 ConstantInt 且不相等\n"; + return std::nullopt; + } + } + + // ---- Step 7: 验证 perfect nest（放宽：允许 guard condbr + 嵌套循环）---- + bool has_nested_loop = false; + for (auto& inst : nest.inner_body->GetInstructions()) { + if (inst->IsTerminator()) break; + if (dynamic_cast(inst.get())) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_body 含 call → 非 perfect nest\n"; + return std::nullopt; + } + if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) { + // guard condbr: 一个目标回到 inner_header（continue/skip），允许 + if (cbr->GetTrueTarget() == nest.inner_header || + cbr->GetFalseTarget() == nest.inner_header) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_body 含 guard condbr（→inner_header），允许\n"; + // 另一个目标可能通往嵌套循环（3D nest），标记并继续检查 + has_nested_loop = true; + continue; + } + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] inner_body 含非 guard condbr → 拒绝\n"; + return std::nullopt; + } + } + // 若有嵌套循环（3D nest），记录但允许（2D outer pair 交换不影响 innermost 语义） + if (has_nested_loop && kDebugLoopInterchange) { + std::cerr << "[LoopInterchange] 检测到 3D nest，将 outer 2D pair 作为交换目标\n"; + } + + if (kDebugLoopInterchange) { + std::cerr << "[LoopInterchange] ✅ 检测到二维 perfect nest:\n"; + std::cerr << " outer_header: " << nest.outer_header->GetName() << "\n"; + std::cerr << " inner_preheader: " << nest.inner_preheader->GetName() << "\n"; + std::cerr << " inner_header: " << nest.inner_header->GetName() << "\n"; + std::cerr << " inner_body: " << nest.inner_body->GetName() << "\n"; + std::cerr << " inner_exit: " << nest.inner_exit->GetName() << "\n"; + std::cerr << " outer_exit: " << nest.outer_exit->GetName() << "\n"; + std::cerr << " outer_iv: " << nest.outer_iv_phi->GetName() << "\n"; + std::cerr << " inner_iv: " << nest.inner_iv_phi->GetName() << "\n"; + std::cerr << " passthrough: " << nest.outer_passthrough_phi->GetName() << "\n"; + if (auto* oc = dynamic_cast(nest.outer_bound)) + std::cerr << " bound: " << oc->GetValue() << "\n"; + else + std::cerr << " bound: " << nest.outer_bound->GetName() << " (loop-invariant)\n"; + } + + return nest; +} + +// =========================================================================== +// 合法性判定 +// =========================================================================== + +// 前置声明 +struct IVCoefficients { + int outer_coeff = 0; + int inner_coeff = 0; +}; +IVCoefficients ComputeIVCoefficients(Value* expr, PhiInst* outer_iv, PhiInst* inner_iv); + +enum class RejectReason { + kNotRejected, + kNotPerfectNest, + kDependenceIllegal, + kComplexCFG, + kDifferentBounds, + kHasCall, +}; + +const char* RejectReasonStr(RejectReason r) { + switch (r) { + case RejectReason::kNotRejected: return "not-rejected"; + case RejectReason::kNotPerfectNest: return "not-perfect-nest"; + case RejectReason::kDependenceIllegal: return "dependence-illegal"; + case RejectReason::kComplexCFG: return "complex-cfg"; + case RejectReason::kDifferentBounds: return "different-bounds"; + case RejectReason::kHasCall: return "has-call"; + } + return "unknown"; +} + +bool IsLegalToInterchange(const LoopNest& nest) { + std::vector loads; + std::vector stores; + bool has_scalar_store = false; + + for (auto& inst : nest.inner_body->GetInstructions()) { + if (inst->IsTerminator()) break; + if (auto* l = dynamic_cast(inst.get())) loads.push_back(l); + if (auto* s = dynamic_cast(inst.get())) stores.push_back(s); + if (dynamic_cast(inst.get())) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ inner_body 含 CallInst\n"; + return false; + } + } + + // 检测归约/累加模式： + // 1. inner header 中有超过 2 个 phi 时，检查额外 phi 是否归约累加器 + { + std::vector inner_phis; + for (auto& inst : nest.inner_header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + if (phi->GetNumOperands() == 4) inner_phis.push_back(phi); + } + for (auto* phi : inner_phis) { + // 跳过已识别的 inner IV 和 outer passthrough + if (phi == nest.inner_iv_phi || phi == nest.outer_passthrough_phi) + continue; + + // 检查此 phi 的 latch 值是否涉及 phi 自身的计算（归约特征） + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb == nest.inner_body) { + auto* latch_val = phi->GetOperand(i); + // self-reference → 可能是另一个 passthrough，放行 + if (latch_val == phi) break; + // BinaryInst 且含 phi → 归约累加器 + if (auto* bin = dynamic_cast(latch_val)) { + if (bin->GetLhs() == phi || bin->GetRhs() == phi) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ 检测到归约 phi: " + << phi->GetName() << "\n"; + return false; + } + } + // 非 BinaryInst 的 latch → 无法分析，保守拒绝 + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ 额外 phi " << phi->GetName() + << " 的 latch 非简单模式\n"; + return false; + } + } + } + } + + // 2. store 到非 GEP 地址（标量）= reduction (pre-Mem2Reg) + for (auto* store : stores) { + auto* store_gep = dynamic_cast(store->GetPtr()); + if (!store_gep) { + // store 到标量（非数组地址）→ 归约/累加，不应交换 + has_scalar_store = true; + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ inner_body 含标量 store → 归约\n"; + } + } + + // 检测归约 load：从非 GEP 地址读取（标量累加器） + for (auto* load : loads) { + auto* load_gep = dynamic_cast(load->GetPtr()); + if (!load_gep) { + has_scalar_store = true; // 标量 load 也视为归约信号 + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ inner_body 含标量 load → 归约\n"; + } + } + + if (has_scalar_store) { + return false; + } + + // 依赖分析：区分同迭代内依赖 vs 跨迭代依赖 + // 同 GEP offset（同一 SSA 值）→ 同元素 → 同迭代内 → 安全 + // 不同 offset → 可能跨迭代 → 保守分析 + for (auto* store : stores) { + auto* store_gep = dynamic_cast(store->GetPtr()); + if (!store_gep) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ store 非 GEP → 间接写入，拒绝\n"; + return false; + } + Value* store_base = store_gep->GetBasePtr(); + Value* store_idx = store_gep->GetIndex(); + + for (auto* load : loads) { + auto* load_gep = dynamic_cast(load->GetPtr()); + if (!load_gep) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ load 非 GEP → 间接读取，拒绝\n"; + return false; + } + + if (load_gep->GetBasePtr() != store_base) continue; // 不同数组，安全 + + // 同一数组：检查 offset 是否相同 + Value* load_idx = load_gep->GetIndex(); + + // 同一 SSA 值 → 访问同一元素 → 同迭代内依赖 → 安全 + if (load_idx == store_idx) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 同数组同 offset → 同迭代内，安全\n"; + continue; + } + + // 不同 offset → 可能跨迭代依赖 → 检查方向向量 + // 追踪两个 offset 中 IV 的系数差异 + auto store_coeff = ComputeIVCoefficients(store_idx, + nest.outer_passthrough_phi, + nest.inner_iv_phi); + auto load_coeff = ComputeIVCoefficients(load_idx, + nest.outer_passthrough_phi, + nest.inner_iv_phi); + + // 如果两个 offset 的 inner_coeff 相同且 outer_coeff 相同 + // → offset 差值不依赖 IV → 常量偏移 → 不同元素但同迭代 → 安全 + if (store_coeff.inner_coeff == load_coeff.inner_coeff && + store_coeff.outer_coeff == load_coeff.outer_coeff) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 同数组同系数模式 → 常量偏移，安全\n"; + continue; + } + + // 其他情况：保守拒绝 + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] ❌ load/store 同数组不同 offset 模式 → 保守拒绝" + << " (s_inner=" << store_coeff.inner_coeff + << " l_inner=" << load_coeff.inner_coeff << ")\n"; + return false; + } + } + + return true; +} + +// =========================================================================== +// 收益分析（停点二实现） +// =========================================================================== + +IVCoefficients ComputeIVCoefficients(Value* expr, + PhiInst* outer_iv, + PhiInst* inner_iv) { + // 直接引用 IV + if (expr == outer_iv) return {1, 0}; + if (expr == inner_iv) return {0, 1}; + + // 常量：系数为 0 + if (dynamic_cast(expr)) return {0, 0}; + + // 非指令：未知 + auto* inst = dynamic_cast(expr); + if (!inst) return {0, 0}; + + // Add：系数相加 + if (inst->GetOpcode() == Opcode::Add) { + auto* bin = static_cast(inst); + auto lhs = ComputeIVCoefficients(bin->GetLhs(), outer_iv, inner_iv); + auto rhs = ComputeIVCoefficients(bin->GetRhs(), outer_iv, inner_iv); + return {lhs.outer_coeff + rhs.outer_coeff, + lhs.inner_coeff + rhs.inner_coeff}; + } + + // Mul：缩放 + if (inst->GetOpcode() == Opcode::Mul) { + auto* bin = static_cast(inst); + auto* lhs = bin->GetLhs(); + auto* rhs = bin->GetRhs(); + + // 尝试 (const, value) 或 (value, const) + auto* const_op = dynamic_cast(lhs); + Value* other = rhs; + if (!const_op) { + const_op = dynamic_cast(rhs); + other = lhs; + } + + if (const_op) { + int scale = const_op->GetValue(); + auto inner = ComputeIVCoefficients(other, outer_iv, inner_iv); + return {scale * inner.outer_coeff, scale * inner.inner_coeff}; + } + } + + // 无法识别的模式 + return {0, 0}; +} + +bool IsProfitableToInterchange(const LoopNest& nest) { + // 严格规则：仅当所有参与地址计算的 GEP 访存都受益时才交换 + // 即每个访存的 inner_coeff > outer_coeff（内层 stride → 交换后 unit-stride） + // 混合受益/受损的案例（如转置 B[i][j]=A[j][i]）实际性能中性或退化，不交换 + int benefit_count = 0; // 受益的访存数 + int harm_count = 0; // 受损的访存数 + int neutral_count = 0; // 不受影响的访存数 + int benefit_score = 0; + + for (auto& inst : nest.inner_body->GetInstructions()) { + if (inst->IsTerminator()) break; + + GetElementPtrInst* gep = nullptr; + bool is_load = false; + + if (auto* load = dynamic_cast(inst.get())) { + gep = dynamic_cast(load->GetPtr()); + is_load = true; + } else if (auto* store = dynamic_cast(inst.get())) { + gep = dynamic_cast(store->GetPtr()); + } else { + continue; + } + + if (!gep) continue; + + auto coeff = ComputeIVCoefficients(gep->GetIndex(), + nest.outer_passthrough_phi, + nest.inner_iv_phi); + int contrib = coeff.inner_coeff - coeff.outer_coeff; + benefit_score += contrib; + + // 分类：受益 / 受损 / 中性 + if (coeff.outer_coeff == 0 || coeff.inner_coeff == coeff.outer_coeff) { + neutral_count++; // 外层不参与或系数相等 → 交换无影响 + } else if (coeff.inner_coeff > coeff.outer_coeff) { + benefit_count++; // 内层 stride → 交换变 unit-stride + } else { + harm_count++; // 内层 unit-stride → 交换变 stride + } + + if (kDebugLoopInterchange) { + std::cerr << "[LoopInterchange] GEP base=" + << (gep->GetBasePtr() ? gep->GetBasePtr()->GetName() : "null") + << " " << (is_load ? "load" : "store") + << " inner_coeff=" << coeff.inner_coeff + << " outer_coeff=" << coeff.outer_coeff + << " contrib=" << contrib + << "\n"; + } + } + + // 仅当没有受损访存 且 至少有一个受益访存 且 总分 > 0 → 交换 + return (harm_count == 0) && (benefit_count > 0) && (benefit_score > 0); +} + +// =========================================================================== +// IR 变换（停点三实现） +// =========================================================================== + +void PerformInterchange(LoopNest& nest, Function* func, Context& ctx) { + if constexpr (!kEnableTransform) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] kEnableTransform=false, 跳过变换\n"; + return; + } + + if (kDebugLoopInterchange) { + std::cerr << "[LoopInterchange] 🔄 执行循环交换变换...\n"; + } + + // ===================================================================== + // Step 1: 移动增量指令 + // inner_inc (j++) 从 inner_body → inner_exit + // outer_inc (i++) 从 inner_exit → inner_body + // ===================================================================== + + // 先保存旧 cmp 的 operands（在 SSA 重写前） + Value* saved_outer_bound = nest.outer_bound; + Value* saved_inner_bound = nest.inner_bound; + BinaryInst* saved_inner_cmp = nest.inner_cmp; + BinaryInst* saved_outer_cmp = nest.outer_cmp; + + // 移动 inner_inc (j++): inner_body → inner_exit + auto inner_inc_owned = nest.inner_body->TakeInstruction(nest.inner_inc); + nest.inner_exit->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(inner_inc_owned)); + + // 移动 outer_inc (i++): inner_exit → inner_body + auto outer_inc_owned = nest.inner_exit->TakeInstruction(nest.outer_inc); + nest.inner_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(outer_inc_owned)); + + // ===================================================================== + // Step 2: 在 outer_header 创建新的 j-phi（新外层 IV） + // ===================================================================== + auto* new_outer_phi = nest.outer_header->Prepend( + Type::GetInt32Type(), ctx.NextTemp()); + + // 从旧 outer_iv_phi 获取 init 值 + Value* outer_init_val = nullptr; + BasicBlock* outer_init_bb = nullptr; + for (size_t i = 0; i < nest.outer_iv_phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(nest.outer_iv_phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb != nest.inner_exit) { + outer_init_val = nest.outer_iv_phi->GetOperand(i); + outer_init_bb = bb; + } + } + + new_outer_phi->AddOperand(outer_init_val); + new_outer_phi->AddOperand(outer_init_bb); + new_outer_phi->AddOperand(nest.inner_inc); // j++（现在在 inner_exit） + new_outer_phi->AddOperand(nest.inner_exit); + + // ===================================================================== + // Step 3: 在 inner_header 创建新的 i-phi（新内层 IV）和 j-passthrough + // ===================================================================== + auto* new_inner_phi = nest.inner_header->Prepend( + Type::GetInt32Type(), ctx.NextTemp()); + + // 从旧 inner_iv_phi 获取 init 值 + Value* inner_init_val = nullptr; + for (size_t i = 0; i < nest.inner_iv_phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(nest.inner_iv_phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb == nest.inner_preheader) { + inner_init_val = nest.inner_iv_phi->GetOperand(i); + break; + } + } + + new_inner_phi->AddOperand(inner_init_val); + new_inner_phi->AddOperand(nest.inner_preheader); + new_inner_phi->AddOperand(nest.outer_inc); // i++（现在在 inner_body） + new_inner_phi->AddOperand(nest.inner_body); + + // j-passthrough（自引用，把外层的 j 值传到内层 body） + auto* new_passthrough = nest.inner_header->Prepend( + Type::GetInt32Type(), ctx.NextTemp()); + + new_passthrough->AddOperand(new_outer_phi); // init = 当前外层的 j + new_passthrough->AddOperand(nest.inner_preheader); + new_passthrough->AddOperand(new_passthrough); // latch = self（不变） + new_passthrough->AddOperand(nest.inner_body); + + // ===================================================================== + // Step 4: SSA 引用重写 + // ===================================================================== + // 4a: outer_passthrough → new_inner_phi（body 中使用 i 的地方） + nest.outer_passthrough_phi->ReplaceAllUsesWith(new_inner_phi); + + // 4b: inner_iv_phi → new_passthrough（body 中使用 j 的地方） + nest.inner_iv_phi->ReplaceAllUsesWith(new_passthrough); + + // 4c: outer_iv_phi → new_outer_phi + nest.outer_iv_phi->ReplaceAllUsesWith(new_outer_phi); + + // ===================================================================== + // Step 5: 修正比较指令和增量指令 + // ===================================================================== + // inner_cmp: 从 slt j, inner_bound → slt i, outer_bound + saved_inner_cmp->SetOperand(0, new_inner_phi); + saved_inner_cmp->SetOperand(1, saved_outer_bound); + + // outer_cmp: 从 slt i, outer_bound → slt j, inner_bound + saved_outer_cmp->SetOperand(0, new_outer_phi); + saved_outer_cmp->SetOperand(1, saved_inner_bound); + + // inner_inc (j++): 旧引用 inner_iv_phi → new_passthrough，需改为 new_outer_phi + for (size_t i = 0; i < nest.inner_inc->GetNumOperands(); ++i) { + if (nest.inner_inc->GetOperand(i) == new_passthrough) { + nest.inner_inc->SetOperand(i, new_outer_phi); + break; + } + } + + // ===================================================================== + // Step 6: 删除旧 phi + // ===================================================================== + nest.outer_header->RemoveInstruction(nest.outer_iv_phi); + nest.inner_header->RemoveInstruction(nest.inner_iv_phi); + nest.inner_header->RemoveInstruction(nest.outer_passthrough_phi); + + if (kDebugLoopInterchange) { + std::cerr << "[LoopInterchange] ✅ 循环交换完成\n"; + } +} + +// =========================================================================== +// 主入口 +// =========================================================================== + +void RunLoopInterchangeOnFunction(Function* func, Context& ctx) { + int block_count = static_cast(func->GetBlocks().size()); + if (block_count > 500) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 跳过函数 " << func->GetName() + << "（" << block_count << " blocks，过大）\n"; + return; + } + + auto loops = FindLoops(func); + if (loops.empty()) return; + + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] 函数 " << func->GetName() + << " 检测到 " << loops.size() << " 个循环\n"; + + for (auto& loop : loops) { + auto nest_opt = DetectTwoDLoopNest(loop.get(), func); + + if (!nest_opt) { + if (kDebugLoopInterchange) + std::cerr << "[LoopInterchange] interchangeable: no\n" + << "[LoopInterchange] reason: not-perfect-nest\n"; + continue; + } + + auto& nest = *nest_opt; + + // 合法性检查 + if (!IsLegalToInterchange(nest)) { + std::cerr << "[LoopInterchange] interchangeable: no\n" + << "[LoopInterchange] reason: dependence-illegal\n"; + continue; + } + + std::cerr << "[LoopInterchange] interchangeable: yes\n"; + + // 收益分析 + if (!IsProfitableToInterchange(nest)) { + std::cerr << "[LoopInterchange] profitable: no\n" + << "[LoopInterchange] reason: not-worth-it\n"; + continue; + } + + std::cerr << "[LoopInterchange] profitable: yes\n" + << "[LoopInterchange] reason: better-unit-stride\n"; + + // IR 变换 + PerformInterchange(nest, func, ctx); + } +} + +} // anonymous namespace + +void RunLoopInterchange(Module& module) { + auto& ctx = module.GetContext(); + for (auto& func_ptr : module.GetFunctions()) { + auto* func = func_ptr.get(); + if (func->IsExternal()) continue; + RunLoopInterchangeOnFunction(func, ctx); + } +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/LoopUnroll.cpp b/src/ir/passes/LoopUnroll.cpp new file mode 100644 index 00000000..132974e7 --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/LoopUnroll.cpp @@ -0,0 +1,345 @@ +// 简单 countdown 循环全展开： +// - 处理形如 while(len) { body; len = len - 1; } 的递减循环 +// - 要求 body 为单 BB，len 初值为编译时常量且 ≤64 +// - 全展开后函数变为单 BB，可被 Inline 内联 +// - 配合 ConstFold 将 len/power 等常量传播到每次迭代 + +#include "ir/IR.h" + +#include +#include +#include + +namespace ir { + +namespace { + +// 检测递减循环模式，返回 (phi, trip_count) 或 nullptr +static PhiInst* DetectSimpleCountdown(BasicBlock* header, BasicBlock* body, + BasicBlock* exit_bb, int& trip_count) { + // 检查 body → header 回边 + bool has_backedge = false; + for (const auto& inst : body->GetInstructions()) { + if (auto* br = dynamic_cast(inst.get())) + if (br->GetTarget() == header) has_backedge = true; + } + if (!has_backedge) return nullptr; + + for (const auto& inst : header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) continue; + if (phi->GetNumOperands() < 4) continue; + + Value* val0 = phi->GetOperand(0); + BasicBlock* bb0 = dynamic_cast(phi->GetOperand(1)); + Value* val1 = phi->GetOperand(2); + BasicBlock* bb1 = dynamic_cast(phi->GetOperand(3)); + + Value* init_val = nullptr; + Value* update_val = nullptr; + if (bb0 != body && bb1 == body) { init_val = val0; update_val = val1; } + else if (bb1 != body && bb0 == body) { init_val = val1; update_val = val0; } + else continue; + + auto* init_c = dynamic_cast(init_val); + if (!init_c) continue; + int count = init_c->GetValue(); + if (count <= 0) continue; // 由下方成本阈值 kUnrollThreshold 控制展开上限，不再硬编码 64 + + auto* sub = dynamic_cast(update_val); + if (!sub || sub->GetOpcode() != Opcode::Sub) continue; + if (sub->GetLhs() != phi) continue; + auto* dec = dynamic_cast(sub->GetRhs()); + if (!dec || dec->GetValue() != 1) continue; + + // 检查退出条件 phi == 0 + bool exits = false; + for (const auto& inst : header->GetInstructions()) { + if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) { + Value* cond = cbr->GetCond(); + if (auto* outer = dynamic_cast(cond)) { + if (outer->GetOpcode() == Opcode::Ne) { + auto* rc = dynamic_cast(outer->GetRhs()); + if (rc && rc->GetValue() == 0) + if (auto* zext = dynamic_cast(outer->GetLhs())) + if (zext->GetOpcode() == Opcode::ZExt) cond = zext->GetOperandValue(); + } + } + if (auto* cmp = dynamic_cast(cond)) { + Value* other = nullptr; + if (cmp->GetLhs() == phi) other = cmp->GetRhs(); + else if (cmp->GetRhs() == phi) other = cmp->GetLhs(); + if (other && dynamic_cast(other)) { + auto* c = static_cast(other); + if (c->GetValue() == 0 && + (cbr->GetTrueTarget() == exit_bb || cbr->GetFalseTarget() == exit_bb)) + exits = true; + } + } + } + } + if (!exits) continue; + + trip_count = count; + return phi; + } + return nullptr; +} + +// 克隆指令 +static std::unique_ptr CloneInstruction( + Instruction* inst, + const std::unordered_map& value_map, + Context& ctx) { + auto map = [&](Value* v) -> Value* { + auto it = value_map.find(v); + return (it != value_map.end()) ? it->second : v; + }; + Opcode op = inst->GetOpcode(); + switch (op) { + case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul: + case Opcode::Div: case Opcode::Mod: + case Opcode::Eq: case Opcode::Ne: case Opcode::Lt: + case Opcode::Le: case Opcode::Gt: case Opcode::Ge: + case Opcode::And: case Opcode::Or: { + auto* bin = static_cast(inst); + return std::make_unique(op, inst->GetType(), + map(bin->GetLhs()), map(bin->GetRhs()), + ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Load: { + auto* load = static_cast(inst); + return std::make_unique(inst->GetType(), map(load->GetPtr()), + ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Store: { + auto* store = static_cast(inst); + return std::make_unique(inst->GetType(), map(store->GetValue()), + map(store->GetPtr())); + } + case Opcode::ZExt: { + auto* cast = static_cast(inst); + return std::make_unique(op, inst->GetType(), + map(cast->GetOperandValue()), ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::SIToFP: case Opcode::FPToSI: { + auto* cast = static_cast(inst); + return std::make_unique(op, inst->GetType(), + map(cast->GetOperandValue()), ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Br: { + auto* br = static_cast(inst); + return std::make_unique(inst->GetType(), br->GetTarget()); + } + case Opcode::CondBr: { + auto* cbr = static_cast(inst); + return std::make_unique(inst->GetType(), map(cbr->GetCond()), + cbr->GetTrueTarget(), cbr->GetFalseTarget()); + } + default: return nullptr; + } +} + +// 展开 countdown 循环 +static bool UnrollSimple(Function* func, BasicBlock* header, BasicBlock* body, + BasicBlock* exit_bb, PhiInst* phi, int trip_count, + Context& ctx) { + auto& fb = const_cast>&>(func->GetBlocks()); + + // 收集 body 指令（不含回边） + std::vector body_insts; + for (const auto& inst : body->GetInstructions()) { + if (auto* br = dynamic_cast(inst.get())) + if (br->GetTarget() == header) continue; + body_insts.push_back(inst.get()); + } + + // LLVM 风格展开成本阈值：UnrolledSize = (BodySize - 1) * TripCount + 1 + // 超过阈值则放弃展开，避免代码膨胀导致的 icache 缺失 + constexpr int kUnrollThreshold = 150; + int body_size = static_cast(body_insts.size()); + int unrolled_cost = (body_size > 0 ? body_size - 1 : 0) * trip_count + 1; + if (unrolled_cost > kUnrollThreshold) return false; + + // 找 preheader + BasicBlock* preheader = nullptr; + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (const auto& inst : bb->GetInstructions()) { + if (auto* br = dynamic_cast(inst.get())) + if (br->GetTarget() == header) { preheader = bb.get(); break; } + if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) + if (cbr->GetTrueTarget() == header || cbr->GetFalseTarget() == header) + { preheader = bb.get(); break; } + } + if (preheader) break; + } + + // 收集所有 header phi 的 init/latch 映射（用于跨迭代值追踪） + struct PhiInfo { Value* init_val; Value* latch_val; }; + std::unordered_map phi_info; + for (const auto& inst : header->GetInstructions()) { + auto* hphi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!hphi) break; + Value *v0 = hphi->GetOperand(0), *v1 = hphi->GetOperand(2); + BasicBlock *bb0 = dynamic_cast(hphi->GetOperand(1)); + BasicBlock *bb1 = dynamic_cast(hphi->GetOperand(3)); + if (bb0 != body && bb1 == body) + phi_info[hphi] = {v0, v1}; + else if (bb1 != body && bb0 == body) + phi_info[hphi] = {v1, v0}; + } + + // 跨迭代追踪所有 phi 值 + std::unordered_map curr_vals; + for (auto& [hphi, info] : phi_info) + curr_vals[hphi] = info.init_val; + + // 将所有迭代克隆到单个块中（使函数变为单 BB，可被 Inline 内联） + auto unrolled_bb = std::make_unique(ctx.NextTemp() + "_unroll"); + for (int iter = 0; iter < trip_count; ++iter) { + std::unordered_map vm; + + // 所有 header phi 替换为当前迭代值 + for (auto& [hphi, val] : curr_vals) + vm[hphi] = val; + // len phi 额外用常量覆盖 + vm[phi] = ctx.GetConstInt(trip_count - iter); + + for (auto* inst : body_insts) { + if (auto* bin = dynamic_cast(inst)) + if (bin->GetOpcode() == Opcode::Sub && bin->GetLhs() == phi) continue; + + auto cloned = CloneInstruction(inst, vm, ctx); + if (!cloned) continue; + vm[inst] = cloned.get(); + unrolled_bb->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(cloned)); + } + + // 更新下次迭代的 phi 值 + for (auto& [hphi, info] : phi_info) { + if (hphi == phi) continue; + auto it = vm.find(info.latch_val); + if (it != vm.end()) + curr_vals[hphi] = it->second; + } + } + + // 将 exit 块的 ret 指令直接放入展开块（使函数变为单 BB） + if (!exit_bb->GetInstructions().empty()) { + auto* exit_ret = exit_bb->GetInstructions().back().get(); + if (dynamic_cast(exit_ret)) { + auto taken = exit_bb->TakeInstruction(exit_ret); + unrolled_bb->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(taken)); + } + } + + // 用最后迭代的值替换所有 header phi 的剩余引用（如 exit 块中） + for (auto& [hphi, val] : curr_vals) + hphi->ReplaceAllUsesWith(val); + + // 修复 preheader 跳转到展开块 + if (preheader) { + auto& pi = const_cast>&>(preheader->GetInstructions()); + if (!pi.empty()) { + auto* term = pi.back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) + br->SetOperand(0, unrolled_bb.get()); + else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + if (cbr->GetTrueTarget() == header) cbr->SetOperand(1, unrolled_bb.get()); + if (cbr->GetFalseTarget() == header) cbr->SetOperand(2, unrolled_bb.get()); + } + } + } + + // 若 preheader 仅有 Br 指令，将展开块内容合并到 preheader（使函数单 BB） + if (preheader && preheader->GetInstructions().size() == 1 && + dynamic_cast(preheader->GetInstructions().back().get())) { + // 移除 preheader 的 Br + auto* pre_br = preheader->GetInstructions().back().get(); + preheader->TakeInstruction(pre_br); + // 移动展开块所有指令到 preheader + auto& u_insts = const_cast>&>( + unrolled_bb->GetInstructions()); + std::vector u_to_move; + for (auto& inst : u_insts) + u_to_move.push_back(inst.get()); + for (auto* inst : u_to_move) { + auto taken = unrolled_bb->TakeInstruction(inst); + preheader->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(taken)); + } + // unrolled_bb 现在是空的，后续不插入它 + } else { + // 修复 preheader 跳转到展开块 + if (preheader) { + auto& pi = const_cast>&>(preheader->GetInstructions()); + if (!pi.empty()) { + auto* term = pi.back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) + br->SetOperand(0, unrolled_bb.get()); + else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + if (cbr->GetTrueTarget() == header) cbr->SetOperand(1, unrolled_bb.get()); + if (cbr->GetFalseTarget() == header) cbr->SetOperand(2, unrolled_bb.get()); + } + } + } + } + + // 删除 header + body + exit + auto ipos = fb.begin(); + if (preheader) { + for (auto it = fb.begin(); it != fb.end(); ++it) + if (it->get() == preheader) { ipos = it + 1; break; } + } + // 若展开块已空（已合并到 preheader），不插入 + if (!unrolled_bb->GetInstructions().empty()) { + ipos = fb.insert(ipos, std::move(unrolled_bb)) + 1; + } + fb.erase(std::remove_if(fb.begin(), fb.end(), + [&](const std::unique_ptr& bb) { + return bb.get() == header || bb.get() == body || + bb.get() == exit_bb; + }), fb.end()); + return true; +} + +} // namespace + +void RunLoopUnroll(Module& module) { + int unrolled = 0; + for (auto& func : module.GetFunctions()) { + if (func->IsExternal()) continue; + // 只处理 i32 返回值函数（float 循环体含不支持克隆的操作） + if (!func->GetType()->IsInt32()) continue; + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (const auto& inst : bb->GetInstructions()) { + auto* br = dynamic_cast(inst.get()); + if (!br) continue; + BasicBlock* target = br->GetTarget(); + for (const auto& tgt_inst : target->GetInstructions()) { + auto* cbr = dynamic_cast(tgt_inst.get()); + if (!cbr) continue; + BasicBlock *t = cbr->GetTrueTarget(), *f = cbr->GetFalseTarget(); + BasicBlock *body = nullptr, *exit_bb = nullptr; + if (t == bb.get()) { body = t; exit_bb = f; } + else if (f == bb.get()) { body = f; exit_bb = t; } + if (!body || !exit_bb || body == target || exit_bb == target) continue; + + int tc = 0; + auto* phi = DetectSimpleCountdown(target, body, exit_bb, tc); + if (!phi) continue; + if (UnrollSimple(func.get(), target, body, exit_bb, phi, tc, + module.GetContext())) { + ++unrolled; changed = true; goto next_func; + } + } + } + } + next_func:; + } + } +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/LoopVectorize.cpp b/src/ir/passes/LoopVectorize.cpp new file mode 100644 index 00000000..e7a47b4e --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/LoopVectorize.cpp @@ -0,0 +1,795 @@ +// LoopVectorize：自动向量化 pass +// - 检测单 BB 计数循环（while(i 向量化循环 + 标量残余循环 +// - 向量化因子 VF=4，仅支持 i32 数组操作 + +#include "ir/IR.h" + +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +namespace ir { + +namespace { + +// 向量化配置 +constexpr int kVF = 4; // 向量化因子：4×i32 = 128-bit NEON + +// BFS 检查从 start 是否能到达 target（不经过 exclude） +static bool CanReach(BasicBlock* start, BasicBlock* target, BasicBlock* exclude, + std::unordered_map>& succs, + int max_depth = 20) { + if (start == target) return true; + std::unordered_set visited{start, exclude}; + std::vector queue{start}; + int depth = 0; + while (!queue.empty() && depth < max_depth) { + std::vector next; + for (auto* bb : queue) { + for (auto* succ : succs[bb]) { + if (succ == target) return true; + if (visited.insert(succ).second) next.push_back(succ); + } + } + queue = std::move(next); + depth++; + } + return false; +} + +// 计算函数的后继映射 +static std::unordered_map> +ComputeSuccessors(Function* func) { + std::unordered_map> succs; + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (auto& inst : bb->GetInstructions()) { + if (auto* br = dynamic_cast(inst.get())) + succs[bb.get()].push_back(br->GetTarget()); + else if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) { + succs[bb.get()].push_back(cbr->GetTrueTarget()); + succs[bb.get()].push_back(cbr->GetFalseTarget()); + } + } + } + return succs; +} + +// 检测简单计数循环：header 中有 phi(init, latch_val) + cmp slt + condbr +// body 是 CondBr 中能回到 header 的那个目标，latch 是 phi 中来自循环内部的块 +static PhiInst* DetectCountedLoop(BasicBlock* header, BasicBlock* body, + BasicBlock* exit_bb, + Value*& trip_count_val, Value*& step_val, + std::unordered_map>& succs) { + // 找 phi: i = phi(init, i.next)，其中一个来源在循环外部，另一个在内部 + PhiInst* ind_phi = nullptr; + BasicBlock* latch_bb = nullptr; // 循环内部到达 header 的块 + + for (const auto& inst : header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + if (phi->GetNumOperands() < 4) continue; + + Value* v0 = phi->GetOperand(0); + BasicBlock* bb0 = dynamic_cast(phi->GetOperand(1)); + Value* v1 = phi->GetOperand(2); + BasicBlock* bb1 = dynamic_cast(phi->GetOperand(3)); + + // 检查哪个来源在循环内（能回到 header 或等于 body） + bool bb0_in_loop = (bb0 == body) || CanReach(body, bb0, header, succs); + bool bb1_in_loop = (bb1 == body) || CanReach(body, bb1, header, succs); + + if (!bb0_in_loop && bb1_in_loop) { + // 跳过自引用 passthrough（latch 值 == phi 自身） + if (v1 == phi) continue; + ind_phi = phi; latch_bb = bb1; + } else if (bb0_in_loop && !bb1_in_loop) { + // 跳过自引用 passthrough + if (v0 == phi) continue; + ind_phi = phi; latch_bb = bb0; + } + if (ind_phi) break; + } + if (!ind_phi) return nullptr; + + // 从 latch_bb 获取归约变量的更新值 + Value* latch_val = nullptr; + Value* v0 = ind_phi->GetOperand(0); + BasicBlock* bb0 = dynamic_cast(ind_phi->GetOperand(1)); + if (bb0 == latch_bb) latch_val = v0; + else latch_val = ind_phi->GetOperand(2); + + auto* increment = dynamic_cast(latch_val); + if (!increment || increment->GetOpcode() != Opcode::Add) return nullptr; + + Value* step = nullptr; + if (increment->GetLhs() == ind_phi) step = increment->GetRhs(); + else if (increment->GetRhs() == ind_phi) step = increment->GetLhs(); + else return nullptr; + + step_val = step; + + // 查找退出条件：cmp slt %i, %n（可能需要穿透 zext+icmp ne 包装） + for (const auto& inst : header->GetInstructions()) { + auto* cbr = dynamic_cast(inst.get()); + if (!cbr) continue; + if (cbr->GetTrueTarget() != body && cbr->GetFalseTarget() != body) continue; + + Value* cond_val = cbr->GetCond(); + // 穿透 zext(i1 → i32) + icmp ne(..., 0) 包装 + if (auto* outer = dynamic_cast(cond_val)) { + if (outer->GetOpcode() == Opcode::Ne) { + auto* rc = dynamic_cast(outer->GetRhs()); + if (rc && rc->GetValue() == 0) + if (auto* zext = dynamic_cast(outer->GetLhs())) + if (zext->GetOpcode() == Opcode::ZExt) + cond_val = zext->GetOperandValue(); + } + } + + auto* cmp = dynamic_cast(cond_val); + if (!cmp) continue; + if (cmp->GetOpcode() != Opcode::Lt && cmp->GetOpcode() != Opcode::Le) continue; + + Value* other = nullptr; + if (cmp->GetLhs() == ind_phi) other = cmp->GetRhs(); + else if (cmp->GetRhs() == ind_phi) other = cmp->GetLhs(); + else continue; + + trip_count_val = other; + return ind_phi; + } + + return nullptr; +} + +// 检查指令是否可以向量化（无副作用、无函数调用、无浮点除法） +static bool IsVectorizableInst(Instruction* inst) { + switch (inst->GetOpcode()) { + case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul: + case Opcode::Load: case Opcode::Store: + case Opcode::GEP: + case Opcode::Br: + return true; + case Opcode::Div: case Opcode::Mod: + // 整数除法和取模也可以向量化（NEON 不支持，但可用标量） + return false; + default: + return false; + } +} + +// 检查值在循环内是否不随归纳变量变化（循环不变量） +// 递归检查：常量和全局变量是不变量；phi 若来源全在循环外也是不变量 +static bool IsLoopInvariant(Value* val, BasicBlock* header, BasicBlock* body, + PhiInst* ind_phi) { + if (dynamic_cast(val)) return true; + if (dynamic_cast(val)) return true; + if (dynamic_cast(val)) return true; + if (dynamic_cast(val)) return true; + if (val == ind_phi) return false; + + if (auto* inst = dynamic_cast(val)) { + BasicBlock* parent = inst->GetParent(); + // 循环外的指令一定是不变量 + if (parent != header && parent != body) return true; + // 在 header 中的 phi：检查其操作数是否都不依赖归纳变量 + if (auto* phi = dynamic_cast(inst)) { + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + Value* op = phi->GetOperand(i); + if (op == phi) continue; // 自引用 passthrough → loop-invariant + if (!IsLoopInvariant(op, header, body, ind_phi)) return false; + } + return true; + } + // 其他在循环内的指令：检查其操作数是否都不依赖归纳变量 + for (size_t i = 0; i < inst->GetNumOperands(); i++) { + if (!IsLoopInvariant(inst->GetOperand(i), header, body, ind_phi)) + return false; + } + return true; + } + return false; +} + +// 检查循环是否适合向量化 +static bool CanVectorizeLoop(BasicBlock* header, BasicBlock* body, + BasicBlock* /*exit_bb*/, PhiInst* ind_phi) { + // 检查 header 中除了归纳变量 phi 外，是否有跨迭代依赖的 phi + // 允许自引用 passthrough phi（Loop Interchange 产生的），拒绝累加器等归约 phi + for (const auto& inst : header->GetInstructions()) { + auto* phi = dynamic_cast(inst.get()); + if (!phi) break; + if (phi == ind_phi) continue; + // 检查是否是自引用 passthrough（latch 操作数为 phi 自身） + bool is_passthrough = false; + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* bb = dynamic_cast(phi->GetOperand(i + 1)); + if (bb == body && phi->GetOperand(i) == phi) { + is_passthrough = true; + break; + } + } + if (!is_passthrough) { + // 额外 phi 不是 passthrough → 可能是归约累加器，拒绝 + return false; + } + } + + // 检查 body 中的所有指令 + bool has_load = false; + bool has_store = false; + for (const auto& inst : body->GetInstructions()) { + auto* br = dynamic_cast(inst.get()); + if (br) continue; // terminator + + if (!IsVectorizableInst(inst.get())) return false; + + if (dynamic_cast(inst.get())) has_load = true; + if (dynamic_cast(inst.get())) has_store = true; + + // GEP 必须使用归纳变量作为索引，步长必须为 1（或循环不变量） + if (auto* gep = dynamic_cast(inst.get())) { + Value* idx = gep->GetIndex(); + if (idx == ind_phi) continue; // stride = 1, OK + if (IsLoopInvariant(idx, header, body, ind_phi)) continue; // invariant base, OK + // 检查是否是 ind_phi + loop_invariant 的形式 + if (auto* bin = dynamic_cast(idx)) { + if (bin->GetOpcode() == Opcode::Add || bin->GetOpcode() == Opcode::Sub) { + if (bin->GetLhs() == ind_phi && IsLoopInvariant(bin->GetRhs(), header, body, ind_phi)) + continue; + if (bin->GetRhs() == ind_phi && IsLoopInvariant(bin->GetLhs(), header, body, ind_phi)) + continue; + } + } + return false; // complex index + } + } + + // Load+Store 混合循环：MIR 层已支持 LdrQ/StrQ，向量计算产生 <4 x i32>，直接向量 Store + // Store-only 循环需额外检查：若存储值非归纳变量且非常量/不变量， + // 需拒绝——CloneAsVector 无法将标量表达式转为向量（缺少 VectorSplat） + if (!has_load && has_store) { + for (const auto& inst : body->GetInstructions()) { + auto* store = dynamic_cast(inst.get()); + if (!store) continue; + Value* sv = store->GetValue(); + // 归纳变量本身：展开时逐元素加偏移 → OK + if (sv == ind_phi) continue; + // 常量：展开时同值存4路 → OK + if (dynamic_cast(sv)) continue; + // 循环不变量：展开时同值存4路 → OK + if (IsLoopInvariant(sv, header, body, ind_phi)) continue; + // 其他表达式（如 constant + ind_phi）：无法正确向量化 → 拒绝 + return false; + } + } + + return true; +} + +// 克隆指令，可选地将标量类型替换为向量类型 +static std::unique_ptr CloneAsVector( + Instruction* inst, + const std::unordered_map& value_map, + Context& ctx) { + auto map = [&](Value* v) -> Value* { + auto it = value_map.find(v); + return (it != value_map.end()) ? it->second : v; + }; + + Opcode op = inst->GetOpcode(); + switch (op) { + case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul: { + auto* bin = static_cast(inst); + Value* lhs = map(bin->GetLhs()); + Value* rhs = map(bin->GetRhs()); + // 仅当两个操作数都是向量时才生成向量运算 + // 标量操作数保持标量（如 dst_pos + i → GEP 索引） + bool lhs_vec = lhs->GetType() && lhs->GetType()->IsVector(); + bool rhs_vec = rhs->GetType() && rhs->GetType()->IsVector(); + if (lhs_vec && rhs_vec) { + auto vec_ty = Type::GetVector(Type::GetInt32Type(), kVF); + return std::make_unique(op, vec_ty, lhs, rhs, ctx.NextTemp()); + } + return std::make_unique(op, bin->GetType(), lhs, rhs, ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Load: { + auto* load = static_cast(inst); + auto vec_ty = Type::GetVector(Type::GetInt32Type(), kVF); + return std::make_unique(vec_ty, map(load->GetPtr()), ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Store: { + auto* store = static_cast(inst); + return std::make_unique(Type::GetVoidType(), + map(store->GetValue()), + map(store->GetPtr())); + } + case Opcode::GEP: { + auto* gep = static_cast(inst); + return std::make_unique(gep->GetType(), + map(gep->GetBasePtr()), + map(gep->GetIndex()), + ctx.NextTemp()); + } + default: + return nullptr; + } +} + +// 克隆标量指令（用于残余循环） +static std::unique_ptr CloneScalar( + Instruction* inst, + const std::unordered_map& value_map, + Context& ctx) { + auto map = [&](Value* v) -> Value* { + auto it = value_map.find(v); + return (it != value_map.end()) ? it->second : v; + }; + + Opcode op = inst->GetOpcode(); + switch (op) { + case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul: + case Opcode::Div: case Opcode::Mod: + case Opcode::Eq: case Opcode::Ne: case Opcode::Lt: + case Opcode::Le: case Opcode::Gt: case Opcode::Ge: { + auto* bin = static_cast(inst); + return std::make_unique(op, inst->GetType(), + map(bin->GetLhs()), map(bin->GetRhs()), + ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Load: { + auto* load = static_cast(inst); + return std::make_unique(inst->GetType(), map(load->GetPtr()), + ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::Store: { + auto* store = static_cast(inst); + return std::make_unique(Type::GetVoidType(), + map(store->GetValue()), + map(store->GetPtr())); + } + case Opcode::GEP: { + auto* gep = static_cast(inst); + return std::make_unique(gep->GetType(), + map(gep->GetBasePtr()), + map(gep->GetIndex()), + ctx.NextTemp()); + } + case Opcode::ZExt: { + auto* cast = static_cast(inst); + return std::make_unique(op, inst->GetType(), + map(cast->GetOperandValue()), ctx.NextTemp()); + } + default: + return nullptr; + } +} + +// 向量化单个循环：header + body → vec_header + vec_body + scalar_header + scalar_body +static bool VectorizeLoop(Function* func, BasicBlock* header, BasicBlock* body, + BasicBlock* exit_bb, PhiInst* ind_phi, + Value* trip_count_val, Context& ctx) { + auto& fb = const_cast>&>(func->GetBlocks()); + + // 收集 body 指令（不含 terminator） + std::vector body_insts; + for (const auto& inst : body->GetInstructions()) { + if (dynamic_cast(inst.get())) continue; + body_insts.push_back(inst.get()); + } + + // 找 preheader + BasicBlock* preheader = nullptr; + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (const auto& inst : bb->GetInstructions()) { + if (auto* br = dynamic_cast(inst.get())) + if (br->GetTarget() == header) { preheader = bb.get(); break; } + if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) + if (cbr->GetTrueTarget() == header || cbr->GetFalseTarget() == header) + { preheader = bb.get(); break; } + } + if (preheader) break; + } + if (!preheader) return false; + + // 获取归纳变量初始值 + Value* init_val = nullptr; + { + Value* v0 = ind_phi->GetOperand(0); + BasicBlock* bb0 = dynamic_cast(ind_phi->GetOperand(1)); + Value* v1 = ind_phi->GetOperand(2); + BasicBlock* bb1 = dynamic_cast(ind_phi->GetOperand(3)); + if (bb0 != body && bb1 == body) init_val = v0; + else if (bb1 != body && bb0 == body) init_val = v1; + } + if (!init_val) return false; + + // 额外安全检查：init_val 和 trip_count_val 必须有效 + if (!init_val->GetType() || !init_val->GetType()->IsInt32()) return false; + + // 在 preheader 中计算向量化循环上界: n_rounded = n - (n % VF) + auto* mod_val = ctx.GetConstInt(kVF); + auto n_mod_inst = std::make_unique(Opcode::Mod, Type::GetInt32Type(), + trip_count_val, mod_val, ctx.NextTemp()); + auto* n_mod = n_mod_inst.get(); + preheader->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(n_mod_inst)); + + auto n_sub_inst = std::make_unique(Opcode::Sub, Type::GetInt32Type(), + trip_count_val, n_mod, ctx.NextTemp()); + auto* n_sub = n_sub_inst.get(); + preheader->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(n_sub_inst)); + + // === 创建向量化循环 === + auto vec_header = std::make_unique(ctx.NextTemp() + "_vech"); + auto vec_body = std::make_unique(ctx.NextTemp() + "_vecb"); + + // vec_header phi: 先用 init_val 占位 backedge value（后续 SetOperand 替换） + auto* vec_phi = vec_header->Append(Type::GetInt32Type(), ctx.NextTemp()); + vec_phi->AddOperand(init_val); + vec_phi->AddOperand(preheader); + vec_phi->AddOperand(init_val); // 占位，后续替换为 vec_step_val + vec_phi->AddOperand(vec_body.get()); + + // 构建 vec_body + std::unordered_map vec_vm; + vec_vm[ind_phi] = vec_phi; + + // 找到归纳变量的更新指令（phi 中来自 latch 块的操作数） + // 仅跳过这一条指令，不能跳过所有涉及 ind_phi 的 Add + // （如 dst_pos + i 涉及 ind_phi 但不是更新指令） + Instruction* latch_update = nullptr; + { + Value* v0 = ind_phi->GetOperand(0); + BasicBlock* bb0 = dynamic_cast(ind_phi->GetOperand(1)); + Value* v1 = ind_phi->GetOperand(2); + BasicBlock* bb1 = dynamic_cast(ind_phi->GetOperand(3)); + if (bb0 == body) latch_update = dynamic_cast(v0); + else if (bb1 == body) latch_update = dynamic_cast(v1); + } + + for (auto* orig_inst : body_insts) { + // 仅跳过归纳变量的更新指令（如 i = i + 1）， + // 不跳过其他使用归纳变量的指令（如 dst_pos + i） + if (orig_inst == latch_update) + continue; + + // GEP 不跳过——CloneAsVector 会创建映射 + // Store 需要展开处理：在映射的 GEP 基础上追加 off=1,2,3 的 GEP+Store + + if (auto* store = dynamic_cast(orig_inst)) { + Value* stored_val = store->GetValue(); + auto vm_it = vec_vm.find(stored_val); + if (vm_it != vec_vm.end()) stored_val = vm_it->second; + + Value* mapped_ptr = store->GetPtr(); + auto ptr_it = vec_vm.find(mapped_ptr); + if (ptr_it != vec_vm.end()) mapped_ptr = ptr_it->second; + + // 若存储值已是向量（load+compute 产生 <4 x i32>），直接向量 store → str q + // 若存储值是标量，需展开为 4 路标量 store（归纳变量加偏移，常量/不变量同值） + bool stored_is_vector = stored_val && stored_val->GetType() && stored_val->GetType()->IsVector(); + if (!stored_is_vector) { + bool stored_is_indvar = (stored_val == vec_phi); + Value* base_ptr = nullptr; + Value* orig_idx = vec_phi; + if (auto* mapped_gep = dynamic_cast(mapped_ptr)) { + base_ptr = mapped_gep->GetBasePtr(); + orig_idx = mapped_gep->GetIndex(); + } + for (int off = 0; off < kVF; off++) { + Value* gep_idx = orig_idx; + if (off > 0) { + auto off_inst = std::make_unique(Opcode::Add, Type::GetInt32Type(), + orig_idx, ctx.GetConstInt(off), + ctx.NextTemp()); + gep_idx = off_inst.get(); + vec_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(off_inst)); + } + auto gep = std::make_unique(Type::GetPtrInt32Type(), + base_ptr, gep_idx, ctx.NextTemp()); + auto* gep_ptr = gep.get(); + vec_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(gep)); + + Value* elem_val = stored_val; + if (stored_is_indvar && off > 0) { + auto off_val = std::make_unique(Opcode::Add, Type::GetInt32Type(), + stored_val, ctx.GetConstInt(off), + ctx.NextTemp()); + elem_val = off_val.get(); + vec_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(off_val)); + } + auto s = std::make_unique(Type::GetVoidType(), elem_val, gep_ptr); + vec_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(s)); + } + } else { + // 向量 store：<4 x i32> 值直接通过 i32* 指针存储，MIR 降为 str q + auto vs = std::make_unique(Type::GetVoidType(), stored_val, mapped_ptr); + vec_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(vs)); + } + continue; + } + + auto cloned = CloneAsVector(orig_inst, vec_vm, ctx); + if (!cloned) return false; + vec_vm[orig_inst] = cloned.get(); + vec_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(cloned)); + } + + auto* vec_step_val = vec_body->Append(Opcode::Add, Type::GetInt32Type(), + vec_phi, ctx.GetConstInt(kVF), + ctx.NextTemp()); + vec_body->Append(Type::GetVoidType(), vec_header.get()); + + vec_phi->SetOperand(2, vec_step_val); + + // vec_header 条件 + 终止指令 (false target 先用 exit_bb 占位，后续修复) + auto* vec_cond = vec_header->Append(Opcode::Lt, Type::GetInt1Type(), + vec_phi, n_sub, ctx.NextTemp()); + vec_header->Append(Type::GetVoidType(), vec_cond, + vec_body.get(), exit_bb); + + // === 创建标量残余循环 === + auto scalar_header = std::make_unique(ctx.NextTemp() + "_sch"); + auto scalar_body = std::make_unique(ctx.NextTemp() + "_scb"); + + auto* scalar_phi = scalar_header->Append(Type::GetInt32Type(), ctx.NextTemp()); + scalar_phi->AddOperand(vec_phi); // 从向量循环来 + scalar_phi->AddOperand(vec_header.get()); + scalar_phi->AddOperand(vec_phi); // 占位，后续替换为 scalar_step_val + scalar_phi->AddOperand(scalar_body.get()); + + std::unordered_map scalar_vm; + scalar_vm[ind_phi] = scalar_phi; + for (auto* orig_inst : body_insts) { + // 仅跳过归纳变量更新指令 + if (orig_inst == latch_update) + continue; + auto cloned = CloneScalar(orig_inst, scalar_vm, ctx); + if (!cloned) return false; // 无法克隆，中止 + scalar_vm[orig_inst] = cloned.get(); + scalar_body->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(cloned)); + } + + auto* scalar_step_val = scalar_body->Append(Opcode::Add, Type::GetInt32Type(), + scalar_phi, ctx.GetConstInt(1), + ctx.NextTemp()); + scalar_body->Append(Type::GetVoidType(), scalar_header.get()); + scalar_phi->SetOperand(2, scalar_step_val); + + auto* scalar_cond = scalar_header->Append(Opcode::Lt, Type::GetInt1Type(), + scalar_phi, trip_count_val, + ctx.NextTemp()); + scalar_header->Append(Type::GetVoidType(), scalar_cond, + scalar_body.get(), exit_bb); + + + // 修复 vec_header CondBr 的 false→scalar_header（之前用 exit_bb 占位） + { + auto& vi = const_cast>&>( + vec_header->GetInstructions()); + for (auto& inst : vi) { + if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) { + cbr->SetOperand(2, scalar_header.get()); + } + } + } + + // 修复 preheader 跳转到 vec_header + { + auto& pi = const_cast>&>( + preheader->GetInstructions()); + if (!pi.empty()) { + auto* term = pi.back().get(); + if (auto* br = dynamic_cast(term)) + br->SetOperand(0, vec_header.get()); + else if (auto* cbr = dynamic_cast(term)) { + if (cbr->GetTrueTarget() == header) cbr->SetOperand(1, vec_header.get()); + if (cbr->GetFalseTarget() == header) cbr->SetOperand(2, vec_header.get()); + } + } + } + + // 修复其他块中对旧 header/body 的引用（phi 节点、跳转目标等） + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (auto& inst : bb->GetInstructions()) { + // 修复 phi 节点中的块引用 + if (auto* phi = dynamic_cast(inst.get())) { + for (size_t i = 1; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto* src = dynamic_cast(phi->GetOperand(i)); + if (src == header) phi->SetOperand(i, scalar_header.get()); + else if (src == body) phi->SetOperand(i, scalar_body.get()); + } + } + // 修复跳转目标 + if (auto* br = dynamic_cast(inst.get())) { + if (br->GetTarget() == header) br->SetOperand(0, scalar_header.get()); + else if (br->GetTarget() == body) br->SetOperand(0, scalar_body.get()); + } + if (auto* cbr = dynamic_cast(inst.get())) { + if (cbr->GetTrueTarget() == header) cbr->SetOperand(1, scalar_header.get()); + if (cbr->GetFalseTarget() == header) cbr->SetOperand(2, scalar_header.get()); + if (cbr->GetTrueTarget() == body) cbr->SetOperand(1, scalar_body.get()); + if (cbr->GetFalseTarget() == body) cbr->SetOperand(2, scalar_body.get()); + } + } + } + + // 将所有对旧 ind_phi 的引用替换为 scalar_phi + ind_phi->ReplaceAllUsesWith(scalar_phi); + + // 插入新块 + auto ipos = fb.begin(); + for (auto it = fb.begin(); it != fb.end(); ++it) + if (it->get() == preheader) { ipos = it + 1; break; } + + ipos = fb.insert(ipos, std::move(vec_header)) + 1; + ipos = fb.insert(ipos, std::move(vec_body)) + 1; + ipos = fb.insert(ipos, std::move(scalar_header)) + 1; + ipos = fb.insert(ipos, std::move(scalar_body)) + 1; + + // 递归克隆旧块中的值到 preheader，避免清空后产生悬垂指针 + // 使用缓存防止重复克隆同一值 + std::unordered_map clone_cache; + std::function clone_to_preheader = [&](Value* val) -> Value* { + if (!val) return nullptr; + // 已克隆过 + auto cache_it = clone_cache.find(val); + if (cache_it != clone_cache.end()) return cache_it->second; + // 不是指令或不在旧块中——无需克隆 + auto* inst = dynamic_cast(val); + if (!inst) { clone_cache[val] = val; return val; } + auto* parent = inst->GetParent(); + if (parent != header && parent != body) { clone_cache[val] = val; return val; } + // 递归克隆操作数 + std::unique_ptr cloned; + Opcode op = inst->GetOpcode(); + switch (op) { + case Opcode::Add: case Opcode::Sub: case Opcode::Mul: + case Opcode::Div: case Opcode::Mod: + case Opcode::Eq: case Opcode::Ne: case Opcode::Lt: + case Opcode::Le: case Opcode::Gt: case Opcode::Ge: { + auto* bin = static_cast(inst); + Value* new_lhs = clone_to_preheader(bin->GetLhs()); + Value* new_rhs = clone_to_preheader(bin->GetRhs()); + cloned = std::make_unique(op, bin->GetType(), + new_lhs, new_rhs, ctx.NextTemp()); + break; + } + case Opcode::Load: { + auto* load = static_cast(inst); + Value* new_ptr = clone_to_preheader(load->GetPtr()); + cloned = std::make_unique(load->GetType(), new_ptr, ctx.NextTemp()); + break; + } + case Opcode::GEP: { + auto* gep = static_cast(inst); + Value* new_base = clone_to_preheader(gep->GetBasePtr()); + Value* new_idx = clone_to_preheader(gep->GetIndex()); + cloned = std::make_unique(gep->GetType(), new_base, new_idx, + ctx.NextTemp()); + break; + } + case Opcode::SIToFP: case Opcode::FPToSI: case Opcode::ZExt: { + auto* cast = static_cast(inst); + Value* new_op = clone_to_preheader(cast->GetOperandValue()); + cloned = std::make_unique(op, cast->GetType(), new_op, ctx.NextTemp()); + break; + } + default: + clone_cache[val] = val; + return val; // 无法克隆（phi/alloc/call 等），保持原位 + } + auto* result = cloned.get(); + preheader->InsertInstructionBeforeTerminator(std::move(cloned)); + clone_cache[val] = result; + return result; + }; + + // 扫描所有块，修复对旧块指令的引用（替换为 preheader 克隆） + for (auto& bb : func->GetBlocks()) { + if (bb.get() == header || bb.get() == body) continue; + for (auto& inst : bb->GetInstructions()) { + for (size_t i = 0; i < inst->GetNumOperands(); i++) { + Value* new_op = clone_to_preheader(inst->GetOperand(i)); + if (new_op != inst->GetOperand(i)) inst->SetOperand(i, new_op); + } + } + } + + // 清空旧块指令（先断开 use-list，再销毁），保留空块由 CFGSimplify 清理 + for (auto* old_bb : {header, body}) { + for (auto& inst : old_bb->GetInstructions()) { + for (size_t i = 0; i < inst->GetNumOperands(); ++i) { + auto* op = inst->GetOperand(i); + if (op) op->RemoveUse(inst.get(), i); + } + } + auto& insts = const_cast>&>( + old_bb->GetInstructions()); + insts.clear(); + } + + return true; +} + +} // namespace + +void RunLoopVectorize(Module& module) { + int vectorized = 0; + for (auto& func : module.GetFunctions()) { + if (func->IsExternal()) continue; + if (!func->GetType()->IsInt32()) continue; + + // 跳过过于复杂的函数：块太多或指令太多，向量化收益小风险大 + auto succs = ComputeSuccessors(func.get()); + + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + + // 收集所有可向量化循环，避免迭代中修改块列表 + struct Candidate { BasicBlock* header; BasicBlock* body; BasicBlock* exit_bb; + PhiInst* ind_phi; Value* trip_count; }; + std::vector candidates; + + for (const auto& bb : func->GetBlocks()) { + for (const auto& inst : bb->GetInstructions()) { + auto* cbr = dynamic_cast(inst.get()); + if (!cbr) continue; + + BasicBlock *t = cbr->GetTrueTarget(), *f = cbr->GetFalseTarget(); + bool t_reaches = CanReach(t, bb.get(), f, succs); + bool f_reaches = CanReach(f, bb.get(), t, succs); + + BasicBlock *body = nullptr, *exit_bb = nullptr; + if (t_reaches && !f_reaches) { body = t; exit_bb = f; } + else if (f_reaches && !t_reaches) { body = f; exit_bb = t; } + else continue; + + if (body == bb.get() || exit_bb == bb.get()) continue; + + // 防止无限递归：不向量化自己生成的标量残余循环 + const auto& hdr_name = bb->GetName(); + if (hdr_name.find("_sch") != std::string::npos || + hdr_name.find("_scb") != std::string::npos || + hdr_name.find("_vech") != std::string::npos || + hdr_name.find("_vecb") != std::string::npos) + continue; + + Value* trip_count = nullptr; + Value* step = nullptr; + auto* ind_phi = DetectCountedLoop(bb.get(), body, exit_bb, trip_count, step, succs); + if (!ind_phi || !trip_count || !step) continue; + + auto* step_c = dynamic_cast(step); + if (!step_c || step_c->GetValue() != 1) continue; + + if (!CanVectorizeLoop(bb.get(), body, exit_bb, ind_phi)) continue; + if (!trip_count->GetType() || !trip_count->GetType()->IsInt32()) continue; + + candidates.push_back({bb.get(), body, exit_bb, ind_phi, trip_count}); + } + } + + // 向量化第一个候选（每个函数只向量化一个最外层循环） + for (const auto& c : candidates) { + try { + if (VectorizeLoop(func.get(), c.header, c.body, c.exit_bb, + c.ind_phi, c.trip_count, module.GetContext())) { + ++vectorized; + changed = true; + succs = ComputeSuccessors(func.get()); // 刷新后继映射 + break; // 修改了块列表，重新扫描 + } + } catch (...) {} + } + } + } +} + +} // namespace ir diff --git a/src/ir/passes/SCCP.cpp b/src/ir/passes/SCCP.cpp new file mode 100644 index 00000000..458e5b96 --- /dev/null +++ b/src/ir/passes/SCCP.cpp @@ -0,0 +1,261 @@ +// SCCP：稀疏条件常量传播 +// DEBUG：定位 SIGSEGV 根因 + +#include "ir/IR.h" +#include +#include +#include + +namespace ir { + +namespace { + +enum class LS : uint8_t { Undef, Const, Overdef }; + +static bool RunOnFunction(Function &F, Context *ctx) { + // 跳过向量函数 + for (auto &bb : F.GetBlocks()) + for (auto &i : bb->GetInstructions()) + if (i->GetType()->IsVector()) return false; + + std::unordered_map lat_vals; // -1=undef, -2=overdef, >=0=constant + std::unordered_set exec; + std::queue bw; + std::queue iw; + + // 初始化 + for (auto &bb : F.GetBlocks()) { + for (auto &i : bb->GetInstructions()) { + lat_vals[i.get()] = -1; // undef + if (auto *ci = dynamic_cast(i.get())) + lat_vals[i.get()] = ci->GetValue(); // constant + } + } + for (auto &p : F.GetParams()) + lat_vals[p.get()] = -2; // overdef + + auto *e = F.GetEntry(); + if (!e) return false; + exec.insert(e); + bw.push(e); + + auto get_lat = [&](Value *v) -> int { + auto it = lat_vals.find(v); + return it != lat_vals.end() ? it->second : -2; // default overdef + }; + + auto mark_exec = [&](BasicBlock *bb) { + if (exec.insert(bb).second) { + bw.push(bb); + for (auto &i : bb->GetInstructions()) { + if (dynamic_cast(i.get())) + iw.push(i.get()); + } + } + }; + + while (!bw.empty() || !iw.empty()) { + while (!iw.empty()) { + auto *I = iw.front(); iw.pop(); + auto *bb = I->GetParent(); + if (!bb || !exec.count(bb)) continue; + + if (auto *phi = dynamic_cast(I)) { + // PHI: meet over reachable incoming values + int &lv = lat_vals[I]; + if (lv == -2) continue; // already overdef + int result = -1; // undef + bool has_reachable = false; + for (size_t i = 0; i < phi->GetNumOperands(); i += 2) { + auto *ibb = dynamic_cast(phi->GetOperand(i+1)); + if (!ibb || !exec.count(ibb)) continue; + has_reachable = true; + int vl = get_lat(phi->GetOperand(i)); + if (vl == -2) { result = -2; break; } + if (vl >= 0) { + if (result == -1) result = vl; + else if (result != vl) { result = -2; break; } + } + } + if (!has_reachable) continue; + if (lv != result) { lv = result; } + } + else if (auto *br = dynamic_cast(I)) { + mark_exec(br->GetTarget()); + } + else if (auto *cb = dynamic_cast(I)) { + int cl = get_lat(cb->GetCond()); + if (cl >= 0) mark_exec(cl ? cb->GetTrueTarget() : cb->GetFalseTarget()); + else { mark_exec(cb->GetTrueTarget()); mark_exec(cb->GetFalseTarget()); } + // undef (-1) 和 overdef (-2) 都标记两条路径（undef 可能是任意值） + } + else if (!I->IsTerminator()) { + int &lv = lat_vals[I]; + if (lv == -2) continue; // already overdef + if (dynamic_cast(I)) continue; + if (dynamic_cast(I)) continue; + if (dynamic_cast(I)) continue; + if (dynamic_cast(I)) continue; + + // 收集操作数 lattice + bool overdef = false; + bool all_undef = true; + std::vector const_vals; + for (size_t i = 0; i < I->GetNumOperands(); ++i) { + auto *op = I->GetOperand(i); + if (dynamic_cast(op)) continue; + int ol = get_lat(op); + if (ol == -2) { overdef = true; break; } + if (ol >= 0) { const_vals.push_back(ol); all_undef = false; } + } + if (overdef) { lv = -2; continue; } + if (all_undef || const_vals.empty()) continue; + + // 检查所有操作数是否都是常量 + bool all_const = true; + for (size_t i = 0; i < I->GetNumOperands(); ++i) { + auto *op = I->GetOperand(i); + if (dynamic_cast(op)) continue; + if (get_lat(op) < 0) { all_const = false; break; } + } + if (all_const) { + int r = 0; + auto ci = [&](int i) { return get_lat(I->GetOperand(i)); }; + switch (I->GetOpcode()) { + case Opcode::Add: r = ci(0) + ci(1); break; + case Opcode::Sub: r = ci(0) - ci(1); break; + case Opcode::Mul: r = ci(0) * ci(1); break; + case Opcode::Div: r = ci(1) ? ci(0) / ci(1) : 0; break; + case Opcode::Mod: r = ci(1) ? ci(0) % ci(1) : 0; break; + case Opcode::Eq: r = ci(0) == ci(1); break; + case Opcode::Ne: r = ci(0) != ci(1); break; + case Opcode::Lt: r = ci(0) < ci(1); break; + case Opcode::Le: r = ci(0) <= ci(1); break; + case Opcode::Gt: r = ci(0) > ci(1); break; + case Opcode::Ge: r = ci(0) >= ci(1); break; + case Opcode::And: r = ci(0) & ci(1); break; + case Opcode::Or: r = ci(0) | ci(1); break; + case Opcode::ZExt: r = ci(0); break; + default: break; + } + if (lv != r) { lv = r; } + } else { + lv = -2; // overdef + } + } + } + + while (!bw.empty()) { + auto *bb = bw.front(); bw.pop(); + for (auto &i : bb->GetInstructions()) { + if (dynamic_cast(i.get())) continue; + if (auto *br = dynamic_cast(i.get())) mark_exec(br->GetTarget()); + else if (auto *cb = dynamic_cast(i.get())) { + int cl = get_lat(cb->GetCond()); + if (cl >= 0) mark_exec(cl ? cb->GetTrueTarget() : cb->GetFalseTarget()); + else { mark_exec(cb->GetTrueTarget()); mark_exec(cb->GetFalseTarget()); } + } else if (!i->IsTerminator()) iw.push(i.get()); + } + } + } + + // 收集常量 + 简化条件分支 + 删除不可达块 + bool changed = false; + + // 1. 常量替换 + std::unordered_map to_replace; + for (auto &bb : F.GetBlocks()) { + for (auto &i : bb->GetInstructions()) { + auto it = lat_vals.find(i.get()); + if (it == lat_vals.end()) continue; + if (it->second >= 0 && !dynamic_cast(i.get()) && + !i->IsTerminator() && !dynamic_cast(i.get()) && + !dynamic_cast(i.get())) { + auto *ci = ctx ? ctx->GetConstInt(it->second) : nullptr; + if (ci) to_replace[i.get()] = ci; + } + } + } + if (!to_replace.empty()) { + for (auto &[inst, ci] : to_replace) + inst->ReplaceAllUsesWith(ci); + changed = true; + } + + // 2. 简化常量条件分支为无条件 Br + for (auto &bb : F.GetBlocks()) { + auto &insts = const_cast>&>(bb->GetInstructions()); + if (insts.empty()) continue; + auto *cbr = dynamic_cast(insts.back().get()); + if (!cbr) continue; + int cl = get_lat(cbr->GetCond()); + if (cl >= 0) { + auto *target = cl ? cbr->GetTrueTarget() : cbr->GetFalseTarget(); + insts.back().reset(new BranchInst(Type::GetVoidType(), target)); + changed = true; + } + } + + // 3. 删除不可达块（不在 exec 集合中，且不是 entry） + std::unordered_set dead; + for (auto &bb : F.GetBlocks()) + if (!exec.count(bb.get()) && bb.get() != e) + dead.insert(bb.get()); + + if (!dead.empty()) { + // 清理 PHI 节点中的不可达入边 + for (auto &bb : F.GetBlocks()) { + if (dead.count(bb.get())) continue; + for (auto &i : bb->GetInstructions()) { + auto *phi = dynamic_cast(i.get()); + if (!phi) continue; + // 收集存活的入边 + std::vector keep_vals; + std::vector keep_bbs; + for (size_t j = 0; j < phi->GetNumOperands(); j += 2) { + auto *incoming_bb = dynamic_cast(phi->GetOperand(j+1)); + if (!dead.count(incoming_bb)) { + keep_vals.push_back(phi->GetOperand(j)); + keep_bbs.push_back(incoming_bb); + } + } + if (keep_vals.size() * 2 != phi->GetNumOperands()) { + phi->ClearOperands(); + for (size_t j = 0; j < keep_vals.size(); ++j) { + phi->AddOperand(keep_vals[j]); + phi->AddOperand(keep_bbs[j]); + } + changed = true; + } + } + } + + // 删除不可达块（同时清理其指令的 use） + auto &blocks = const_cast>&>(F.GetBlocks()); + std::vector> new_blocks; + for (auto &bb : blocks) { + if (dead.count(bb.get())) { + for (auto &i : bb->GetInstructions()) + i->ClearOperands(); + changed = true; + } else { + new_blocks.push_back(std::move(bb)); + } + } + if (changed) blocks = std::move(new_blocks); + } + + return changed; +} + +} // namespace + +bool RunSCCP(Module &mod) { + bool changed = false; + auto &ctx = mod.GetContext(); + for (auto &f : mod.GetFunctions()) + changed |= RunOnFunction(*f, &ctx); + return changed; +} + +} // namespace ir diff --git a/src/mir/GreedyAlloc.cpp b/src/mir/GreedyAlloc.cpp new file mode 100644 index 00000000..fe0cc5a0 --- /dev/null +++ b/src/mir/GreedyAlloc.cpp @@ -0,0 +1,1907 @@ +// LLVM Greedy Register Allocator —— 真·LLVM Greedy 完整实现 +// +// 架构： +// 1. 核心干涉检测：LiveIntervals::Interfere 预计算干涉图 → O(1) CanAssign 查询 +#include "mir/LiveRangeEdit.h" +// （等于 LLVM 的 LiveIntervalUnion 缓存层——预计算干涉信息，而非每次 O(N) 遍历） +// 2. RegUnit 映射：Wn/Xn 共享 regunit n → 别名天然处理 +// 3. LLVM Greedy 分配策略：优先级驱动 + 驱逐机制 + Spill 迭代循环 +// 4. Spill 代码复用 RegAlloc.cpp 中验证过的 RewriteWithAllocation +// +// 关键设计决策： +// - 干涉图使用 LiveIntervals::Interfere 构建（与 RegAlloc.cpp 相同的验证正确性） +// - CanAssign 使用干涉图 O(1) 查询（而非 O(N) 遍历） +// - ctx.info[v].phys_reg 是分配状态的唯一真实来源 +// - LiveIntervalUnion 保留为未来 SplitKit 的 O(log n) 动态缓存层 +// +// 与旧 RegAlloc 的本质区别： +// - 分配策略：贪心优先级+驱逐 vs Briggs 图着色 +// - RegUnit 原生支持 vs 着色后检查 +// - 架构为 SplitKit 预留接口 + +#include "mir/GreedyAlloc.h" +#include "mir/LiveIntervals.h" +#include "mir/MIR.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include +#include + +namespace mir { +namespace { + +constexpr bool kDebugGreedy = false; + +// Debug counters for allocation analysis +// static int dbg_total_vregs = 0; ... (disabled: used for LIU spill investigation) + +// ============================================================================ +// 1. LiveIntervalUnion —— per-regunit 有序区间并集（保留，供未来 O(log n) 缓存） +// ============================================================================ + +struct LUSegment { + int start; // inclusive, block-relative instruction index + int end; // exclusive + int vreg; + + bool Overlaps(int s, int e) const { return start < e && s < end; } +}; + +class LiveIntervalUnion { +public: + // O(log n) 重叠检测：段按 start 排序，二分查找相邻的两个候选段 + bool Overlaps(int block_idx, int start, int end) const { + auto it = blocks_.find(block_idx); + if (it == blocks_.end()) return false; + const auto &vec = it->second; + if (vec.empty()) return false; + // 找第一个 start >= query_start 的段 + auto seg_it = std::lower_bound(vec.begin(), vec.end(), start, + [](const LUSegment &s, int val) { return s.start < val; }); + // 检查该段：若存在且 start < query_end 则重叠 + if (seg_it != vec.end() && seg_it->start < end) return true; + // 检查前一个段：可能 start < query_start 但 end > query_start + if (seg_it != vec.begin()) { + --seg_it; + if (seg_it->end > start) return true; + } + return false; + } + + void Add(int block_idx, int start, int end, int vreg) { + auto &vec = blocks_[block_idx]; + auto it = std::lower_bound(vec.begin(), vec.end(), start, + [](const LUSegment &s, int val) { return s.start < val; }); + vec.insert(it, {start, end, vreg}); + } + + void Remove(int vreg) { + for (auto &[bi, vec] : blocks_) + vec.erase(std::remove_if(vec.begin(), vec.end(), + [vreg](const LUSegment &s) { return s.vreg == vreg; }), vec.end()); + } + + void Clear() { blocks_.clear(); } + + // O(log n) 获取指定区间内的所有 vreg + std::vector GetOccupants(int block_idx, int start, int end) const { + std::vector result; + auto it = blocks_.find(block_idx); + if (it == blocks_.end()) return result; + const auto &vec = it->second; + // 找第一个 start >= query_start 的段 + auto seg_it = std::lower_bound(vec.begin(), vec.end(), start, + [](const LUSegment &s, int val) { return s.start < val; }); + // 向前退一个（可能有段 start < query_start 但 end > query_start） + if (seg_it != vec.begin()) --seg_it; + // 向后扫描直到段不再重叠 + while (seg_it != vec.end() && seg_it->start < end) { + if (seg_it->Overlaps(start, end)) + result.push_back(seg_it->vreg); + ++seg_it; + } + return result; + } + + const auto &Blocks() const { return blocks_; } + +private: + std::unordered_map> blocks_; +}; + +// ============================================================================ +// 2. RegUnit 映射 +// ============================================================================ + +static int ToRegUnit(PhysReg reg) { + if (reg >= PhysReg::W0 && reg <= PhysReg::W30) + return static_cast(reg) - static_cast(PhysReg::W0); + if (reg >= PhysReg::X0 && reg <= PhysReg::X30) + return static_cast(reg) - static_cast(PhysReg::X0); + if (reg >= PhysReg::S0 && reg <= PhysReg::S31) + return 100 + static_cast(reg) - static_cast(PhysReg::S0); + if (reg >= PhysReg::Q0 && reg <= PhysReg::Q31) + return 200 + static_cast(reg) - static_cast(PhysReg::Q0); + return -1; +} + +static bool Compat(PhysReg r, VRegClass vc) { + if (vc == VRegClass::Int) return r >= PhysReg::W0 && r <= PhysReg::W30; + if (vc == VRegClass::Ptr) return r >= PhysReg::X0 && r <= PhysReg::X30; + if (vc == VRegClass::Float) return r >= PhysReg::S0 && r <= PhysReg::S31; + if (vc == VRegClass::Vec) return r >= PhysReg::Q0 && r <= PhysReg::Q31; + return false; +} + +static bool IsGP(PhysReg r) { return (r>=PhysReg::W0&&r<=PhysReg::W30)||(r>=PhysReg::X0&&r<=PhysReg::X30); } +static bool IsFP(PhysReg r) { return r >= PhysReg::S0 && r <= PhysReg::S31; } +static bool IsVec(PhysReg r) { return r >= PhysReg::Q0 && r <= PhysReg::Q31; } +static int RegNum(PhysReg r) { + if (IsGP(r)) return r >= PhysReg::X0 ? static_cast(r)-static_cast(PhysReg::X0) : static_cast(r)-static_cast(PhysReg::W0); + if (IsFP(r)) return static_cast(r) - static_cast(PhysReg::S0); + if (IsVec(r)) return static_cast(r) - static_cast(PhysReg::Q0); + return -1; +} + +// ============================================================================ +// 3. 寄存器集 +// ============================================================================ + +// x16/x17 保留为专用 scratch（IP0/IP1，永不参与分配） +static const int GP_NUMS[] = {8,9,10,11,12,13,14,15,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28}; +static const int GP_COUNT = 18; +static const int LEAF_GP_NUMS[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28}; +static const int LEAF_GP_COUNT = 23; +// x0-x7 扩展：非叶函数也可使用 caller-saved，per-vreg RegHint 控制跨调用安全 +static const int EXT_GP_NUMS[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28}; +static const int EXT_GP_COUNT = 26; +static const int FP_NUMS[] = {8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31}; +static const int FP_COUNT = 24; +static const int VEC_NUMS[] = {0,1,2,3,4,5,6,7,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31}; +static const int VEC_COUNT = 24; + +// ============================================================================ +// 4. 分配状态 +// ============================================================================ + +// Per-vreg 寄存器类提示 +enum class RegHint : uint8_t { + kPreferCaller, // 优先 caller-saved，回退 callee-saved（默认） + kCalleeOnly, // 必须 callee-saved（跨调用 vreg） + kAnyGP, // 任意 GP（叶函数） +}; + +// BlockRange：vreg 在单个块中的活范围（first=首次引用, last=最后引用） +// 由 BuildInterfGraph 填充，供干涉图 + LIU 共用 +struct BlockRange { int first; int last; bool has_ref; }; + +struct AllocInfo { + PhysReg phys_reg = PhysReg::W0; + bool spilled = false; + int slot = -1; + bool remat = false; + int remat_imm = 0; + RegHint reg_hint = RegHint::kPreferCaller; +}; + +struct FuncCtx { + MachineFunction *mf = nullptr; + bool leaf = false; + LiveIntervals li; + std::vector depths; + std::unordered_map costs; + std::vector info; // 唯一真实来源：vreg → PhysReg + + // 候选寄存器（PhysReg） + std::vector gp_cands, fp_cands, vec_cands; + + // 预计算：哪些 vreg 跨 Call 活跃（保留兼容） + std::unordered_set cross_call_vregs; + + // 干涉图：vreg → 干涉的 vreg 集合 + // 通过 LiveIntervals::Interfere 构建，与 RegAlloc.cpp 相同正确性保证 + std::unordered_map> interf_graph; + + // 活范围数据：vreg → {block → {first, last, has_ref}} + // 由 BuildInterfGraph 填充，与干涉图使用完全相同的 liveness 数据源 + std::unordered_map> vr; + + // ── LiveIntervalUnion：per-regunit 段树缓存 ── + // 对齐 LLVM LiveIntervalUnion，用于 O(log n) 分配查询 + // Key: regunit id (0-30=GP, 100+=FP, 200+=Vec) + std::unordered_map regunit_liu; + + // Block → index 映射（LIU 用 int 索引块） + std::unordered_map block_index; +}; + +// ============================================================================ +// 5. 辅助函数 +// ============================================================================ + +static bool IsLeafFunc(MachineFunction &f) { + for (auto &b : f.GetBlocks()) + for (auto &i : b->GetInstructions()) + if (i.GetOpcode() == Opcode::Call) return false; + return true; +} + +// 检测递归函数：Call 指令的 Symbol operand 是否等于自身函数名 +static bool IsRecursiveFunc(MachineFunction &f) { + auto &func_name = f.GetName(); + for (auto &b : f.GetBlocks()) + for (auto &i : b->GetInstructions()) + if (i.GetOpcode() == Opcode::Call) + for (auto &op : i.GetOperands()) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::Symbol && op.GetSymbol() == func_name) + return true; + return false; +} + +static std::vector LoopDepths(MachineFunction &f) { + auto &bs=f.GetBlocks(); size_t n=bs.size(); + std::vector d(n,0); + std::unordered_map l2b; + for(size_t i=0;iGetLabelId()]=i; + std::vector> s(n); + for(size_t i=0;iGetInstructions()){ + if(inst.GetOpcode()==Opcode::Br&&inst.GetOperands().size()>=1&&inst.GetOperands()[0].GetKind()==Operand::Kind::Label) + if(auto it=l2b.find(inst.GetOperands()[0].GetLabel());it!=l2b.end()) s[i].push_back(it->second); + if(inst.GetOpcode()==Opcode::CondBr&&inst.GetOperands().size()>=2&&inst.GetOperands()[1].GetKind()==Operand::Kind::Label) + if(auto it=l2b.find(inst.GetOperands()[1].GetLabel());it!=l2b.end()) s[i].push_back(it->second); + } + if(n==0) return d; + std::vector dn(n,-1); std::vector stk(n,false); int ctr=0; + std::vector> be; + std::function dfs=[&](size_t u){dn[u]=ctr++;stk[u]=true;for(auto v:s[u]){if(dn[v]==-1)dfs(v);else if(stk[v])be.push_back({u,v});}stk[u]=false;}; + dfs(0); + for(auto [src,tgt]:be){std::vector vis(n,false);std::vector q{tgt};vis[tgt]=true; + while(!q.empty()){auto cur=q.back();q.pop_back();d[cur]++;if(cur==src)continue;for(auto nx:s[cur])if(!vis[nx]){vis[nx]=true;q.push_back(nx);}}} + return d; +} + +static void ComputeCosts(FuncCtx &ctx) { + auto &f=*ctx.mf; + std::unordered_map dc; std::unordered_map ld; + for(auto &b:f.GetBlocks()) for(auto &inst:b->GetInstructions()){auto du=MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst);for(int d:du.defs){dc[d]++;ld[d]=&inst;}} + for(auto &[v,c]:dc) if(c==1&&ld[v]&&ld[v]->IsRematerializable()){ctx.info[v].remat=true;ctx.info[v].remat_imm=ld[v]->GetRematImm();} + auto &bs=f.GetBlocks(); + for(size_t i=0;iGetInstructions()){auto du=MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for(int u:du.uses) if(u>=0) ctx.costs[u]+=ctx.info[u].remat?1:w; + for(int d:du.defs) if(d>=0&&!ctx.info[d].remat) ctx.costs[d]+=w; + } + } + for(int i=0;i> call_sites; + for (auto &b : ctx.mf->GetBlocks()) { + int idx = 0; + for (auto &inst : b->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Call) call_sites[b.get()].push_back(idx); + idx++; + } + } + + for (int v = 0; v < ctx.mf->GetNumVRegs(); ++v) { + auto *intervals = ctx.li.GetIntervals(v); + if (!intervals) continue; + for (auto &[block, seg] : *intervals) { + auto it = call_sites.find(block); + if (it == call_sites.end()) continue; + for (int cs : it->second) { + if (seg.start <= cs && cs < seg.end) { + ctx.cross_call_vregs.insert(v); + goto next_vreg; + } + } + } + next_vreg:; + } +} + +// 预计算每个 vreg 的寄存器类提示（支持 x0-x7 扩展的安全使用） +static void ComputeRegHints(FuncCtx &ctx) { + auto &f = *ctx.mf; + if (ctx.leaf) { + for (int v = 0; v < f.GetNumVRegs(); ++v) + ctx.info[v].reg_hint = RegHint::kAnyGP; + return; + } + // 复用 cross_call_vregs 的结果 + for (int v = 0; v < f.GetNumVRegs(); ++v) { + ctx.info[v].reg_hint = ctx.cross_call_vregs.count(v) + ? RegHint::kCalleeOnly : RegHint::kPreferCaller; + } +} + +// LIU 重建：清空所有 regunit 的 LIU，从 ctx.vr + 干涉图重新填充 +static void RebuildLIU(FuncCtx &ctx) { + // 清空所有 LIU + for (auto &[ru, liu] : ctx.regunit_liu) + liu.Clear(); + + // 重新填充 phantom 约束（用 ctx.vr——与干涉图相同数据源） + for (auto &[node_id, edges] : ctx.interf_graph) { + if (node_id >= 0) continue; + int ru = -(node_id + 1); + for (int nb : edges) { + if (nb < 0) continue; + auto vr_it = ctx.vr.find(nb); + if (vr_it == ctx.vr.end()) continue; + for (auto &[block, r] : vr_it->second) { + if (!r.has_ref) continue; + auto bi = ctx.block_index.find(block); + if (bi == ctx.block_index.end()) continue; + ctx.regunit_liu[ru].Add(bi->second, r.first, r.last + 1, node_id); + } + } + } +} + +// 干涉图构建：追踪每个 vreg 在每个块中的 first_def/last_use 位置 +// 计算精确的活跃区间，仅在两区间重叠时添加干涉边 +// 不使用动态 live set（避免膨胀），不使用 O(nv × blocks) 初始化 +static void BuildInterfGraph(FuncCtx &ctx) { + int nv = ctx.mf->GetNumVRegs(); + // 第一遍：为每个 vreg 在每个 block 中记录 first_def / last_use + // 存入 ctx.vr，供 LIU 使用相同数据源 + ctx.vr.clear(); + auto &vr = ctx.vr; + + for (auto &block : ctx.mf->GetBlocks()) { + int ii = 0; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) { + if (u < 0) continue; + auto &r = vr[u][block.get()]; + if (!r.has_ref) { r.first = ii; r.has_ref = true; } + r.last = ii; + } + for (int d : du.defs) { + if (d < 0) continue; + auto &r = vr[d][block.get()]; + if (!r.has_ref || ii < r.first) r.first = ii; + r.last = ii; + r.has_ref = true; + } + ii++; + } + } + + // 用 LiveIntervals 补充 live-in/live-out 信息，修正 first/last + for (int v = 0; v < nv; ++v) { + auto *iv = ctx.li.GetIntervals(v); + if (!iv) continue; + for (auto &[block, seg] : *iv) { + auto &r = vr[v][block]; + int block_sz = (int)block->GetInstructions().size(); + // live-in：区间从块首开始 + if (seg.start == 0 && (!r.has_ref || r.first > 0)) + r.first = 0; + // live-out：区间延伸到块尾 + if (seg.end >= block_sz) { + if (!r.has_ref || r.last < block_sz - 1) + r.last = block_sz - 1; + if (!r.has_ref) r.first = 0; + } + if (!r.has_ref) { + r.first = seg.start; + r.last = seg.end - 1; + r.has_ref = true; + } + } + } + + // 第二遍：对每个 block，找出所有活跃的 vreg，检测区间重叠 + auto add_edge = [&](int a, int b) { + if (a == b) return; + if (a < 0 || b < 0) { + ctx.interf_graph[a].insert(b); + ctx.interf_graph[b].insert(a); + return; + } + VRegClass va = ctx.mf->GetVRegClass(a); + VRegClass vb = ctx.mf->GetVRegClass(b); + bool same_or_alias = (va == vb) || + (va == VRegClass::Int && vb == VRegClass::Ptr) || + (va == VRegClass::Ptr && vb == VRegClass::Int); + if (!same_or_alias) return; + ctx.interf_graph[a].insert(b); + ctx.interf_graph[b].insert(a); + }; + + for (auto &block : ctx.mf->GetBlocks()) { + std::vector> active; + for (auto &[v, bmap] : vr) { + auto it = bmap.find(block.get()); + if (it != bmap.end()) active.push_back({v, it->second}); + } + if (active.size() < 2) continue; + // 按区间起始位置排序 + std::sort(active.begin(), active.end(), + [](const auto &a, const auto &b) { return a.second.first < b.second.first; }); + struct ActiveEntry { int last; int vreg; }; + std::vector sweep_active; + for (size_t i = 0; i < active.size(); ++i) { + auto &[vi, ri] = active[i]; + sweep_active.erase( + std::remove_if(sweep_active.begin(), sweep_active.end(), + [&ri](const ActiveEntry &a) { return a.last < ri.first; }), + sweep_active.end()); + for (auto &ae : sweep_active) add_edge(vi, ae.vreg); + sweep_active.push_back({ri.last, vi}); + } + } + + // ---- 预着色节点：全函数双向 phantom 区间 ---- + // 读方向（MovReg(vreg, PhysReg)）：参数/返回值加载，vreg 的 first_ref + // 在 deadline 之前 → 与 phantom 干涉（PhysReg 值还在被使用中） + // 写方向（MovReg(PhysReg, VReg)）：调用参数设置，PhysReg 被写入， + // vreg 的 last_ref >= def_idx → 干涉（PhysReg 值被覆盖） + for (auto &block : ctx.mf->GetBlocks()) { + auto &einsts = block->GetInstructions(); + std::unordered_map ru_last_read; // ru → 最后读取的指令索引 + std::unordered_map ru_first_def; // ru → 首次写入的指令索引 + for (int ii = 0; ii < (int)einsts.size(); ++ii) { + if (einsts[ii].GetOpcode() == Opcode::MovReg) { + auto &ops = einsts[ii].GetOperands(); + if (ops.size() >= 2) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::Reg) { + int src_ru = ToRegUnit(ops[1].GetReg()); + if (src_ru >= 0 && src_ru <= 30) + ru_last_read[src_ru] = std::max(ru_last_read[src_ru], ii); + } + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int dst_ru = ToRegUnit(ops[0].GetReg()); + if (dst_ru >= 0 && dst_ru <= 30) { + if (!ru_first_def.count(dst_ru) || ii < ru_first_def[dst_ru]) + ru_first_def[dst_ru] = ii; + } + } + } + } + } + // 读方向：first_ref < deadline → 干涉 + for (auto &[ru, deadline] : ru_last_read) { + int pc_id = -(ru + 1); + for (auto &[v, bmap] : vr) { + if (v < 0) continue; + auto it = bmap.find(block.get()); + if (it == bmap.end()) continue; + auto &r = it->second; + if (r.has_ref && r.first < deadline) add_edge(pc_id, v); + } + } + // 写方向：last_ref >= def_idx → 干涉（PhysReg 被写入会覆盖 vreg 的值） + for (auto &[ru, def_idx] : ru_first_def) { + int pc_id = -(ru + 1); + for (auto &[v, bmap] : vr) { + if (v < 0) continue; + auto it = bmap.find(block.get()); + if (it == bmap.end()) continue; + auto &r = it->second; + if (r.has_ref && r.last >= def_idx) add_edge(pc_id, v); + } + } + } + + // ---- Call Clobber phantom：保护 caller-saved 寄存器 ---- + // 每个 Call 指令处为 caller-saved regunit (ru 0-17) 添加 phantom 边 + // 任何在 Call 处活跃的 vreg 都无法使用 caller-saved 寄存器 + // 这替代了 cross_call 二元标记，使 x0-x7 可安全用于所有函数 + for (auto &clob_block : ctx.mf->GetBlocks()) { + auto &einsts = clob_block->GetInstructions(); + for (int ii = 0; ii < (int)einsts.size(); ++ii) { + if (einsts[ii].GetOpcode() != Opcode::Call) continue; + for (int ru = 0; ru <= 17; ++ru) { + int pc_id = -(ru + 1); + for (auto &[v, bmap] : vr) { + if (v < 0) continue; + auto it = bmap.find(clob_block.get()); + if (it == bmap.end()) continue; + auto &r = it->second; + if (r.has_ref && r.first <= ii && ii <= r.last) + add_edge(pc_id, v); + } + } + } + } +} + +// ============================================================================ +// 5.5 Register Coalescing —— 合并 copy-connected 的非干涉 vreg +// +// 扫描所有 MovReg(vreg, vreg) 指令，若 dst 和 src 不干涉则将 dst 的所有引用 +// 替换为 src 并删除 MovReg。消除冗余副本，直接减少 MOV 指令数。 +// +// 保守条件： +// - dst 和 src 同 VRegClass +// - dst 仅有一个定义（MovReg 自身） +// - dst 和 src 的活跃区间不重叠（使用与 BuildInterfGraph 相同的区间重叠检测） +// +// 传递闭包：%0→%1 且 %1→%2 → %0→%2，一次扫描处理 copy chain +// ============================================================================ + +static bool Coalesce(MachineFunction &f, const LiveIntervals &li, + const std::unordered_map *phi_block_map = nullptr) { + int nv = f.GetNumVRegs(); + + // 计算每个 vreg 定义次数和使用次数 + std::vector def_counts(nv, 0); + std::vector use_counts(nv, 0); + for (auto &b : f.GetBlocks()) + for (auto &inst : b->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int d : du.defs) if (d >= 0 && d < nv) def_counts[d]++; + for (int u : du.uses) if (u >= 0 && u < nv) use_counts[u]++; + } + + // 干涉检测：统一使用全局段式检查（基于 SlotIndex） + auto overlap = [&](int a, int b, const MachineInstr *exclude = nullptr) -> bool { + if (!exclude) return li.InterfereSegments(a, b); + SlotIndex ex_slot = li.GetInstSlot(exclude); + if (ex_slot.IsValid()) return li.InterfereSegmentsExcept(a, b, ex_slot); + return li.InterfereSegments(a, b); // 回退：无 slot 时保守 + }; + + // 扫描所有 MovReg，收集可 coalesce 的对 + struct CP { int dst; int src; }; + std::vector pairs; + + // 对多定义 vreg：收集所有 MovReg 定义及其源 vreg + 对应的 MovReg 指令 + // multi_def_info[dst] = {src1 → &MovReg1, src2 → &MovReg2, ...} + // 用于在干涉检查中排除正确的 MovReg 指令 + std::unordered_map> multi_def_info; + + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() != Opcode::MovReg) continue; + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() < 2) continue; + if (ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + if (ops[1].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + + int dst = ops[0].GetVRegId(); + int src = ops[1].GetVRegId(); + if (dst == src) continue; + if (dst >= nv || src >= nv) continue; + + if (f.GetVRegClass(dst) != f.GetVRegClass(src)) continue; + + if (def_counts[dst] == 1) { + // 双方唯一定义 → 可安全排除 MovReg 自身 + if (def_counts[src] == 1) { + if (overlap(dst, src, &inst)) continue; + } else { + if (overlap(dst, src)) continue; + } + pairs.push_back({dst, src}); + } else { + multi_def_info[dst][src] = &inst; + } + } + } + + // 多源 phi 合并基础设施：inst→block 映射 + std::unordered_map inst_to_blk; + for (auto &b : f.GetBlocks()) + for (auto &mi : b->GetInstructions()) + inst_to_blk[&mi] = b.get(); + + for (auto &[dst, src_to_inst] : multi_def_info) { + if (src_to_inst.size() == 1) { + auto [src, inst] = *src_to_inst.begin(); + if (overlap(dst, src, inst)) continue; + pairs.push_back({dst, src}); + } + // 多源 phi 合并（size > 1）：先应用再验证 + // 策略：对每个候选源，暂存 → 应用合并 → 重算 LiveIntervals → + // 检查实际干涉 → 无效则回退 + } + + // ---- 多源 phi 合并：try-and-verify ---- + for (auto &[dst, src_to_inst] : multi_def_info) { + if (src_to_inst.size() <= 1) continue; + // 每个 dst 只尝试一次合并（找到第一个安全源即停止） + for (auto &[src_i, inst_i] : src_to_inst) { + // 检查 0：dst 与 src_i 不干涉（排除自身副本） + if (overlap(dst, src_i, inst_i)) continue; + + // 保存当前状态 + std::vector> saved; + for (auto &b : f.GetBlocks()) + saved.push_back(b->GetInstructions()); + + // 应用合并 + // Step A: 替换所有 dst 操作数为 src_i + for (auto &b : f.GetBlocks()) + for (auto &mi : b->GetInstructions()) + for (auto &op : mi.GetOperands()) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg && op.GetVRegId() == dst) + const_cast(op) = Operand::VReg(src_i, f.GetVRegClass(src_i)); + + // Step B: 删除自复制副本（dst=COPY src_i → src_i=COPY src_i） + for (auto &b : f.GetBlocks()) { + std::vector ni; + for (auto &mi : b->GetInstructions()) { + if (mi.GetOpcode() == Opcode::MovReg && mi.GetOperands().size() >= 2 && + mi.GetOperands()[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + mi.GetOperands()[0].GetVRegId() == src_i && + mi.GetOperands()[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + mi.GetOperands()[1].GetVRegId() == src_i) { + continue; // 自复制 → 删除 + } + ni.push_back(std::move(const_cast(mi))); + } + b->GetInstructions() = std::move(ni); + } + + // Step C: 重算 LiveIntervals + LiveIntervals new_li; + new_li.Compute(f); + + // Step D: 验证——检查 src_i 与每个其他源不干涉（排除副本点） + bool valid = true; + for (auto &[src_j, inst_j] : src_to_inst) { + if (src_j == src_i) continue; + SlotIndex sj = new_li.GetInstSlot(inst_j); + if (sj.IsValid()) { + if (new_li.InterfereSegmentsExcept(src_i, src_j, sj)) + { valid = false; break; } + } else { + if (new_li.InterfereSegments(src_i, src_j)) + { valid = false; break; } + } + } + + if (valid) { + pairs.push_back({dst, src_i}); + break; // 合并成功，继续下一个 dst + } else { + // 回退：恢复保存的指令 + for (size_t bi = 0; bi < saved.size(); ++bi) + f.GetBlocks()[bi]->GetInstructions() = std::move(saved[bi]); + } + } + } + + if (pairs.empty()) return false; + + // 构建替换映射（传递闭包，带环路检测） + std::unordered_map replace; + for (auto &[dst, src] : pairs) { + int ult = src; + std::unordered_set visited; + visited.insert(dst); + while (replace.count(ult)) { + if (visited.count(ult)) { ult = dst; break; } // 环路 → 跳过 + visited.insert(ult); + ult = replace[ult]; + } + if (ult != dst) replace[dst] = ult; + } + + // 应用替换 + 删除已 coalesce 的 MovReg + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + std::vector ni; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + // 跳过被 coalesce 的 MovReg + if (inst.GetOpcode() == Opcode::MovReg) { + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + if (replace.count(ops[0].GetVRegId())) continue; + } + } + // 替换操作数 + for (auto &op : inst.GetOperands()) { + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + auto it = replace.find(op.GetVRegId()); + if (it != replace.end()) + const_cast(op) = Operand::VReg(it->second, f.GetVRegClass(it->second)); + } + } + ni.push_back(std::move(const_cast(inst))); + } + block->GetInstructions() = std::move(ni); + } + + return true; +} + + +// ============================================================================ +// 5.6 SplitKit：活范围分裂——分配失败时的回退策略 +// +// 当 AllocClass 无法为 vreg 分配寄存器时，在循环边界分裂活范围。 +// 高循环深度（hot）部分获得独立 vreg，低深度（cold）部分保留原 vreg。 +// 每段更短 → 更易分配 → 减少整体 spill。 +// +// 分裂策略： +// 1. 按循环深度划分 hot/cold 区域 +// 2. 在 hot↔cold 边界插入 MovReg 拷贝 +// 3. 使用 LiveRangeEdit 增量更新 LiveIntervals +// ============================================================================ + +// 活范围循环边界分裂：将 vreg 分为 hot（循环内高深度）和 cold（循环外低深度） +// 返回新 vreg id（hot 区域），失败返回 -1 +static int SplitVRegAtLoopBoundary(FuncCtx &ctx, int vreg) { + MachineFunction &f = *ctx.mf; + auto &blocks = f.GetBlocks(); + int n = (int)blocks.size(); + if (n == 0 || ctx.depths.empty()) return -1; + + VRegClass vc = f.GetVRegClass(vreg); + + // ---- 1. 收集使用模式 ---- + std::vector use_count(n, 0); + int def_block_idx = -1; + int total_uses = 0; + + for (int i = 0; i < n; ++i) { + for (auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) if (u == vreg) { use_count[i]++; total_uses++; } + for (int d : du.defs) if (d == vreg) def_block_idx = i; + } + } + + if (total_uses == 0 || def_block_idx < 0) return -1; + + // ---- 2. 计算平均深度 ---- + int weighted = 0; + for (int i = 0; i < n; ++i) { + int d = (i < (int)ctx.depths.size()) ? ctx.depths[i] : 0; + weighted += d * use_count[i]; + } + int avg_depth = total_uses > 0 ? weighted / total_uses : 0; + + // 检查是否有多深度使用 + int max_d = 0, min_d = 9999; + for (int i = 0; i < n; ++i) { + if (use_count[i] == 0) continue; + int d = (i < (int)ctx.depths.size()) ? ctx.depths[i] : 0; + if (d > max_d) max_d = d; + if (d < min_d) min_d = d; + } + // 即使单一深度，若跨多个块且有足够使用 → 分裂可减少干涉度 + if (max_d <= min_d && total_uses <= 4) return -1; + + // 使用平均深度作为 hot 阈值，但确保至少有一部分块被分类为 cold + int threshold = std::max(1, avg_depth > 0 ? avg_depth - 1 : 0); + + // ---- 3. 划分 hot/cold 块 ---- + std::unordered_set hot_blocks; + for (int i = 0; i < n; ++i) { + int d = (i < (int)ctx.depths.size()) ? ctx.depths[i] : 0; + if (d > threshold && use_count[i] > 0) + hot_blocks.insert(blocks[i].get()); + } + + // 允许 hot 覆盖绝大多数块时仍然分裂——少量 cold 使用也值得隔离 + if (hot_blocks.empty()) return -1; + if (hot_blocks.size() >= (size_t)n) return -1; // 所有块都是 hot → 无 cold 可分裂 + + // ---- 4. 创建 hot vreg + 替换 uses ---- + int hot_vreg = f.CreateVReg(vc); + LiveRangeEdit lre(f, ctx.li); + + // 替换 hot 块中的 uses + lre.ReplaceUsesInBlocks(vreg, hot_vreg, hot_blocks); + + // ---- 5. 插入边界 COPY ---- + // 构建前驱关系 + std::unordered_map label2block; + for (auto &b : blocks) label2block[b->GetLabelId()] = b.get(); + + std::unordered_map> preds; + for (auto &b : blocks) { + for (auto &succ : b->GetSuccessors()) { + auto it = label2block.find(succ.label); + if (it != label2block.end()) preds[it->second].push_back(b.get()); + } + } + + // 在 hot 块入口插入 copy（当有 cold 前驱时） + for (auto *hb : hot_blocks) { + auto pit = preds.find(hb); + if (pit == preds.end()) continue; + bool has_cold_pred = false; + for (auto *p : pit->second) + if (!hot_blocks.count(p)) { has_cold_pred = true; break; } + if (has_cold_pred) + lre.InsertCopyAtEntry(hb, hot_vreg, vreg); + } + + // 在 hot 块出口插入 copy（当有 cold 后继时） + for (auto *hb : hot_blocks) { + bool has_cold_succ = false; + for (auto &succ : hb->GetSuccessors()) { + auto it = label2block.find(succ.label); + if (it != label2block.end() && !hot_blocks.count(it->second)) + { has_cold_succ = true; break; } + } + if (has_cold_succ) { + // 在 hot 块末尾（terminator 之前）插入 hot→cold copy + auto &insts = const_cast&>(hb->GetInstructions()); + size_t insert_pos = insts.size(); + while (insert_pos > 0) { + auto op = insts[insert_pos - 1].GetOpcode(); + if (op == Opcode::Br || op == Opcode::CondBr || op == Opcode::Ret) + --insert_pos; + else + break; + } + insts.insert(insts.begin() + insert_pos, + MachineInstr(Opcode::MovReg, { + Operand::VReg(vreg, vc), + Operand::VReg(hot_vreg, vc) + })); + } + } + + // ---- 6. 处理 cold 定义 → hot 使用 ---- + if (def_block_idx >= 0) { + auto *db = blocks[def_block_idx].get(); + if (!hot_blocks.count(db)) { + // 定义在 cold 块，需 copy cold→hot + auto &insts = const_cast&>(db->GetInstructions()); + for (size_t ii = 0; ii < insts.size(); ++ii) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(insts[ii]); + bool defines = false; + for (int d : du.defs) if (d == vreg) { defines = true; break; } + if (defines) { + insts.insert(insts.begin() + ii + 1, + MachineInstr(Opcode::MovReg, { + Operand::VReg(hot_vreg, vc), + Operand::VReg(vreg, vc) + })); + break; + } + } + } + } + + // ---- 7. 提交 ---- + lre.Commit(); + + if (kDebugGreedy) + std::cerr << "[SplitKit] vreg %" << vreg << " split: hot=%" << hot_vreg + << " in " << hot_blocks.size() << " blocks (avg_depth=" + << avg_depth << ")" << std::endl; + + return hot_vreg; +} + +// 活范围调用边界分裂：将 vreg 在 call 边界分裂为 caller/cross-call 两段 +// caller 段（不在任何 call 处活跃）可使用 caller-saved 寄存器 +// cross-call 段（跨调用活跃）必须使用 callee-saved 寄存器 +// 返回新 vreg id（caller 段），失败返回 -1 +static int SplitVRegAtCallBoundary(FuncCtx &ctx, int vreg) { + MachineFunction &f = *ctx.mf; + auto &blocks = f.GetBlocks(); + int n = (int)blocks.size(); + if (n == 0) return -1; + + VRegClass vc = f.GetVRegClass(vreg); + + // 1. 标记含 Call 的块 + 收集 call 指令索引 + std::unordered_set call_blocks; + for (auto &b : blocks) { + for (auto &inst : b->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Call) { + call_blocks.insert(b.get()); + break; + } + } + } + if (call_blocks.empty()) return -1; + + // 2. 收集 vreg 的使用模式 + std::vector used_in_block(n, false); + int def_block_idx = -1; + int total_uses = 0; + for (int i = 0; i < n; ++i) { + for (auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) if (u == vreg) { used_in_block[i] = true; total_uses++; } + for (int d : du.defs) if (d == vreg) def_block_idx = i; + } + } + if (total_uses == 0) return -1; + + // 3. 分类：caller 块（不含 Call）+ cross-call 块（含 Call，vreg 在此活跃） + std::unordered_set caller_blocks, cross_call_blocks; + for (int i = 0; i < n; ++i) { + if (!used_in_block[i]) continue; + if (call_blocks.count(blocks[i].get())) + cross_call_blocks.insert(blocks[i].get()); + else + caller_blocks.insert(blocks[i].get()); + } + if (caller_blocks.empty() || cross_call_blocks.empty()) return -1; + + // 4. 创建 caller vreg + 替换 uses + int caller_vreg = f.CreateVReg(vc); + LiveRangeEdit lre(f, ctx.li); + lre.ReplaceUsesInBlocks(vreg, caller_vreg, caller_blocks); + + // 5. 构建前驱关系 + 插入边界 COPY + std::unordered_map label2block; + for (auto &b : blocks) label2block[b->GetLabelId()] = b.get(); + std::unordered_map> preds; + for (auto &b : blocks) { + for (auto &succ : b->GetSuccessors()) { + auto it = label2block.find(succ.label); + if (it != label2block.end()) preds[it->second].push_back(b.get()); + } + } + + // Caller 块入口：当有 cross-call 前驱时插入 copy + for (auto *cb : caller_blocks) { + auto pit = preds.find(cb); + if (pit == preds.end()) continue; + bool has_cross_pred = false; + for (auto *p : pit->second) + if (cross_call_blocks.count(p)) { has_cross_pred = true; break; } + if (has_cross_pred) + lre.InsertCopyAtEntry(cb, caller_vreg, vreg); + } + // Cross-call 块入口：当有 caller 前驱时插入 copy + for (auto *ccb : cross_call_blocks) { + auto pit = preds.find(ccb); + if (pit == preds.end()) continue; + bool has_caller_pred = false; + for (auto *p : pit->second) + if (caller_blocks.count(p)) { has_caller_pred = true; break; } + if (has_caller_pred) + lre.InsertCopyAtEntry(ccb, vreg, caller_vreg); + } + + // 6. 处理定义块 + if (def_block_idx >= 0) { + auto *db = blocks[def_block_idx].get(); + auto &insts = const_cast&>(db->GetInstructions()); + for (size_t ii = 0; ii < insts.size(); ++ii) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(insts[ii]); + bool defines = false; + for (int d : du.defs) if (d == vreg) { defines = true; break; } + if (defines) { + if (!caller_blocks.count(db) && cross_call_blocks.count(db)) + // 定义在 cross-call 块 → 需要 copy 到 caller 段 + insts.insert(insts.begin() + ii + 1, + MachineInstr(Opcode::MovReg, { + Operand::VReg(caller_vreg, vc), + Operand::VReg(vreg, vc)})); + else if (caller_blocks.count(db) && !cross_call_blocks.count(db)) + // 定义在 caller 块 → 需要 copy 到 cross-call 段 + insts.insert(insts.begin() + ii + 1, + MachineInstr(Opcode::MovReg, { + Operand::VReg(vreg, vc), + Operand::VReg(caller_vreg, vc)})); + break; + } + } + } + + lre.Commit(); + + if (kDebugGreedy) + std::cerr << "[SplitKit-call] vreg %" << vreg << " split at call boundary: caller=%" + << caller_vreg << " in " << caller_blocks.size() + << " blocks, cross-call=" << cross_call_blocks.size() << " blocks" << std::endl; + + return caller_vreg; +} + +// ============================================================================ +// 6. 核心分配 —— 真·LLVM Greedy：优先级驱动 + 直接 PhysReg + 驱逐 +// +// 算法（从第一原理实现）： +// 1. 按 spill_weight (cost / max(1, degree)) 降序排列 vreg +// 2. 高权重优先分配——重要的 vreg 先选寄存器 +// 3. 对每个 vreg： +// a. 收集邻居已占用的 regunit → blocked 集合 +// b. 尝试空闲 regunit（非跨调用：caller-saved 优先；跨调用：callee-saved only） +// c. 若无空闲 → 驱逐：找最低总 spill_cost 的邻居集合，释放其 regunit +// d. 若驱逐失败 → 标记 spilled +// +// RegUnit 约束：Wn/Xn 共享 regunit n —— 邻居占用任一即冲突 +// 预着色节点：在干涉图中以负 ID 存在，分配前预标记其 regunit 为固定约束 +// 跨调用 vreg：仅分配到 callee-saved（call 会破坏 caller-saved 的值） +// +// 与旧 Briggs 着色的本质区别： +// - 优先级驱动（大权重先分配）vs 度数驱动（小度数先简化） +// - 直接 PhysReg vs 抽象颜色号→PhysReg 二次映射 +// - 驱逐机制 vs 被动 spill +// - O(|V|·|R|) 分配 vs O(|V|²) 着色 +// ============================================================================ + +static void AllocClass(const std::vector &vregs, const std::vector &cands, FuncCtx &ctx, + const std::unordered_map> *phi_pairs = nullptr) { + if (vregs.empty()) return; + + // ---- 1. 构建 regunit → PhysReg 映射（按 vreg class 区分宽度）---- + std::unordered_map ru_to_wreg, ru_to_xreg, ru_to_sreg, ru_to_qreg; + std::set all_rus; + for (auto r : cands) { + int ru = ToRegUnit(r); + all_rus.insert(ru); + if (r >= PhysReg::W0 && r <= PhysReg::W30) ru_to_wreg[ru] = r; + else if (r >= PhysReg::X0 && r <= PhysReg::X30) ru_to_xreg[ru] = r; + else if (r >= PhysReg::S0 && r <= PhysReg::S31) ru_to_sreg[ru] = r; + else if (r >= PhysReg::Q0 && r <= PhysReg::Q31) ru_to_qreg[ru] = r; + } + + auto find_reg = [&](int ru, VRegClass vc) -> PhysReg { + if (vc == VRegClass::Int) { auto it = ru_to_wreg.find(ru); return it != ru_to_wreg.end() ? it->second : PhysReg::W0; } + if (vc == VRegClass::Ptr) { auto it = ru_to_xreg.find(ru); return it != ru_to_xreg.end() ? it->second : PhysReg::X0; } + if (vc == VRegClass::Float) { auto it = ru_to_sreg.find(ru); return it != ru_to_sreg.end() ? it->second : PhysReg::S0; } + if (vc == VRegClass::Vec) { auto it = ru_to_qreg.find(ru); return it != ru_to_qreg.end() ? it->second : PhysReg::Q0; } + return PhysReg::W0; + }; + + // ---- 2. 分离 caller/callee-saved regunit ---- + std::vector caller_rus, callee_rus, caller_rus_safe; + for (int ru : all_rus) { + bool is_callee = false; + if (ru < 100) { + is_callee = (ru >= 19); // x19-x28 = callee-saved + } else if (ru < 200) { + is_callee = ((ru - 100) >= 16); + } else { + is_callee = ((ru - 200) >= 16); + } + if (is_callee) callee_rus.push_back(ru); + else { + caller_rus.push_back(ru); + if (ru != 16 && ru != 17) caller_rus_safe.push_back(ru); + } + } + + // ---- 3. 计算优先级（LLVM 风格 spill weight）---- + // spillWeight = cost / (liveRangeLen * degree) + // 短活范围 + 低干涉度 + 高代价 → 优先分配 + // 长活范围 + 高干涉度 + 低代价 → 优先溢出 + std::unordered_map range_len; + for (int v : vregs) { + int total_len = 0; + auto *iv = ctx.li.GetIntervals(v); + if (iv) for (auto &[block, seg] : *iv) total_len += seg.end - seg.start; + range_len[v] = std::max(1, total_len); + } + + // 先构建 copy_partners 映射（从 MovReg 指令收集） + std::unordered_map> copy_partners; + for (auto &block : ctx.mf->GetBlocks()) { + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() != Opcode::MovReg) continue; + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 2 && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int dst = ops[0].GetVRegId(); + int src = ops[1].GetVRegId(); + if (dst != src) { + copy_partners[dst].push_back(src); + copy_partners[src].push_back(dst); + } + } + } + } + + // 合并 phi 连接（最高优先级 copy hint——phi 两端应强制分配到同一寄存器） + if (phi_pairs) { + for (auto &[v, partners] : *phi_pairs) { + for (int p : partners) { + // 避免重复 + auto &cp = copy_partners[v]; + if (std::find(cp.begin(), cp.end(), p) == cp.end()) + cp.push_back(p); + } + } + } + + struct VRegPriority { int vreg; double weight; int cost; }; + std::vector queue; + for (int v : vregs) { + int cost = ctx.costs.count(v) ? ctx.costs.at(v) : 1; + int deg = 0; + auto it = ctx.interf_graph.find(v); + if (it != ctx.interf_graph.end()) + for (int nb : it->second) if (nb >= 0) deg++; + // LLVM 风格：spill weight = cost / (range_len * degree) + // 短活范围 + 低干涉 + 高代价 = 优先寄存器 + double weight = (double)cost / (std::max(1.0, (double)range_len[v]) * std::max(1, deg)); + queue.push_back({v, weight, cost}); + } + std::sort(queue.begin(), queue.end(), + [](const VRegPriority &a, const VRegPriority &b) { return a.weight > b.weight; }); + + // Phi-group 亲和排序：将 copy-connected vreg 在队列中相邻放置 + if (!copy_partners.empty()) { + std::unordered_map group_id; + std::vector> groups; + std::unordered_set visited; + for (auto &[v, _] : copy_partners) { + if (visited.count(v)) continue; + std::vector comp, stack; + stack.push_back(v); visited.insert(v); + while (!stack.empty()) { + int cur = stack.back(); stack.pop_back(); + comp.push_back(cur); + auto it = copy_partners.find(cur); + if (it != copy_partners.end()) + for (int p : it->second) + if (!visited.count(p)) { visited.insert(p); stack.push_back(p); } + } + if (comp.size() > 1) { + int gid = (int)groups.size(); + groups.push_back(std::move(comp)); + for (int m : groups.back()) group_id[m] = gid; + } + } + if (!groups.empty()) { + std::unordered_map vreg_to_queue_idx; + for (size_t i = 0; i < queue.size(); ++i) vreg_to_queue_idx[queue[i].vreg] = (int)i; + std::vector nq; + std::unordered_set placed; + for (auto &vp : queue) { + if (placed.count(vp.vreg)) continue; + auto gi = group_id.find(vp.vreg); + if (gi != group_id.end()) { + auto &members = groups[gi->second]; + std::vector grp; + for (int m : members) grp.push_back(queue[vreg_to_queue_idx[m]]); + std::sort(grp.begin(), grp.end(), + [](const VRegPriority &a, const VRegPriority &b) { return a.weight > b.weight; }); + for (auto &gvp : grp) { nq.push_back(gvp); placed.insert(gvp.vreg); } + } else { + nq.push_back(vp); + placed.insert(vp.vreg); + } + } + queue = std::move(nq); + } + } + + // ---- 4. 构建 vreg set + 预着色节点固定约束 ---- + std::unordered_set vreg_set(vregs.begin(), vregs.end()); + std::unordered_map assigned_ru; // vreg → regunit（含预着色节点） + + // 预着色节点：标记其固定 regunit + for (auto &[node_id, edges] : ctx.interf_graph) { + if (node_id >= 0) continue; + for (int nb : edges) { + if (vreg_set.count(nb)) { + assigned_ru[node_id] = -(node_id + 1); + break; + } + } + } + + // Copy hints：从已分配的 copy-connected vreg 获取建议 regunit + auto get_copy_hint = [&](int v) -> int { + // 优先检查 copy-connected 的 vreg 是否已分配 + auto ch = copy_partners.find(v); + if (ch != copy_partners.end()) { + for (int partner : ch->second) { + auto ait = assigned_ru.find(partner); + if (ait != assigned_ru.end()) return ait->second; + } + } + // 回退：检查任何已分配的同 class 邻居 + auto it = ctx.interf_graph.find(v); + if (it == ctx.interf_graph.end()) return -1; + for (int nb : it->second) { + if (nb < 0) continue; + auto ait = assigned_ru.find(nb); + if (ait != assigned_ru.end() && + ctx.mf->GetVRegClass(nb) == ctx.mf->GetVRegClass(v)) + return ait->second; + } + return -1; + }; + + // ---- 5. 核心分配循环：优先级驱动 + 直接 PhysReg + 驱逐 ---- + // LIU O(log n) 查询 + 干涉图 phantom 约束 = 完整 blocked 检测 + auto is_ru_blocked = [&](int ru, int vreg) -> bool { + // 1. LIU 查询：已分配 vreg 的活范围重叠（O(log n)） + auto liu_it = ctx.regunit_liu.find(ru); + if (liu_it != ctx.regunit_liu.end()) { + auto vr_it = ctx.vr.find(vreg); + if (vr_it != ctx.vr.end()) { + for (auto &[block, r] : vr_it->second) { + if (!r.has_ref) continue; + auto bi = ctx.block_index.find(block); + if (bi == ctx.block_index.end()) continue; + if (liu_it->second.Overlaps(bi->second, r.first, r.last + 1)) + return true; + } + } + } + // 2. 干涉图 phantom 约束：预着色 PhysReg 固定占用（O(1)） + auto itg = ctx.interf_graph.find(vreg); + if (itg != ctx.interf_graph.end()) { + for (int nb : itg->second) { + if (nb >= 0) continue; // 仅 phantom 节点 + if (-(nb + 1) == ru) return true; + } + } + return false; + }; + + for (auto &[v, weight, cost] : queue) { + if (ctx.info[v].spilled) continue; + + VRegClass vc = ctx.mf->GetVRegClass(v); + RegHint hint = ctx.info[v].reg_hint; + + // LIU 主查：O(log n) + phantom 约束，替代干涉图 blocked_ru + auto it = ctx.interf_graph.find(v); // 驱逐候选收集仍需干涉图 + + // 候选列表：跨调用仅 callee-saved，非跨调用可使用全部 caller + const auto &primary = (hint == RegHint::kCalleeOnly) ? callee_rus : caller_rus; + static const std::vector empty_rus; + const auto &secondary = (hint == RegHint::kCalleeOnly) ? empty_rus : callee_rus; + + // 尝试分配空闲 regunit（优先 copy hint） + // LIU 辅助：使用 ctx.vr（与干涉图完全相同的数据源）将 vreg 活范围添加到 LIU + auto liu_add = [&](int vreg, int ru) { + auto vr_it = ctx.vr.find(vreg); + if (vr_it == ctx.vr.end()) return; + for (auto &[block, r] : vr_it->second) { + if (!r.has_ref) continue; + auto bi_it = ctx.block_index.find(block); + if (bi_it != ctx.block_index.end()) + ctx.regunit_liu[ru].Add(bi_it->second, r.first, r.last + 1, vreg); + } + }; + auto liu_remove = [&](int vreg, int ru) { + auto liu_it = ctx.regunit_liu.find(ru); + if (liu_it != ctx.regunit_liu.end()) + liu_it->second.Remove(vreg); + }; + auto try_assign = [&](const std::vector &ru_list) -> bool { + int hint_ru = get_copy_hint(v); + // LIU 主查 + if (hint_ru >= 0 && !is_ru_blocked(hint_ru, v)) { + PhysReg reg = find_reg(hint_ru, vc); + if (Compat(reg, vc)) { + assigned_ru[v] = hint_ru; + ctx.info[v].phys_reg = reg; + ctx.info[v].spilled = false; + liu_add(v, hint_ru); + return true; + } + } + // 然后尝试其他 regunit + for (int ru : ru_list) { + if (is_ru_blocked(ru, v)) continue; + PhysReg reg = find_reg(ru, vc); + if (!Compat(reg, vc)) continue; + assigned_ru[v] = ru; + ctx.info[v].phys_reg = reg; + ctx.info[v].spilled = false; + liu_add(v, ru); + return true; + } + return false; + }; + + if (try_assign(primary)) continue; + if (hint != RegHint::kCalleeOnly && try_assign(secondary)) continue; + + // ---- 驱逐：找最低总 spill_cost 的邻居集合，释放其 regunit ---- + // LLVM Greedy 驱逐策略（对齐 llvm/lib/CodeGen/RegAllocGreedy.cpp:selectOrSplit）： + // 1. 检查每个 PhysReg 上已分配的所有 interfering vreg + // 2. 若任一邻居代价严格高于当前 vreg → 跳过此寄存器（不驱逐更重要的 vreg） + // 3. 否则计算 evict 总代价 = Σ(邻居代价) + // 4. 选总代价最小的寄存器 + // 5. 仅当 驱逐总代价 < 当前 vreg 代价 时才执行驱逐（效益 > 代价） + int best_ru = -1; + double best_evict_cost = 1e18; + double best_raw_cost = 1e18; // 不含 copy hint 折扣的原始代价，用于效益检查 + std::vector best_evictees; + int hint_ru = get_copy_hint(v); + + // 对所有可驱逐的 regunit 评估驱逐代价 + std::vector evict_candidates; + if (hint == RegHint::kCalleeOnly) evict_candidates = callee_rus; + else { evict_candidates.assign(all_rus.begin(), all_rus.end()); } + + for (int ru : evict_candidates) { + if (!is_ru_blocked(ru, v)) continue; // LIU：此 regunit 空闲，无需驱逐 + + // 驱逐候选收集：仍用干涉图（已验证 100% 正确），LIU 跟踪同步 + std::vector evictees; + double total_cost = 0; + bool has_higher_cost = false; + + if (it != ctx.interf_graph.end()) { + for (int nb : it->second) { + if (nb < 0) continue; // phantom 节点不可驱逐 + auto ait = assigned_ru.find(nb); + if (ait != assigned_ru.end() && ait->second == ru) { + int nb_cost = ctx.costs.count(nb) ? ctx.costs.at(nb) : 1; + // LLVM：仅当邻居代价严格更高时才跳过（等代价允许驱逐——任意选择） + if (nb_cost > cost) { has_higher_cost = true; break; } + evictees.push_back(nb); + total_cost += nb_cost; + } + } + } + + if (has_higher_cost || evictees.empty()) continue; + // LLVM 风格：驱逐总代价 = Σ(邻居代价)，不对邻居数量额外惩罚 + double effective_cost = total_cost; + + // Copy hint 偏向： + // - phi 连接：0.25x（最强——phi 两端应强制同寄存器） + // - 普通 copy：0.5x（倾向同寄存器） + if (ru == hint_ru) { + bool is_phi = false; + if (phi_pairs) { + auto it = phi_pairs->find(v); + if (it != phi_pairs->end()) { + for (int p : it->second) { + auto ait = assigned_ru.find(p); + if (ait != assigned_ru.end() && ait->second == ru) { + is_phi = true; break; + } + } + } + } + effective_cost *= is_phi ? 0.25 : 0.5; + } + + if (effective_cost < best_evict_cost) { + best_evict_cost = effective_cost; + best_raw_cost = total_cost; // 原始代价，用于效益检查 + best_ru = ru; + best_evictees = std::move(evictees); + } + } + + // LLVM 效益检查：仅当驱逐邻居的总代价严格低于当前 vreg 自身溢出代价时才执行驱逐 + // 确保不会为了一个低成本 vreg 驱逐多个高成本邻居 + if (best_ru >= 0 && best_raw_cost >= (double)cost) { + best_ru = -1; + best_evictees.clear(); + } + + if (best_ru >= 0) { + // 驱逐邻居（从 LIU 移除 + 标记 spilled） + for (int ev : best_evictees) { + auto ev_ait = assigned_ru.find(ev); + if (ev_ait != assigned_ru.end()) liu_remove(ev, ev_ait->second); + assigned_ru.erase(ev); + ctx.info[ev].spilled = true; + } + // 分配给当前 vreg（添加到 LIU + 标记 assigned） + assigned_ru[v] = best_ru; + ctx.info[v].phys_reg = find_reg(best_ru, vc); + ctx.info[v].spilled = false; + liu_add(v, best_ru); + continue; + } + + // 无法分配也无法驱逐 → spill + ctx.info[v].spilled = true; + } +} + +// ============================================================================ +// 7. 指令重写 —— 复用经过验证的 RewriteWithAllocation 逻辑 +// ============================================================================ + +static PhysReg NumberToPhysReg(int num, VRegClass vc) { + if (vc == VRegClass::Float) return static_cast(static_cast(PhysReg::S0)+num); + if (vc == VRegClass::Vec) return static_cast(static_cast(PhysReg::Q0)+num); + if (vc == VRegClass::Ptr) return static_cast(static_cast(PhysReg::X0)+num); + return static_cast(static_cast(PhysReg::W0)+num); +} + +static bool IsGPReg(PhysReg r) { return (r>=PhysReg::W0&&r<=PhysReg::W30)||(r>=PhysReg::X0&&r<=PhysReg::X30); } +static bool IsFPReg(PhysReg r) { return r>=PhysReg::S0&&r<=PhysReg::S31; } +static bool IsVecReg(PhysReg r){ return r>=PhysReg::Q0&&r<=PhysReg::Q31; } + +static const int GP_ALLOCATABLE[] = {8,9,10,11,12,13,14,15,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28}; +static const int GP_NUM_ALLOCATABLE = 18; + +static int PickGPScratchReg(const std::set &used, + const MachineRegisterInfo::InstDefUse &du, + const std::unordered_map &gp_assign, int skip=-1) { + // x16 在分配池中 → 可能需要回退到 x15 做第二个 scratch（双 spilled 操作数时） + // 仅在 x17 也正在用于另一个 spill reload 时触发 + static const int pri[]={17,16,15,14,13,12,11,10,9,8}; + for(int r:pri){if(used.count(r))continue;bool u2=false; + for(int d:du.defs)if(d!=skip){auto it=gp_assign.find(d);if(it!=gp_assign.end()&&it->second==r){u2=true;break;}} + if(!u2)for(int u3:du.uses){auto it=gp_assign.find(u3);if(it!=gp_assign.end()&&it->second==r){u2=true;break;}} + if(!u2)return r; + } + for(int r:GP_ALLOCATABLE){if(used.count(r))continue;bool u2=false; + for(int d:du.defs)if(d!=skip){auto it=gp_assign.find(d);if(it!=gp_assign.end()&&it->second==r){u2=true;break;}} + if(!u2)for(int u3:du.uses){auto it=gp_assign.find(u3);if(it!=gp_assign.end()&&it->second==r){u2=true;break;}} + if(!u2)return r; + } + return GP_ALLOCATABLE[0]; +} + +static int PickFPScratchReg(const std::set &used, + const MachineRegisterInfo::InstDefUse &du, + const std::unordered_map &fp_assign, int skip=-1) { + for(int i=8;i<=31;++i){if(used.count(i))continue;bool u2=false; + for(int d:du.defs){if(d==skip)continue;auto it=fp_assign.find(d);if(it!=fp_assign.end()&&it->second==i){u2=true;break;}} + if(!u2)for(int u3:du.uses){auto it=fp_assign.find(u3);if(it!=fp_assign.end()&&it->second==i){u2=true;break;}} + if(!u2)return i; + } + return 8; +} + +static int PickVecScratchReg(const std::set &used, + const MachineRegisterInfo::InstDefUse &du, + const std::unordered_map &vec_assign, int skip=-1) { + for(int i=16;i<=31;++i){if(used.count(i))continue;bool u2=false; + for(int d:du.defs){if(d==skip)continue;auto it=vec_assign.find(d);if(it!=vec_assign.end()&&it->second==i){u2=true;break;}} + if(!u2)for(int u3:du.uses){auto it=vec_assign.find(u3);if(it!=vec_assign.end()&&it->second==i){u2=true;break;}} + if(!u2)return i; + } + for(int i=0;i<=15;++i){if(used.count(i))continue;bool u2=false; + for(int d:du.defs){if(d==skip)continue;auto it=vec_assign.find(d);if(it!=vec_assign.end()&&it->second==i){u2=true;break;}} + if(!u2)for(int u3:du.uses){auto it=vec_assign.find(u3);if(it!=vec_assign.end()&&it->second==i){u2=true;break;}} + if(!u2)return i; + } + return 16; +} + +static void RewriteWithAllocation(MachineFunction &function, + const std::unordered_map &gp_assign, + const std::unordered_map &fp_assign, + const std::unordered_map &vec_assign, + const std::set &spilled, FuncCtx &ctx) { + // Remat analysis + struct RematInfo { Opcode opcode; int imm; VRegClass vreg_class; }; + std::unordered_map remat; + { std::unordered_map dc; std::unordered_map ld; + for(auto &b:function.GetBlocks()) for(auto &inst:b->GetInstructions()){ + auto du=MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst);for(int d:du.defs){dc[d]++;ld[d]=&inst;}} + for(auto &[v,c]:dc) if(c==1&&spilled.count(v)&&ld[v]&&ld[v]->IsRematerializable()) + remat[v]={ld[v]->GetOpcode(),ld[v]->GetRematImm(),function.GetVRegClass(v)}; + } + + std::unordered_map slots; + for(int v:spilled){if(remat.count(v))continue; + int sz=4;auto vc=function.GetVRegClass(v);if(vc==VRegClass::Ptr)sz=8;else if(vc==VRegClass::Vec)sz=16; + slots[v]=function.CreateFrameIndex(sz); + } + + for(auto &block:function.GetBlocks()){ + // 块内溢出缓存：slot_idx → 当前持有的 PhysReg（避免重复 LoadStack） + std::unordered_map slot_cache; + std::vector ni; + for(auto &inst:block->GetInstructions()){ + auto du=MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + std::set usg,usf,usv; + + // Call 使所有 caller-saved 缓存失效 + if(inst.GetOpcode() == Opcode::Call) + slot_cache.clear(); + + for(int u:du.uses){if(!spilled.count(u))continue; + auto vc=function.GetVRegClass(u);int slot_id=slots[u];int rn=-1; + PhysReg cached_reg = PhysReg::W0; + bool use_cache = false; + + // 检查块内缓存：此 slot 是否已加载到某寄存器 + auto sc_it = slot_cache.find(slot_id); + if(sc_it != slot_cache.end()) { + cached_reg = sc_it->second; + rn = ToRegUnit(cached_reg); + // 确保缓存寄存器不被此指令的其他 use 或 def 占用 + bool conflict = false; + if(vc==VRegClass::Float||vc==VRegClass::Vec) conflict = usf.count(rn)||usv.count(rn); + else conflict = usg.count(rn); + if(!conflict) { use_cache = true; } + } + + if(!use_cache) { + if(vc==VRegClass::Float){rn=PickFPScratchReg(usf,du,fp_assign);usf.insert(rn);} + else if(vc==VRegClass::Vec){rn=PickVecScratchReg(usv,du,vec_assign);usv.insert(rn);} + else{rn=PickGPScratchReg(usg,du,gp_assign);usg.insert(rn);} + PhysReg rr=NumberToPhysReg(rn,vc); + if(remat.count(u)){auto&ri=remat[u]; + if(ri.opcode==Opcode::MovImm) ni.push_back(MachineInstr(Opcode::MovImm,{Operand::Reg(rr),Operand::Imm(ri.imm)})); + else ni.push_back(MachineInstr(Opcode::LoadStack,{Operand::Reg(rr),Operand::FrameIndex(slot_id)})); + }else ni.push_back(MachineInstr(Opcode::LoadStack,{Operand::Reg(rr),Operand::FrameIndex(slot_id)})); + // 失效旧缓存：若此寄存器正缓存另一个 slot，先 invalidate + for(auto it=slot_cache.begin();it!=slot_cache.end();) + if(it->second==rr&&it->first!=slot_id) it=slot_cache.erase(it); else ++it; + slot_cache[slot_id] = rr; + cached_reg = rr; + if(vc==VRegClass::Float) usf.insert(rn); + else if(vc==VRegClass::Vec) usv.insert(rn); + else usg.insert(rn); + } + for(auto &op:inst.GetOperands()) if(op.GetKind()==Operand::Kind::VReg&&op.GetVRegId()==u) const_cast(op)=Operand::Reg(cached_reg); + } + for(auto &op:inst.GetOperands()){if(op.GetKind()!=Operand::Kind::VReg)continue; + int v=op.GetVRegId();auto avc=function.GetVRegClass(v);int rn=-1; + if(avc==VRegClass::Float){auto it=fp_assign.find(v);if(it!=fp_assign.end())rn=it->second;} + else if(avc==VRegClass::Vec){auto it=vec_assign.find(v);if(it!=vec_assign.end())rn=it->second;} + else{auto it=gp_assign.find(v);if(it!=gp_assign.end())rn=it->second;} + if(rn>=0) const_cast(op)=Operand::Reg(NumberToPhysReg(rn,avc)); + else if(spilled.count(v)){int srn=-1; + if(avc==VRegClass::Float){srn=PickFPScratchReg(usf,du,fp_assign,v);usf.insert(srn);} + else if(avc==VRegClass::Vec){srn=PickVecScratchReg(usv,du,vec_assign,v);usv.insert(srn);} + else{srn=PickGPScratchReg(usg,du,gp_assign,v);usg.insert(srn);} + const_cast(op)=Operand::Reg(NumberToPhysReg(srn,avc)); + } + } + ni.push_back(std::move(const_cast(inst))); + for(int d:du.defs){if(!spilled.count(d)||remat.count(d))continue; + auto vc=function.GetVRegClass(d);PhysReg sr=PhysReg::W0; + for(auto &op:ni.back().GetOperands()){if(op.GetKind()==Operand::Kind::Reg){PhysReg r=op.GetReg(); + if((vc==VRegClass::Float&&IsFPReg(r))||(vc==VRegClass::Vec&&IsVecReg(r))||(vc!=VRegClass::Float&&vc!=VRegClass::Vec&&IsGPReg(r))){sr=r;break;}}} + int slot=slots[d]; + // 若此寄存器正缓存另一个 slot，先 invalidate + for(auto it=slot_cache.begin();it!=slot_cache.end();) + if(it->second==sr&&it->first!=slot) it=slot_cache.erase(it); else ++it; + ni.push_back(MachineInstr(Opcode::StoreStack,{Operand::Reg(sr),Operand::FrameIndex(slot)})); + slot_cache[slot]=sr; // 更新缓存：此 reg 现在持有此 slot 的最新值 + } + } + block->GetInstructions()=std::move(ni); + } + + // Callee-saved + for(int v=0;vsecond;} + else if(vc==VRegClass::Vec){auto it=vec_assign.find(v);if(it!=vec_assign.end())num=it->second;} + else{auto it=gp_assign.find(v);if(it!=gp_assign.end())num=it->second;} + if(num<0)continue; + if((vc==VRegClass::Int||vc==VRegClass::Ptr)&&num>=19&&num<=28) + function.AddCalleeSavedReg(static_cast(static_cast(PhysReg::X0)+num)); + else if(vc==VRegClass::Float&&num>=16&&num<=31) + function.AddCalleeSavedReg(NumberToPhysReg(num,vc)); + } +} + +// ============================================================================ +// 8. 主入口 +// ============================================================================ + +static void Allocate(MachineFunction &f) { + if (f.GetNumVRegs()==0) return; + FuncCtx ctx; ctx.mf=&f; ctx.leaf=IsLeafFunc(f); + + // ---- Phi 连接跟踪 ---- + // Phi 元数据已由 PhiElimination 在 SSA 销毁前收集并存储在 MachineFunction 上。 + // phi_block_arg_block：用于 phi-aware Coalesce（排除 successor 块中的伪干涉） + // phi_pairs：在 AllocClass 中获得最强 copy hint（phi 两端同寄存器） + const auto &phi_block_arg_block = f.GetPhiBlockArgBlock(); + const auto &phi_pairs = f.GetPhiPairs(); + + ctx.li.Compute(f); + + // ---- Split-for-Coalesce：已禁用 ---- + // 预分裂创建额外副本，在非 SSA MIR 中净增指令数。 + // 正确方案：分配时 SplitKit（按需分裂，仅在分配失败时触发）。 + + // ---- Coalescing: 合并 copy-connected 的非干涉 vreg ---- + if (Coalesce(f, ctx.li, &phi_block_arg_block)) { + ctx.li.Compute(f); + } + + // ---- PHI copy 前向传播：消除单次使用的副本 vreg ---- + // 对于 MovReg(dst, src)，若 src 仅此一次使用且 dst 仅此一次定义， + // 将 dst 的所有使用替换为 src → 减少 vreg 数量和 MOV 指令 + { + int nv = f.GetNumVRegs(); + std::vector use_counts(nv, 0), def_counts(nv, 0); + for (auto &block : f.GetBlocks()) + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) if (u >= 0 && u < nv) use_counts[u]++; + for (int d : du.defs) if (d >= 0 && d < nv) def_counts[d]++; + } + + struct CopyPair { int dst; int src; }; + std::vector prop_copies; + for (auto &block : f.GetBlocks()) + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() != Opcode::MovReg) continue; + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 2 && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int dst = ops[0].GetVRegId(); + int src = ops[1].GetVRegId(); + if (dst >= 0 && src >= 0 && dst < nv && src < nv && + use_counts[src] == 1 && def_counts[dst] == 1) { + prop_copies.push_back({dst, src}); + } + } + } + + if (!prop_copies.empty()) { + // 构建传递闭包替换映射：dst → ultimate_src + std::unordered_map replace; + for (auto &[dst, src] : prop_copies) { + int ult = src; + while (replace.count(ult)) ult = replace[ult]; + if (ult != dst) replace[dst] = ult; + } + + // 应用替换 + 删除被传播的 MovReg + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + std::vector ni; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::MovReg) { + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + replace.count(ops[0].GetVRegId())) continue; + } + for (auto &op : inst.GetOperands()) { + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + auto it = replace.find(op.GetVRegId()); + if (it != replace.end()) + const_cast(op) = Operand::VReg(it->second, f.GetVRegClass(it->second)); + } + } + ni.push_back(std::move(const_cast(inst))); + } + block->GetInstructions() = std::move(ni); + } + ctx.li.Compute(f); + } + } + + ctx.depths=LoopDepths(f); + ctx.info.resize(f.GetNumVRegs()); + ComputeCosts(ctx); + ComputeCrossCallVRegs(ctx); + ComputeRegHints(ctx); // per-vreg 寄存器类提示 + BuildInterfGraph(ctx); + + // ── LiveIntervalUnion 初始化 ── + // Block → index 映射 + { + int idx = 0; + for (auto &b : f.GetBlocks()) + ctx.block_index[b.get()] = idx++; + } + // 为每个候选 regunit 创建 LIU 实例 + for (auto &r : ctx.gp_cands) { + int ru = ToRegUnit(r); + if (!ctx.regunit_liu.count(ru)) ctx.regunit_liu[ru] = LiveIntervalUnion(); + } + for (auto &r : ctx.fp_cands) { + int ru = ToRegUnit(r); + if (!ctx.regunit_liu.count(ru)) ctx.regunit_liu[ru] = LiveIntervalUnion(); + } + for (auto &r : ctx.vec_cands) { + int ru = ToRegUnit(r); + if (!ctx.regunit_liu.count(ru)) ctx.regunit_liu[ru] = LiveIntervalUnion(); + } + // 预着色 phantom 节点预填 LIU（使用 ctx.vr——与干涉图完全相同的数据源） + for (auto &[node_id, edges] : ctx.interf_graph) { + if (node_id >= 0) continue; // 仅 phantom 节点 + int ru = -(node_id + 1); + for (int nb : edges) { + if (nb < 0) continue; + auto vr_it = ctx.vr.find(nb); + if (vr_it == ctx.vr.end()) continue; + for (auto &[block, r] : vr_it->second) { + if (!r.has_ref) continue; + auto bi = ctx.block_index.find(block); + if (bi == ctx.block_index.end()) continue; + ctx.regunit_liu[ru].Add(bi->second, r.first, r.last + 1, node_id); + } + } + } + + // 候选寄存器： + // - 叶函数：LEAF_GP (23 regs, 含 x0-x7) —— 无 Call，x0-x7 无需保护 + // - 非叶函数：EXT_GP (26 regs, 含 x0-x7) —— Call Clobber phantom + RegHint 保护 + // （递归函数同样使用 EXT_GP——phantom + RegHint 机制覆盖自递归场景） + const int *gn = ctx.leaf ? LEAF_GP_NUMS : EXT_GP_NUMS; + int gc = ctx.leaf ? LEAF_GP_COUNT : EXT_GP_COUNT; + for(int i=0;i(static_cast(PhysReg::W0)+gn[i])); + ctx.gp_cands.push_back(static_cast(static_cast(PhysReg::X0)+gn[i])); + } + for(int r:FP_NUMS) ctx.fp_cands.push_back(static_cast(static_cast(PhysReg::S0)+r)); + for(int r:VEC_NUMS) ctx.vec_cands.push_back(static_cast(static_cast(PhysReg::Q0)+r)); + + // 分组 + int nv=f.GetNumVRegs(); + std::vector gp,fp,vec; + auto regroup=[&](){gp.clear();fp.clear();vec.clear(); + for(int v=0;v 减少的 spill 指令。保留代码以供将来优化。 + + std::unordered_map slots; + + const int MAX_ROUNDS=10; + for(int round=0;round spilled; + for(int v=0;v spilled_list(spilled.begin(), spilled.end()); + std::sort(spilled_list.begin(), spilled_list.end(), [&](int a, int b) { + int ca = ctx.costs.count(a) ? ctx.costs.at(a) : 1; + int cb = ctx.costs.count(b) ? ctx.costs.at(b) : 1; + return ca > cb; + }); + for (int v : spilled_list) { + if (ctx.info[v].remat) continue; + // 策略 1: 循环边界分裂 + int hot_vreg = SplitVRegAtLoopBoundary(ctx, v); + // 策略 2: 调用边界分裂（循环分裂失败时尝试，对齐 LLVM 多策略） + if (hot_vreg < 0) + hot_vreg = SplitVRegAtCallBoundary(ctx, v); + if (hot_vreg >= 0) { + split_count++; + ctx.info[v].spilled = false; + ctx.info.resize(ctx.mf->GetNumVRegs()); + } + } + + if (split_count > 0) { + spilled.clear(); + for(int v=0;v ni; + for(auto &inst:block->GetInstructions()){auto du=MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for(int u:du.uses){if(!spilled.count(u))continue; + auto vc=f.GetVRegClass(u);int nv2=f.CreateVReg(vc); + if(!ctx.info[u].remat) ni.push_back(MachineInstr(Opcode::LoadStack,{Operand::VReg(nv2,vc),Operand::FrameIndex(slots[u])})); + else ni.push_back(MachineInstr(Opcode::MovImm,{Operand::VReg(nv2,vc),Operand::Imm(ctx.info[u].remat_imm)})); + for(auto &op:inst.GetOperands()) if(op.GetKind()==Operand::Kind::VReg&&op.GetVRegId()==u) const_cast(op)=Operand::VReg(nv2,vc); + } + ni.push_back(std::move(const_cast(inst))); + for(int d:du.defs){if(!spilled.count(d)||ctx.info[d].remat)continue; + auto vc=f.GetVRegClass(d);int nv2=f.CreateVReg(vc); + for(auto &op:ni.back().GetOperands()) if(op.GetKind()==Operand::Kind::VReg&&op.GetVRegId()==d) const_cast(op)=Operand::VReg(nv2,vc); + ni.push_back(MachineInstr(Opcode::StoreStack,{Operand::VReg(nv2,vc),Operand::FrameIndex(slots[d])})); + } + } + block->GetInstructions()=std::move(ni); + } + + int old_nv=nv; nv=f.GetNumVRegs(); + ctx.li.Compute(f); ctx.depths=LoopDepths(f); + ctx.info.resize(nv); ComputeCosts(ctx); + for(int v=old_nv;v conflicts; + for (int a = 0; a < nv; ++a) { + if (ctx.info[a].spilled) continue; + int ra = ToRegUnit(ctx.info[a].phys_reg); + for (int b = a + 1; b < nv; ++b) { + if (ctx.info[b].spilled) continue; + if (ToRegUnit(ctx.info[b].phys_reg) != ra) continue; + if (ctx.li.Interfere(a, b)) { + int ca = ctx.costs.count(a) ? ctx.costs.at(a) : 1; + int cb = ctx.costs.count(b) ? ctx.costs.at(b) : 1; + conflicts.insert(ca < cb ? a : b); + } + } + } + if (conflicts.empty()) break; + for (int v : conflicts) ctx.info[v].spilled = true; + } + + // 转换为 reg_number 格式 + std::unordered_map gp_assign, fp_assign, vec_assign; + std::set spilled_set; + auto get_assign=[&](int v)->int{ + if(gp_assign.count(v))return gp_assign.at(v); + if(fp_assign.count(v))return fp_assign.at(v); + if(vec_assign.count(v))return vec_assign.at(v); + return -1; + }; + for(int v=0;v ni; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::MovReg) { + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 2 && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int rd = get_assign(ops[0].GetVRegId()); + int rs = get_assign(ops[1].GetVRegId()); + if (rd >= 0 && rd == rs && !spilled_set.count(ops[0].GetVRegId()) + && !spilled_set.count(ops[1].GetVRegId())) + continue; // 死 MovReg → 丢弃 + } + } + ni.push_back(std::move(const_cast(inst))); + } + block->GetInstructions() = std::move(ni); + } + + RewriteWithAllocation(f, gp_assign, fp_assign, vec_assign, spilled_set, ctx); +} + +} // anonymous namespace + +void RunGreedyRegAlloc(MachineFunction &function) { Allocate(function); } +void RunGreedyRegAlloc(MachineModule &module) { for(auto &func:module.GetFunctions()) Allocate(*func); } + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/LiveIntervals.cpp b/src/mir/LiveIntervals.cpp new file mode 100644 index 00000000..2b9f3d6d --- /dev/null +++ b/src/mir/LiveIntervals.cpp @@ -0,0 +1,719 @@ +#include "mir/LiveIntervals.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include + +namespace mir { + +void LiveIntervals::Compute(MachineFunction &mf) { + num_vregs_ = mf.GetNumVRegs(); + intervals_.clear(); + live_blocks_.clear(); + block_to_idx_.clear(); + block_def_use_.clear(); + segments_.clear(); + inst_to_slot_.clear(); + slot_to_inst_.clear(); + + auto &blocks = mf.GetBlocks(); + const size_t num_blocks = blocks.size(); + + // ---- 全局指令编号 ---- + block_start_slots_.resize(num_blocks); + block_end_slots_.resize(num_blocks); + int global_slot = 0; + for (size_t i = 0; i < num_blocks; ++i) { + block_start_slots_[i] = global_slot; + int inst_idx = 0; + for (const auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + SlotIndex si{global_slot}; + inst_to_slot_[&inst] = si; + if (global_slot >= static_cast(slot_to_inst_.size())) + slot_to_inst_.resize(global_slot + 1); + slot_to_inst_[global_slot] = &inst; + global_slot++; + inst_idx++; + } + block_end_slots_[i] = global_slot; + } + total_slots_ = global_slot; + + // 建立块→索引映射 + for (size_t i = 0; i < num_blocks; ++i) + block_to_idx_[blocks[i].get()] = static_cast(i); + + // 建立 label→block 映射（用于 CFG 遍历） + std::unordered_map label_to_block; + for (size_t i = 0; i < num_blocks; ++i) + label_to_block[blocks[i]->GetLabelId()] = static_cast(i); + + // Step 1: 计算块级 def/use（含 SSA 块参数和后继参数） + block_live_.resize(num_blocks); + for (size_t i = 0; i < num_blocks; ++i) { + auto &bl = block_live_[i]; + for (const auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) + if (bl.def.find(u) == bl.def.end()) + bl.use.insert(u); + for (int d : du.defs) + bl.def.insert(d); + } + } + + // Step 2: 迭代计算 live_in / live_out + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + // 反向遍历块（加速收敛） + for (int i = static_cast(num_blocks) - 1; i >= 0; --i) { + auto &bl = block_live_[i]; + + // live_out = ∪ successors.live_in + std::unordered_set new_out; + for (const auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Br && inst.GetOperands().size() >= 1 && + inst.GetOperands()[0].GetKind() == Operand::Kind::Label) { + auto it = label_to_block.find(inst.GetOperands()[0].GetLabel()); + if (it != label_to_block.end()) + for (int v : block_live_[it->second].live_in) + new_out.insert(v); + } + if (inst.GetOpcode() == Opcode::CondBr && inst.GetOperands().size() >= 2 && + inst.GetOperands()[1].GetKind() == Operand::Kind::Label) { + auto it = label_to_block.find(inst.GetOperands()[1].GetLabel()); + if (it != label_to_block.end()) + for (int v : block_live_[it->second].live_in) + new_out.insert(v); + } + } + if (new_out != bl.live_out) { + bl.live_out = std::move(new_out); + changed = true; + } + + // live_in = use ∪ (live_out - def) + std::unordered_set new_in = bl.use; + for (int v : bl.live_out) + if (bl.def.find(v) == bl.def.end()) + new_in.insert(v); + + if (new_in != bl.live_in) { + bl.live_in = std::move(new_in); + changed = true; + } + } + } + + // Step 3: 计算每个 vreg 在每个块内的精确区间 + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + auto &block = blocks[bi]; + auto &bl = block_live_[bi]; + const auto &insts = block->GetInstructions(); + int num_insts = static_cast(insts.size()); + + // 活跃 vreg 集合：live_in + 块内定义的 + std::unordered_set relevant; + for (int v : bl.live_in) relevant.insert(v); + for (int v : bl.def) relevant.insert(v); + for (int v : bl.use) relevant.insert(v); + + for (int vreg : relevant) { + if (vreg < 0 || vreg >= num_vregs_) continue; + + // 确定区间：从第一条活跃指令到最后一条 + int first = num_insts; // 未找到 + int last = -1; + + bool is_live_in = bl.live_in.count(vreg) > 0; + bool is_live_out = bl.live_out.count(vreg) > 0; + bool is_defined_here = bl.def.count(vreg) > 0; + + if (!is_live_in && !is_defined_here) continue; // 不在此块活跃 + + // 如果 live-in，从第一条指令开始 + if (is_live_in) first = 0; + + // 扫描指令找 def 和 last use + for (int ii = 0; ii < num_insts; ++ii) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(insts[ii]); + + bool defs_here = std::find(du.defs.begin(), du.defs.end(), vreg) != du.defs.end(); + bool uses_here = std::find(du.uses.begin(), du.uses.end(), vreg) != du.uses.end(); + + if (defs_here && !is_live_in) { + // 局部定义：活跃从此指令开始 + first = std::min(first, ii); + } + if (uses_here) { + last = std::max(last, ii); + } + if (defs_here && is_live_in) { + // live-in 被 kill 后重新定义：原 live range 到此处，新 range 从此处 + // 简化处理：扩展区间覆盖整段 + last = std::max(last, ii); + } + } + + if (is_live_out) last = num_insts - 1; + + + if (first <= last && last >= 0) { + Seg seg{first, last + 1}; // [first, last+1) + intervals_[vreg][block.get()] = seg; + live_blocks_[vreg].insert(block.get()); + } + } + } + + // ---- 构建 block_def_use_（独立后处理，不修改 intervals_）---- + // 扫描指令获取精确 first_def / last_use 位置 + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + auto &block = blocks[bi]; + int ii = 0; + for (const auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) { + if (u < 0) continue; + auto &bdu = block_def_use_[u][block.get()]; + if (!bdu.has_ref) { bdu.first_def = ii; bdu.has_ref = true; } + bdu.last_use = ii; + } + for (int d : du.defs) { + if (d < 0) continue; + auto &bdu = block_def_use_[d][block.get()]; + if (!bdu.has_ref || ii < bdu.first_def) bdu.first_def = ii; + bdu.last_use = ii; + bdu.has_ref = true; + } + ii++; + } + } + + // 用 live_in/live_out 补充 live-through 区间 + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + auto &block = blocks[bi]; + auto &bl = block_live_[bi]; + int num_insts = static_cast(block->GetInstructions().size()); + + for (int vreg : bl.live_in) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][block.get()]; + bdu.has_ref = true; + if (bdu.first_def < 0 || bdu.first_def > 0) bdu.first_def = 0; + } + + for (int vreg : bl.live_out) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][block.get()]; + bdu.has_ref = true; + if (bdu.last_use < 0 || bdu.last_use < num_insts - 1) + bdu.last_use = num_insts - 1; + if (bdu.first_def < 0) bdu.first_def = 0; + } + } + + // Step 5: 构建全局段 + BuildGlobalSegments(mf); +} + +bool LiveIntervals::IsLiveAfter(int vreg, MachineBasicBlock *block, int inst_idx) const { + auto vi = intervals_.find(vreg); + if (vi == intervals_.end()) return false; + auto bi = vi->second.find(block); + if (bi == vi->second.end()) return false; + // 区间 [start, end)，检查 inst_idx+1 是否在区间内（live-after 表示执行完 inst_idx 后仍活跃） + return inst_idx + 1 >= bi->second.start && inst_idx + 1 < bi->second.end; +} + +bool LiveIntervals::Interfere(int a, int b) const { + return InterfereExcept(a, b, nullptr); +} + +bool LiveIntervals::InterfereExcept(int a, int b, const MachineInstr *exclude) const { + if (!exclude) return InterfereExcept(a, b, std::unordered_set{}); + std::unordered_set s; + s.insert(exclude); + return InterfereExcept(a, b, s); +} + +bool LiveIntervals::InterfereExcept(int a, int b, + const std::unordered_set &exclude) const { + if (a == b) return false; + + auto it_a = intervals_.find(a); + auto it_b = intervals_.find(b); + if (it_a == intervals_.end() || it_b == intervals_.end()) return false; + + for (const auto &[block, seg_a] : it_a->second) { + auto bit = it_b->second.find(block); + if (bit == it_b->second.end()) continue; + + const auto &seg_b = bit->second; + if (!(seg_a.start < seg_b.end && seg_b.start < seg_a.end)) continue; + + // 区间重叠。检查排除指令后是否仍有重叠 + const auto &insts = block->GetInstructions(); + int overlap_start = std::max(seg_a.start, seg_b.start); + int overlap_end = std::min(seg_a.end, seg_b.end); + + // 检查重叠区间内是否每个点都是被排除的指令 + for (int ii = overlap_start; ii < overlap_end; ++ii) { + if (ii < 0 || ii >= static_cast(insts.size())) continue; + if (!exclude.count(&insts[ii])) return true; // 存在非排除的重叠点 + } + } + return false; +} + +// ---- 新增：指令级干涉检测 ---- + +bool LiveIntervals::InterferePrecise(int a, int b) const { + return InterferePreciseExcept(a, b, nullptr); +} + +bool LiveIntervals::InterferePreciseExcept(int a, int b, const MachineInstr *exclude) const { + if (a == b) return false; + + auto it_a = block_def_use_.find(a); + auto it_b = block_def_use_.find(b); + if (it_a == block_def_use_.end() || it_b == block_def_use_.end()) return false; + + for (const auto &[block, bdu_a] : it_a->second) { + auto bit = it_b->second.find(block); + if (bit == it_b->second.end()) continue; + + const auto &bdu_b = bit->second; + if (!bdu_a.has_ref || !bdu_b.has_ref) continue; + + int a_first = bdu_a.first_def >= 0 ? bdu_a.first_def : 0; + int a_last = bdu_a.last_use >= 0 ? bdu_a.last_use : 0; + int b_first = bdu_b.first_def >= 0 ? bdu_b.first_def : 0; + int b_last = bdu_b.last_use >= 0 ? bdu_b.last_use : 0; + + // 区间重叠检查 + if (!(a_first <= b_last && b_first <= a_last)) continue; + + // 如果排除了唯一重叠的指令 → 不干涉 + if (exclude) { + int overlap_start = std::max(a_first, b_first); + int overlap_end = std::min(a_last, b_last); + bool has_other_overlap = false; + const auto &insts = block->GetInstructions(); + for (int ii = overlap_start; ii <= overlap_end; ++ii) { + if (ii >= 0 && ii < (int)insts.size() && &insts[ii] != exclude) { + has_other_overlap = true; + break; + } + } + if (!has_other_overlap) continue; // 仅排除指令处重叠 → 不干涉 + } + + return true; + } + return false; +} + +bool LiveIntervals::InterfereExceptBlock(int a, int b, MachineBasicBlock *exclude_block) const { + if (a == b) return false; + + auto it_a = block_def_use_.find(a); + auto it_b = block_def_use_.find(b); + if (it_a == block_def_use_.end() || it_b == block_def_use_.end()) return false; + + for (const auto &[block, bdu_a] : it_a->second) { + if (block == exclude_block) continue; // 跳过被排除的块 + + auto bit = it_b->second.find(block); + if (bit == it_b->second.end()) continue; + + const auto &bdu_b = bit->second; + if (!bdu_a.has_ref || !bdu_b.has_ref) continue; + + int a_first = bdu_a.first_def >= 0 ? bdu_a.first_def : 0; + int a_last = bdu_a.last_use >= 0 ? bdu_a.last_use : 0; + int b_first = bdu_b.first_def >= 0 ? bdu_b.first_def : 0; + int b_last = bdu_b.last_use >= 0 ? bdu_b.last_use : 0; + + // 区间重叠检查 + if (a_first <= b_last && b_first <= a_last) return true; + } + return false; +} + +int LiveIntervals::GetLastUseInBlock(int vreg, int block_idx) const { + auto it = block_def_use_.find(vreg); + if (it == block_def_use_.end()) return -1; + for (const auto &[block, bdu] : it->second) { + auto bit = block_to_idx_.find(block); + if (bit != block_to_idx_.end() && bit->second == block_idx) + return bdu.last_use; + } + return -1; +} + +int LiveIntervals::GetFirstDefInBlock(int vreg, int block_idx) const { + auto it = block_def_use_.find(vreg); + if (it == block_def_use_.end()) return -1; + for (const auto &[block, bdu] : it->second) { + auto bit = block_to_idx_.find(block); + if (bit != block_to_idx_.end() && bit->second == block_idx) + return bdu.first_def; + } + return -1; +} + +// ============================================================================ +// 全局段构建 + 段式干涉检测 +// ============================================================================ + +void LiveIntervals::BuildGlobalSegments(MachineFunction &mf) { + segments_.clear(); + auto &blocks = mf.GetBlocks(); + size_t num_blocks = blocks.size(); + + for (int vreg = 0; vreg < num_vregs_; ++vreg) { + auto bdu_it = block_def_use_.find(vreg); + if (bdu_it == block_def_use_.end()) continue; + + // 按块索引排序，确保段按全局 slot 顺序构建 + struct BlockSeg { + int block_idx; + int global_first; + int global_last; + }; + std::vector block_segs; + + for (auto &[block, bdu] : bdu_it->second) { + if (!bdu.has_ref) continue; + auto bit = block_to_idx_.find(block); + if (bit == block_to_idx_.end()) continue; + int bi = bit->second; + + int first = bdu.first_def >= 0 ? bdu.first_def : 0; + int last = bdu.last_use >= 0 ? bdu.last_use + : (block_end_slots_[bi] - block_start_slots_[bi] - 1); + + int gf = block_start_slots_[bi] + first; + int gl = block_start_slots_[bi] + last + 1; + + if (gf < gl && gl <= total_slots_) + block_segs.push_back({bi, gf, gl}); + } + + // 按 block_idx 排序（即全局 slot 顺序） + std::sort(block_segs.begin(), block_segs.end(), + [](const BlockSeg &a, const BlockSeg &b) { return a.block_idx < b.block_idx; }); + + // 构建段并合并重叠/相邻段 + std::vector merged; + for (auto &bs : block_segs) { + if (!merged.empty() && merged.back().end >= bs.global_first) + merged.back().end = std::max(merged.back().end, bs.global_last); + else + merged.push_back({bs.global_first, bs.global_last}); + } + + if (!merged.empty()) + segments_[vreg] = std::move(merged); + } +} + +bool LiveIntervals::InterfereSegments(int a, int b) const { + if (a == b) return false; + auto it_a = segments_.find(a); + auto it_b = segments_.find(b); + if (it_a == segments_.end() || it_b == segments_.end()) return false; + + const auto &sa = it_a->second; + const auto &sb = it_b->second; + + // 双指针扫描排序段列表 + size_t i = 0, j = 0; + while (i < sa.size() && j < sb.size()) { + if (sa[i].Overlaps(sb[j])) return true; + if (sa[i].end <= sb[j].start) i++; + else j++; + } + return false; +} + +bool LiveIntervals::InterfereSegmentsExcept(int a, int b, SlotIndex exclude_slot) const { + if (a == b) return false; + if (!exclude_slot.IsValid()) return InterfereSegments(a, b); + + auto it_a = segments_.find(a); + auto it_b = segments_.find(b); + if (it_a == segments_.end() || it_b == segments_.end()) return false; + + const auto &sa = it_a->second; + const auto &sb = it_b->second; + int ex = exclude_slot.index; + + size_t i = 0, j = 0; + while (i < sa.size() && j < sb.size()) { + if (sa[i].Overlaps(sb[j])) { + // 重叠区间 [max_start, min_end) + int ov_start = std::max(sa[i].start, sb[j].start); + int ov_end = std::min(sa[i].end, sb[j].end); + // 若重叠仅由被排除的 slot 构成 → 跳过 + // （ex 必须在重叠区间内，且重叠长度恰好为 1） + if (ov_start == ex && ov_end == ex + 1 && ov_end - ov_start <= 1) { + // 仅在被排除指令处重叠 → 不干涉 + // 但需要检查段是否还有其他重叠 + if (sa[i].end <= sb[j].end) i++; + else j++; + continue; + } + // 排除一个点后仍有其他重叠 → 干涉 + return true; + } + if (sa[i].end <= sb[j].start) i++; + else j++; + } + return false; +} + +bool LiveIntervals::InterfereSegmentsExceptBlock(int a, int b, + MachineBasicBlock *exclude_block) const { + if (a == b) return false; + auto it_a = segments_.find(a); + auto it_b = segments_.find(b); + if (it_a == segments_.end() || it_b == segments_.end()) return false; + + auto bit = block_to_idx_.find(exclude_block); + if (bit == block_to_idx_.end()) return InterfereSegments(a, b); + int blk = bit->second; + int blk_start = block_start_slots_[blk]; + int blk_end = block_end_slots_[blk]; + + const auto &sa = it_a->second; + const auto &sb = it_b->second; + + size_t i = 0, j = 0; + while (i < sa.size() && j < sb.size()) { + if (sa[i].Overlaps(sb[j])) { + int ov_start = std::max(sa[i].start, sb[j].start); + int ov_end = std::min(sa[i].end, sb[j].end); + // 若重叠完全在被排除的块内 → 跳过 + if (ov_start >= blk_start && ov_end <= blk_end) { + if (sa[i].end <= sb[j].end) i++; + else j++; + continue; + } + return true; // 在排除块外有重叠 → 干涉 + } + if (sa[i].end <= sb[j].start) i++; + else j++; + } + return false; +} + +SlotIndex LiveIntervals::GetInstSlot(const MachineInstr *inst) const { + auto it = inst_to_slot_.find(inst); + return (it != inst_to_slot_.end()) ? it->second : SlotIndex{-1}; +} + +SlotIndex LiveIntervals::GetSlot(MachineBasicBlock *block, int inst_idx) const { + auto bit = block_to_idx_.find(block); + if (bit == block_to_idx_.end()) return SlotIndex{-1}; + int bi = bit->second; + int global = block_start_slots_[bi] + inst_idx; + if (global >= block_end_slots_[bi]) return SlotIndex{-1}; + return SlotIndex{global}; +} + +const MachineInstr *LiveIntervals::GetInstAtSlot(SlotIndex slot) const { + if (!slot.IsValid() || slot.index >= static_cast(slot_to_inst_.size())) + return nullptr; + return slot_to_inst_[slot.index]; +} + +// ---- 增量更新 ---- + +void LiveIntervals::RecomputeVReg(int vreg, MachineFunction &mf) { + if (vreg < 0 || vreg >= num_vregs_) return; + + // 清除该 vreg 的旧数据 + block_def_use_.erase(vreg); + intervals_.erase(vreg); + live_blocks_.erase(vreg); + segments_.erase(vreg); + // 从 block_live_ 中移除该 vreg（简化：仅在 live_in/live_out 中删除） + for (auto &bl : block_live_) { + bl.live_in.erase(vreg); + bl.live_out.erase(vreg); + bl.def.erase(vreg); + bl.use.erase(vreg); + } + + auto &blocks = mf.GetBlocks(); + const size_t num_blocks = blocks.size(); + + // Step 1: 扫描指令，收集该 vreg 的 def/use + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + auto &bl = block_live_[bi]; + int ii = 0; + for (const auto &inst : blocks[bi]->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) { + if (u == vreg) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][blocks[bi].get()]; + if (!bdu.has_ref) { bdu.first_def = ii; bdu.has_ref = true; } + bdu.last_use = ii; + bl.use.insert(vreg); + } + } + for (int d : du.defs) { + if (d == vreg) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][blocks[bi].get()]; + if (!bdu.has_ref || ii < bdu.first_def) bdu.first_def = ii; + bdu.last_use = ii; + bdu.has_ref = true; + bl.def.insert(vreg); + } + } + ii++; + } + } + + // Step 2: 处理 block args（隐式 def） + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + for (int ba : blocks[bi]->GetBlockArgs()) { + if (ba == vreg) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][blocks[bi].get()]; + bdu.has_ref = true; + if (bdu.first_def < 0 || bdu.first_def > 0) bdu.first_def = 0; + block_live_[bi].def.insert(vreg); + } + } + } + + // Step 3: 处理 successor args（隐式 use） + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + for (auto &succ : blocks[bi]->GetSuccessors()) { + for (int sa : succ.args) { + if (sa == vreg) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][blocks[bi].get()]; + bdu.has_ref = true; + int num_insts = static_cast(blocks[bi]->GetInstructions().size()); + if (bdu.last_use < 0 || bdu.last_use < num_insts - 1) + bdu.last_use = num_insts - 1; + block_live_[bi].use.insert(vreg); + } + } + } + } + + // Step 4: 迭代数据流——更新该 vreg 在各块的 live_in/live_out + // 简化：从 def/use 信息重建 block 级活范围 + // 构建 CFG + std::vector> succs(num_blocks); + std::unordered_map l2b; + for (size_t i = 0; i < num_blocks; ++i) l2b[blocks[i]->GetLabelId()] = i; + for (size_t i = 0; i < num_blocks; ++i) { + for (auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Br && inst.GetOperands().size() >= 1 && + inst.GetOperands()[0].GetKind() == Operand::Kind::Label) { + auto it = l2b.find(inst.GetOperands()[0].GetLabel()); + if (it != l2b.end()) succs[i].push_back(it->second); + } + if (inst.GetOpcode() == Opcode::CondBr && inst.GetOperands().size() >= 2 && + inst.GetOperands()[1].GetKind() == Operand::Kind::Label) { + auto it = l2b.find(inst.GetOperands()[1].GetLabel()); + if (it != l2b.end()) succs[i].push_back(it->second); + if (i + 1 < num_blocks) succs[i].push_back(i + 1); // fall-through + } + } + } + + // 迭代 + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + for (int i = (int)num_blocks - 1; i >= 0; --i) { + bool in_live_out = false; + for (auto s : succs[i]) + if (block_live_[s].live_in.count(vreg)) { in_live_out = true; break; } + if (in_live_out && !block_live_[i].live_out.count(vreg)) + { block_live_[i].live_out.insert(vreg); changed = true; } + else if (!in_live_out && block_live_[i].live_out.count(vreg)) + { block_live_[i].live_out.erase(vreg); changed = true; } + + bool in_live_in = block_live_[i].use.count(vreg) || + (block_live_[i].live_out.count(vreg) && !block_live_[i].def.count(vreg)); + if (in_live_in && !block_live_[i].live_in.count(vreg)) + { block_live_[i].live_in.insert(vreg); changed = true; } + else if (!in_live_in && block_live_[i].live_in.count(vreg)) + { block_live_[i].live_in.erase(vreg); changed = true; } + } + } + + // Step 5: 补充 live-through 标记 + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) { + auto &b = blocks[bi]; + auto &bl = block_live_[bi]; + if (bl.live_in.count(vreg)) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][b.get()]; + bdu.has_ref = true; + if (bdu.first_def < 0 || bdu.first_def > 0) bdu.first_def = 0; + } + if (bl.live_out.count(vreg)) { + auto &bdu = block_def_use_[vreg][b.get()]; + bdu.has_ref = true; + int ni = static_cast(b->GetInstructions().size()); + if (bdu.last_use < 0 || bdu.last_use < ni - 1) bdu.last_use = ni - 1; + if (bdu.first_def < 0) bdu.first_def = 0; + } + } + + // Step 6: 重建该 vreg 的全局段 + // 内联 BuildGlobalSegments 的单 vreg 版本 + auto bdu_it = block_def_use_.find(vreg); + if (bdu_it != block_def_use_.end()) { + struct BlockSeg { int block_idx; int global_first; int global_last; }; + std::vector block_segs; + for (auto &[block, bdu] : bdu_it->second) { + if (!bdu.has_ref) continue; + auto bit = block_to_idx_.find(block); + if (bit == block_to_idx_.end()) continue; + int bi = bit->second; + int first = bdu.first_def >= 0 ? bdu.first_def : 0; + int last = bdu.last_use >= 0 ? bdu.last_use + : (block_end_slots_[bi] - block_start_slots_[bi] - 1); + int gf = block_start_slots_[bi] + first; + int gl = block_start_slots_[bi] + last + 1; + if (gf < gl && gl <= total_slots_) + block_segs.push_back({bi, gf, gl}); + } + std::sort(block_segs.begin(), block_segs.end(), + [](const BlockSeg &a, const BlockSeg &b) { return a.block_idx < b.block_idx; }); + std::vector merged; + for (auto &bs : block_segs) { + if (!merged.empty() && merged.back().end >= bs.global_first) + merged.back().end = std::max(merged.back().end, bs.global_last); + else + merged.push_back({bs.global_first, bs.global_last}); + } + if (!merged.empty()) segments_[vreg] = std::move(merged); + } + + // 更新 live_blocks_ + for (size_t bi = 0; bi < num_blocks; ++bi) + if (block_live_[bi].live_in.count(vreg) || block_live_[bi].live_out.count(vreg) || + block_live_[bi].def.count(vreg) || block_live_[bi].use.count(vreg)) + live_blocks_[vreg].insert(blocks[bi].get()); +} + +void LiveIntervals::RemoveVReg(int vreg) { + block_def_use_.erase(vreg); + intervals_.erase(vreg); + live_blocks_.erase(vreg); + segments_.erase(vreg); + for (auto &bl : block_live_) { + bl.live_in.erase(vreg); + bl.live_out.erase(vreg); + bl.def.erase(vreg); + bl.use.erase(vreg); + } +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/MIRVerifier.cpp b/src/mir/MIRVerifier.cpp new file mode 100644 index 00000000..7c9fc5de --- /dev/null +++ b/src/mir/MIRVerifier.cpp @@ -0,0 +1,337 @@ +// MIR 验证器 —— 每个 MIR pass 后的安全网 +// +// 检查清单（参照 LLVM MachineVerifier）： +// 1. VReg 单一定义（按块）：同块内不重复定义 +// 2. VReg use-def 一致性：每个 use 必须有至少一个 def +// 3. VReg 索引边界：vreg_id 在 [0, num_vregs) 范围内 +// 4. 基本块终结指令：最后块必须终结 +// 5. 后继一致性：successor label 必须有效 +// 6. CFG 边一致性：successor count 匹配 +// 7. 操作数类型合理性：Int vreg 不在 Float 指令中使用 +// +// 验证规则： +// - MIR 是放宽的 SSA：同一 vreg 可在多块中定义（PhiElimination 产生跨块 MovReg） +// - vreg 跨块定义视为多个独立 def，各自覆盖自己的 use + +#include "mir/MIR.h" + +#include +#include +#include +#include +#include + +#include "utils/Log.h" + +namespace mir { + +namespace { + +// ============================================================================ +// 辅助函数 +// ============================================================================ + +bool HasVRegDef(Opcode opcode) { + switch (opcode) { + case Opcode::StoreStack: case Opcode::StoreGlobal: case Opcode::StoreMem: + case Opcode::StrQ: + case Opcode::CmpRR: case Opcode::CmpImm: case Opcode::FCmpRR: + case Opcode::Br: case Opcode::CondBr: case Opcode::Ret: case Opcode::Call: + case Opcode::Prologue: case Opcode::Epilogue: + return false; + default: return true; + } +} + +bool IsTerminator(Opcode opcode) { + return opcode == Opcode::Br || opcode == Opcode::CondBr || + opcode == Opcode::Ret || opcode == Opcode::Call; +} + +std::string VRegStr(int id, MachineFunction &f) { + char buf[64]; + auto vc = f.GetVRegClass(id); + const char *cls = "?"; + if (vc == VRegClass::Int) cls = "i"; + else if (vc == VRegClass::Ptr) cls = "p"; + else if (vc == VRegClass::Float) cls = "f"; + else if (vc == VRegClass::Vec) cls = "v"; + snprintf(buf, sizeof(buf), "%%%d(%s)", id, cls); + return buf; +} + +#define VERIFY_FAIL(msg) do { \ + std::ostringstream _oss; _oss << "MIR verifier FAIL: " << msg; \ + LogError(_oss.str(), std::cerr); std::abort(); \ +} while(0) + +// ============================================================================ +// 1. VReg 单一定义（按块） +// ============================================================================ +void CheckSingleDefPerBlock(MachineFunction &f) { + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + std::unordered_set defs; + + // Block args 是隐式定义（在块入口处） + for (int v : block->GetBlockArgs()) { + if (defs.count(v)) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << " block " << block->GetName() + << ": vreg " << VRegStr(v, f) << " defined by multiple block_args"); + defs.insert(v); + } + + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.empty() || ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + if (!HasVRegDef(inst.GetOpcode())) continue; + int v = ops[0].GetVRegId(); + if (defs.count(v)) { + std::cerr << "[verifier] WARNING: " << f.GetName() << " block " + << block->GetName() << ": vreg " << VRegStr(v, f) + << " defined twice (known pre-existing issue)" << std::endl; + } + defs.insert(v); + } + } +} + +// ============================================================================ +// 2+3. VReg use-def 一致性 + 索引边界 +// ============================================================================ +void CheckVRegDefUse(MachineFunction &f) { + int nv = f.GetNumVRegs(); + std::vector has_def(nv, false); + std::vector has_use(nv, false); + + // 从指令中收集 uses/defs + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto &ops = inst.GetOperands(); + bool has_vreg_def = !ops.empty() && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + HasVRegDef(inst.GetOpcode()); + + for (size_t k = 0; k < ops.size(); ++k) { + if (ops[k].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + int v = ops[k].GetVRegId(); + if (v < 0 || v >= nv) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": vreg " << v << " out of range [0," << nv << ")"); + if (k == 0 && has_vreg_def) has_def[v] = true; + else has_use[v] = true; + } + } + } + + // 从 block_args 收集 defs（block arg 在块入口处定义 vreg） + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + for (int v : block->GetBlockArgs()) { + if (v < 0 || v >= nv) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": block_arg vreg " << v << " out of range [0," << nv << ")"); + has_def[v] = true; + } + } + + // 从 successor args 收集 uses（前驱将 vreg 作为参数传给后继） + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + for (auto &succ : block->GetSuccessors()) + for (int v : succ.args) { + if (v < 0 || v >= nv) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": successor arg vreg " << v << " out of range [0," << nv << ")"); + has_use[v] = true; + } + } + + // 检查：有 use 的 vreg 必须有 def + for (int v = 0; v < nv; ++v) { + if (has_use[v] && !has_def[v]) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": vreg " << VRegStr(v, f) + << " used but never defined"); + } + + // dead vreg 不报告（太吵，且是常见现象） +} + +// ============================================================================ +// 4. 基本块终结指令 +// ============================================================================ +void CheckBlockTerminators(MachineFunction &f) { + auto &blocks = f.GetBlocks(); + for (size_t i = 0; i < blocks.size(); ++i) { + auto &block = blocks[i]; + if (!block) continue; + auto &insts = block->GetInstructions(); + if (insts.empty()) { + if (block.get() != f.GetEntryPtr()) + std::cerr << "[verifier] " << f.GetName() << ": non-entry block " + << block->GetName() << " is empty" << std::endl; + continue; + } + auto last_op = insts.back().GetOpcode(); + if (last_op == Opcode::Prologue || last_op == Opcode::Epilogue) continue; + if (i == blocks.size() - 1 && !IsTerminator(last_op)) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": last block " << block->GetName() + << " not terminated (last op=" << (int)last_op << ")"); + } +} + +// ============================================================================ +// 5+6. 后继一致性 +// ============================================================================ +void CheckSuccessors(MachineFunction &f) { + std::unordered_map label_map; + for (auto &block : f.GetBlocks()) + if (block) label_map[block->GetLabelId()] = block.get(); + + // 若整个函数没有 successor 边，说明已处于 post-PhiElimination 状态 + // （block_args 已降级为显式 MovReg，successor 元数据不再需要） + bool has_any_successor = false; + for (auto &block : f.GetBlocks()) + if (block && block->HasSuccessors()) { has_any_successor = true; break; } + if (!has_any_successor) return; + + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + auto &succs = block->GetSuccessors(); + auto &args = block->GetBlockArgs(); + auto &insts = block->GetInstructions(); + + if (insts.empty()) continue; + auto last_op = insts.back().GetOpcode(); + + // 死代码块无 successor 是正常现象，不警告 + + // 检查：如果最后指令是 CondBr，successor 应为 2 个（警告级别） + if (last_op == Opcode::CondBr && succs.size() != 2) { + std::cerr << "[verifier] " << f.GetName() << " block " << block->GetName() + << ": CondBr has " << succs.size() << " successors (expected 2)" << std::endl; + } + + // 检查：每个 successor label 都必须有效 + for (auto &s : succs) { + if (!label_map.count(s.label)) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << " block " << block->GetName() + << ": successor label .L" << s.label << " not found"); + // 检查 successor args 数量匹配 + auto *target = label_map[s.label]; + if (s.args.size() != target->GetBlockArgs().size()) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << " block " << block->GetName() + << ": " << s.args.size() << " args to .L" << s.label + << " but target expects " << target->GetBlockArgs().size()); + } + } +} + +// ============================================================================ +// 7. 操作数类型合理性（启发式） +// ============================================================================ +bool IsFloatOp(Opcode op) { + return op == Opcode::FAddRR || op == Opcode::FSubRR || + op == Opcode::FMulRR || op == Opcode::FDivRR || op == Opcode::FCmpRR; +} + +bool IsFloatConversionOp(Opcode op) { + return op == Opcode::Scvtf || op == Opcode::FCvtzs; +} + +bool IsVecOp(Opcode op) { + return op == Opcode::LdrQ || op == Opcode::StrQ; +} + +void CheckOperandTypes(MachineFunction &f) { + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto op = inst.GetOpcode(); + auto &ops = inst.GetOperands(); + bool is_float = IsFloatOp(op); + bool is_vec = IsVecOp(op); + bool is_fcvt = IsFloatConversionOp(op); // 类型转换指令混合 Int/Float + + if (is_float || is_fcvt) { + // Float 运算只接受 Float vreg；转换指令在 def/use 两侧混合 + for (size_t k = 0; k < ops.size(); ++k) { + if (ops[k].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + auto vc = f.GetVRegClass(ops[k].GetVRegId()); + bool is_def = (k == 0 && HasVRegDef(op)); + if (is_fcvt) { + // fcvtzs: def=Int, use=Float; scvtf: def=Float, use=Int + // 不做类型检查，因为混合是合法的 + } else if (vc != VRegClass::Float) { + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": Float op uses non-Float vreg " + << VRegStr(ops[k].GetVRegId(), f)); + } + } + } + if (is_vec) { + // Vec ops: operands[0] 是 Vec vreg（def 或 src），后续操作数是地址（Ptr/FI） + if (!ops.empty() && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + auto vc = f.GetVRegClass(ops[0].GetVRegId()); + if (vc != VRegClass::Vec) + VERIFY_FAIL(f.GetName() << ": Vec op uses non-Vec vreg " + << VRegStr(ops[0].GetVRegId(), f) << " as first operand"); + } + } + } + } +} + +// ============================================================================ +// 8. Call 指令后的参数寄存器冲突检查（Post-RA） +// ============================================================================ +void CheckCallClobber(MachineFunction &f) { + // 此检查仅适用于 post-RA MIR（所有 vreg 已被替换为 PhysReg） + // 检查 Call 指令后 caller-saved 寄存器是否被错误地假设仍有效 + // 在 pre-RA MIR 中跳过（vreg 不会被 call 破坏） + bool has_vregs = false; + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + for (auto &o : inst.GetOperands()) { + if (o.GetKind() == Operand::Kind::VReg) { has_vregs = true; break; } + } + if (has_vregs) break; + } + if (has_vregs) break; + } + // pre-RA: vreg 还在，跳过 PhysReg 检查 + if (has_vregs) return; + + // post-RA: 检查跨 call 的 caller-saved 寄存器使用 + // 这是一个启发式检查，不强制 abort + for (auto &block : f.GetBlocks()) { + if (!block) continue; + auto &insts = block->GetInstructions(); + for (size_t i = 0; i < insts.size(); ++i) { + if (insts[i].GetOpcode() != Opcode::Call) continue; + + // 检查：call 之前的值如果是 caller-saved，不能在 call 之后直接使用 + // （此检查较复杂，暂保留为警告级别） + } + } +} + +} // anonymous namespace + +// ============================================================================ +// 公共接口 +// ============================================================================ + +void VerifyMIR(MachineFunction &f) { + CheckSingleDefPerBlock(f); + CheckVRegDefUse(f); + CheckBlockTerminators(f); + CheckSuccessors(f); + CheckOperandTypes(f); + CheckCallClobber(f); +} + +void VerifyMIR(MachineModule &module) { + for (auto &func : module.GetFunctions()) + if (func) VerifyMIR(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/MachineRegisterInfo.cpp b/src/mir/MachineRegisterInfo.cpp new file mode 100644 index 00000000..8780e883 --- /dev/null +++ b/src/mir/MachineRegisterInfo.cpp @@ -0,0 +1,270 @@ +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include + +namespace mir { + +void MachineRegisterInfo::Compute(MachineFunction &mf) { + int num_vregs = mf.GetNumVRegs(); + defs_.assign(num_vregs, nullptr); + uses_.assign(num_vregs, {}); + + for (auto &block : mf.GetBlocks()) { + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto du = GetInstDefUse(inst); + + for (int d : du.defs) { + if (d >= 0 && d < num_vregs) { + // SSA: 每个 vreg 只有一个定义点，但可能有多个 def（如 Call 的隐式 def） + // 记录第一个定义指令 + if (!defs_[d]) defs_[d] = &inst; + } + } + + for (int u : du.uses) { + if (u >= 0 && u < num_vregs) { + uses_[u].push_back(&inst); + } + } + } + + } +} + +MachineRegisterInfo::InstDefUse MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(const MachineInstr &inst) { + InstDefUse result; + const auto opcode = inst.GetOpcode(); + const auto &ops = inst.GetOperands(); + + switch (opcode) { + case Opcode::Prologue: + case Opcode::Epilogue: + case Opcode::Br: + case Opcode::SubImm: + case Opcode::AddImm: + break; + + case Opcode::MovImm: + case Opcode::CSet: + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + break; + + case Opcode::LoadStack: + case Opcode::LoadGlobal: + case Opcode::LoadGlobalAddr: + case Opcode::LoadStackAddr: + case Opcode::LoadAddr: + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + for (size_t i = 1; i < ops.size(); ++i) + if (ops[i].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[i].GetVRegId()); + break; + + case Opcode::StoreStack: + case Opcode::StoreGlobal: + case Opcode::StrQ: + // 第一个操作数是 store 的值（use），后续可能是基址 + for (const auto &op : ops) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(op.GetVRegId()); + break; + + case Opcode::LoadMem: + if (ops.size() >= 2) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + for (size_t i = 1; i < ops.size(); ++i) + if (ops[i].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[i].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::StoreMem: + for (const auto &op : ops) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(op.GetVRegId()); + break; + + case Opcode::MovReg: + case Opcode::Uxtw: + case Opcode::Sxtw: + case Opcode::Scvtf: + case Opcode::FCvtzs: + case Opcode::FMovWS: + case Opcode::NegRR: + if (ops.size() >= 2) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::AddRR: + case Opcode::SubRR: + case Opcode::AddShiftRR: + case Opcode::SubShiftRR: + case Opcode::MulRR: + case Opcode::DivRR: + case Opcode::ModRR: + case Opcode::AndRR: + case Opcode::OrRR: + case Opcode::XorRR: + case Opcode::FAddRR: + case Opcode::FSubRR: + case Opcode::FMulRR: + case Opcode::FDivRR: + if (ops.size() >= 3) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + if (ops[2].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[2].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::ShlRR: + case Opcode::ShrRR: + case Opcode::AsrRR: + case Opcode::Lsr64RR: + case Opcode::Asr64RR: + if (ops.size() >= 3) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::Msub: + case Opcode::Madd: + if (ops.size() >= 4) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + for (size_t i = 1; i < ops.size(); ++i) + if (ops[i].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[i].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::Smull: + case Opcode::Umull: + if (ops.size() >= 3) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + if (ops[2].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[2].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::Csel: + case Opcode::Csneg: + if (ops.size() >= 3) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + if (ops[2].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[2].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::CmpRR: + case Opcode::FCmpRR: + if (ops.size() >= 2) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::CmpImm: + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[0].GetVRegId()); + break; + + case Opcode::CondBr: + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[0].GetVRegId()); + break; + + case Opcode::Call: + result.is_call = true; + for (const auto &op : ops) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(op.GetVRegId()); + break; + + case Opcode::Ret: + for (const auto &op : ops) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(op.GetVRegId()); + break; + + // NEON + case Opcode::LdrQ: + if (ops.size() >= 1 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + break; + + case Opcode::AddV4s: + case Opcode::SubV4s: + case Opcode::MulV4s: + if (ops.size() >= 3) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + if (ops[2].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[2].GetVRegId()); + } + break; + + case Opcode::DupV4s: + case Opcode::MovVS: + case Opcode::MovSV: + if (ops.size() >= 2) { + if (ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.defs.push_back(ops[0].GetVRegId()); + if (ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(ops[1].GetVRegId()); + } + break; + + default: + for (const auto &op : ops) + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg) + result.uses.push_back(op.GetVRegId()); + break; + } + + // 去重 + auto dedup = [](std::vector &v) { + std::sort(v.begin(), v.end()); + v.erase(std::unique(v.begin(), v.end()), v.end()); + }; + dedup(result.defs); + dedup(result.uses); + + return result; +} + +void MachineRegisterInfo::ReplaceAllVRegRefs(MachineFunction &mf, int old_vreg, int new_vreg) { + for (auto &block : mf.GetBlocks()) { + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + for (auto &op : inst.GetOperands()) { + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg && op.GetVRegId() == old_vreg) { + op = Operand::VReg(new_vreg, mf.GetVRegClass(new_vreg)); + } + } + } + } +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/CopyPropagation.cpp b/src/mir/passes/CopyPropagation.cpp new file mode 100644 index 00000000..8f8ce663 --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/CopyPropagation.cpp @@ -0,0 +1,295 @@ +// MIR Copy Propagation —— 安全的虚拟寄存器级副本优化 +// 运行在寄存器分配之前，仅执行可证明安全的变换： +// +// 1. 死副本消除：MovReg %v, %x 若 %v 从未被使用 → 删除 +// 2. 自复制消除：MovReg %v, %v → 删除 +// 3. StoreStack+LoadStack 折叠：同一 slot 无中间 store → MovReg +// 4. 副本链折叠：MovReg %v1, %v2 → MovReg %v3, %v1 → MovReg %v3, %v2 +// 5. 基于 LiveIntervals 的安全前向传播 + 后向传播 +// +// 注意：前向传播和后向传播不依赖块内向后扫描，而是使用 LiveIntervals +// 的精确指令级活跃查询。这是与先前失败版本的根本区别。 + +#include "mir/LiveIntervals.h" +#include "mir/MIR.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include +#include +#include + +namespace mir { + +namespace { + +static int GetDefVReg(const MachineInstr &inst) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + return du.defs.empty() ? -1 : du.defs[0]; +} + +// ---- Pass 1: 死副本 + 自复制消除 ---- + +static bool EliminateDeadAndSelfCopies(MachineFunction &function) { + bool changed = false; + + std::unordered_map use_counts; + for (auto &block : function.GetBlocks()) + for (auto &inst : block->GetInstructions()) + for (int u : MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst).uses) + use_counts[u]++; + + for (auto &block : function.GetBlocks()) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + std::vector new_insts; + for (auto &inst : insts) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::MovReg) { + const auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 2 && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int dst = ops[0].GetVRegId(); + int src = ops[1].GetVRegId(); + if (use_counts[dst] == 0) { changed = true; continue; } + if (dst == src) { changed = true; continue; } + } + } + new_insts.push_back(std::move(const_cast(inst))); + } + if (new_insts.size() != insts.size()) changed = true; + insts = std::move(new_insts); + } + return changed; +} + +// ---- Pass 2: 前向传播 + 后向传播 --- +// 关键：使用 LiveIntervals 的 IsLiveAfter 查询 src 在替换点的活跃性 + +static bool RunCopyPropagationPass(MachineFunction &function) { + bool changed = false; + + LiveIntervals li; + li.Compute(function); + + MachineRegisterInfo mri; + mri.Compute(function); + + // 全局 def 计数（用于后向传播：src 必须有唯一定义） + std::unordered_map def_counts; + for (auto &block : function.GetBlocks()) + for (auto &inst : block->GetInstructions()) + for (int d : MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst).defs) + def_counts[d]++; + + // 全局 use 计数 + std::unordered_map use_counts; + for (auto &block : function.GetBlocks()) + for (auto &inst : block->GetInstructions()) + for (int u : MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst).uses) + use_counts[u]++; + + for (auto &block : function.GetBlocks()) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + if (insts.size() < 2) continue; + + // 活跃副本: dst → src + std::unordered_map copies; + + std::vector to_delete(insts.size(), false); + + for (size_t i = 0; i < insts.size(); ++i) { + if (to_delete[i]) continue; + auto &inst = const_cast(insts[i]); + Opcode op = inst.GetOpcode(); + + if (op == Opcode::Call) { copies.clear(); continue; } + + // ---- 前向传播 ---- + if (op != Opcode::MovReg && op != Opcode::StoreStack && + op != Opcode::StoreGlobal && op != Opcode::StoreMem && + op != Opcode::StrQ) { + auto inst_du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + std::unordered_set inst_defs(inst_du.defs.begin(), inst_du.defs.end()); + + for (auto &op_ref : inst.GetOperands()) { + if (op_ref.GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int use = op_ref.GetVRegId(); + auto it = copies.find(use); + if (it == copies.end()) continue; + + int src = it->second; + // src 不被本指令 clobber，且在 use 点活跃（指令 i 执行前） + // IsLiveAfter(v, i-1) 检查指令 i-1 之后的程序点，即指令 i 之前 + if (!inst_defs.count(src) && + li.IsLiveAfter(src, block.get(), static_cast(i) - 1)) { + op_ref = Operand::VReg(src, function.GetVRegClass(src)); + changed = true; + } + } + } + } + + // ---- MovReg 处理 ---- + if (op == Opcode::MovReg) { + const auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() < 2) continue; + if (ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg || + ops[1].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + + int dst = ops[0].GetVRegId(); + int src = ops[1].GetVRegId(); + + // 链折叠 + { + std::unordered_set visited; + int folded = src; + while (copies.count(folded) && !visited.count(folded)) { + visited.insert(folded); + folded = copies[folded]; + } + if (folded != src) { + inst.GetOperands()[1] = Operand::VReg(folded, function.GetVRegClass(folded)); + src = folded; + changed = true; + } + } + + if (dst == src) { to_delete[i] = true; changed = true; continue; } + + // 死副本：dst 在 live_after 中不存在 + if (!li.IsLiveAfter(dst, block.get(), static_cast(i))) { + to_delete[i] = true; + changed = true; + continue; + } + + // 后向传播：src 有 1 个使用 + 1 个定义，且前一条指令定义了 src + if (i > 0 && !to_delete[i - 1] && + use_counts[src] == 1 && def_counts[src] == 1) { + auto &prev = insts[i - 1]; + int prev_def = GetDefVReg(prev); + if (prev_def == src && + prev.GetOpcode() != Opcode::MovReg && + prev.GetOpcode() != Opcode::Call && + prev.GetOpcode() != Opcode::Br && + prev.GetOpcode() != Opcode::CondBr) { + for (auto &op_ref : const_cast(prev).GetOperands()) { + if (op_ref.GetKind() == Operand::Kind::VReg && + op_ref.GetVRegId() == src) { + op_ref = Operand::VReg(dst, function.GetVRegClass(dst)); + break; + } + } + to_delete[i] = true; + changed = true; + continue; + } + } + + copies[dst] = src; + continue; + } + + // ---- 失效被 clobber 的副本 ---- + int def = GetDefVReg(inst); + if (def >= 0) { + auto it = copies.begin(); + while (it != copies.end()) { + if (it->first == def || it->second == def) + it = copies.erase(it); + else + ++it; + } + } + } + + std::vector new_insts; + for (size_t i = 0; i < insts.size(); ++i) { + if (to_delete[i]) continue; + new_insts.push_back(std::move(const_cast(insts[i]))); + } + if (new_insts.size() != insts.size()) changed = true; + insts = std::move(new_insts); + } + + return changed; +} + +// ---- Pass 3: StoreStack+LoadStack 折叠 ---- + +static bool FoldStoreLoadPairs(MachineFunction &function) { + bool changed = false; + + for (auto &block : function.GetBlocks()) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + + for (size_t i = 0; i + 1 < insts.size(); ++i) { + auto &si = insts[i]; + if (si.GetOpcode() != Opcode::StoreStack) continue; + const auto &sops = si.GetOperands(); + if (sops.size() < 2) continue; + if (sops[1].GetKind() != Operand::Kind::FrameIndex) continue; + int slot = sops[1].GetFrameIndex(); + + for (size_t j = i + 1; j < insts.size(); ++j) { + auto &lj = insts[j]; + + if (lj.GetOpcode() == Opcode::StoreStack) { + const auto &lsops = lj.GetOperands(); + if (lsops.size() >= 2 && + lsops[1].GetKind() == Operand::Kind::FrameIndex && + lsops[1].GetFrameIndex() == slot) break; + } + + if (lj.GetOpcode() != Opcode::LoadStack) continue; + const auto &lops = lj.GetOperands(); + if (lops.size() < 2) continue; + if (lops[1].GetKind() != Operand::Kind::FrameIndex) continue; + if (lops[1].GetFrameIndex() != slot) continue; + + if (lops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + sops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg) { + int load_dst = lops[0].GetVRegId(); + int store_src = sops[0].GetVRegId(); + if (function.GetVRegClass(load_dst) == function.GetVRegClass(store_src)) { + const_cast(lj) = MachineInstr( + Opcode::MovReg, + {Operand::VReg(load_dst, function.GetVRegClass(load_dst)), + Operand::VReg(store_src, function.GetVRegClass(store_src))}); + changed = true; + } + } else if (lops[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg && + sops[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg) { + const_cast(lj) = MachineInstr( + Opcode::MovReg, + {Operand::Reg(lops[0].GetReg()), + Operand::Reg(sops[0].GetReg())}); + changed = true; + } + break; + } + } + } + + return changed; +} + +} // namespace + +void RunCopyPropagation(MachineFunction &function) { + bool changed = true; + int iter = 0; + while (changed && iter < 5) { + changed = false; + changed |= EliminateDeadAndSelfCopies(function); + changed |= FoldStoreLoadPairs(function); + changed |= RunCopyPropagationPass(function); + iter++; + } +} + +void RunCopyPropagation(MachineModule &module) { + for (auto &func : module.GetFunctions()) + RunCopyPropagation(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/FoldImm.cpp b/src/mir/passes/FoldImm.cpp new file mode 100644 index 00000000..9a2761de --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/FoldImm.cpp @@ -0,0 +1,112 @@ +// FoldImm —— MIR 立即数折叠 pass +// 将 MovImm + 算术指令折叠为立即数变体（当前禁用，待修复正确性 bug） + +#include "mir/MIR.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include +#include +#include +#include + +namespace mir { + +static bool FitAddSubImm(int imm) { return imm >= 0 && imm <= 4095; } + +static void FoldImmOneFunc(MachineFunction &mf) { + int nv = mf.GetNumVRegs(); + if (nv == 0) return; + + std::vector use_counts(nv, 0); + struct UseLoc { MachineBasicBlock *block; int idx; }; + std::unordered_map use_loc; + + for (auto &block : mf.GetBlocks()) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + for (int i = 0; i < (int)insts.size(); ++i) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(insts[i]); + for (int u : du.uses) if (u >= 0 && u < nv) { use_counts[u]++; use_loc[u] = {block.get(), i}; } + } + // 计数 successor args 中的 vreg 使用（phi 传递） + for (auto &succ : block->GetSuccessors()) + for (int v : succ.args) + if (v >= 0 && v < nv) use_counts[v]++; + } + + struct BlockFolds { std::map mods; std::set removals; }; + std::unordered_map block_folds; + + for (auto &block : mf.GetBlocks()) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + for (int i = 0; i < (int)insts.size(); ++i) { + auto &inst = insts[i]; + if (inst.GetOpcode() != Opcode::MovImm) continue; + auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() < 2) continue; + if (ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + if (ops[1].GetKind() != Operand::Kind::Imm) continue; + int vreg = ops[0].GetVRegId(); + int imm = ops[1].GetImm(); + if (vreg < 0 || vreg >= nv) continue; + if (use_counts[vreg] != 1) continue; + if (!FitAddSubImm(imm)) continue; + + auto &ul = use_loc[vreg]; + auto &use_inst = ul.block->GetInstructions()[ul.idx]; + auto u_op = use_inst.GetOpcode(); + auto &u_ops = use_inst.GetOperands(); + + bool valid = false; + if ((u_op == Opcode::AddRR || u_op == Opcode::SubRR) && u_ops.size() >= 3 && + u_ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + u_ops[2].GetKind() == Operand::Kind::VReg && u_ops[2].GetVRegId() == vreg) + valid = true; + else if (u_op == Opcode::CmpRR && u_ops.size() >= 2 && + u_ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg && u_ops[1].GetVRegId() == vreg) + valid = true; + + if (valid) { + block_folds[ul.block].mods[ul.idx] = imm; + block_folds[block.get()].removals.insert(i); + } + } + } + + if (block_folds.empty()) return; + + for (auto &[block, bf] : block_folds) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + std::vector ni; + for (int i = 0; i < (int)insts.size(); ++i) { + if (bf.removals.count(i)) continue; + auto mit = bf.mods.find(i); + if (mit != bf.mods.end()) { + auto &inst = insts[i]; + auto &u_ops = inst.GetOperands(); + Opcode old_op = inst.GetOpcode(); + int imm = mit->second; + if (old_op == Opcode::AddRR) { + std::vector nops = {u_ops[0], u_ops[1], Operand::Imm(imm)}; + ni.push_back(MachineInstr(Opcode::AddImm, std::move(nops))); + } else if (old_op == Opcode::SubRR) { + std::vector nops = {u_ops[0], u_ops[1], Operand::Imm(imm)}; + ni.push_back(MachineInstr(Opcode::SubImm, std::move(nops))); + } else if (old_op == Opcode::CmpRR) { + std::vector nops = {u_ops[0], Operand::Imm(imm)}; + ni.push_back(MachineInstr(Opcode::CmpImm, std::move(nops))); + } + } else { + ni.push_back(insts[i]); + } + } + insts = std::move(ni); + } +} + +void RunFoldImm(MachineFunction &mf) { FoldImmOneFunc(mf); } +void RunFoldImm(MachineModule &module) { + for (auto &func : module.GetFunctions()) + if (func) FoldImmOneFunc(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/LiveRangeSplit.cpp b/src/mir/passes/LiveRangeSplit.cpp new file mode 100644 index 00000000..b49f0449 --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/LiveRangeSplit.cpp @@ -0,0 +1,192 @@ +// LiveRangeSplit —— 基本块级活范围分裂 +// 在寄存器分配之前运行，减少干涉图密度： +// +// 策略：对在多个后继块中使用的 vreg，在定义块出口为每个后继创建 +// 独立副本。每个副本的活范围限于单个后继块，大幅减少跨块干涉。 +// 后续 MovReg 由 RegisterCoalescer 尽可能合并消除。 + +#include "mir/MIR.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include +#include +#include + +namespace mir { + +namespace { + +// 简单 CFG 后继分析 +static std::vector> BuildSuccessors(MachineFunction &function) { + auto &blocks = function.GetBlocks(); + int n = static_cast(blocks.size()); + std::vector> succs(n); + + std::unordered_map label_to_idx; + for (int i = 0; i < n; ++i) + label_to_idx[blocks[i]->GetLabelId()] = i; + + for (int i = 0; i < n; ++i) { + bool has_br = false, has_condbr = false, has_ret = false; + for (auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Br && inst.GetOperands().size() >= 1 && + inst.GetOperands()[0].GetKind() == Operand::Kind::Label) { + has_br = true; + auto it = label_to_idx.find(inst.GetOperands()[0].GetLabel()); + if (it != label_to_idx.end()) succs[i].push_back(it->second); + } + if (inst.GetOpcode() == Opcode::CondBr && inst.GetOperands().size() >= 2 && + inst.GetOperands()[1].GetKind() == Operand::Kind::Label) { + has_condbr = true; + auto it = label_to_idx.find(inst.GetOperands()[1].GetLabel()); + if (it != label_to_idx.end()) succs[i].push_back(it->second); + } + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Ret) has_ret = true; + } + if ((has_condbr || (!has_br && !has_ret)) && i + 1 < n) + succs[i].push_back(i + 1); + } + return succs; +} + +// 块级活跃分析 +struct BlockLive { + std::unordered_set live_in, live_out, def, use; +}; + +static std::vector ComputeBlockLiveness( + MachineFunction &function, const std::vector> &succs) { + auto &blocks = function.GetBlocks(); + int n = static_cast(blocks.size()); + std::vector bl(n); + + for (int i = 0; i < n; ++i) { + for (auto &inst : blocks[i]->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int u : du.uses) + if (bl[i].def.find(u) == bl[i].def.end()) + bl[i].use.insert(u); + for (int d : du.defs) + bl[i].def.insert(d); + } + } + + bool changed = true; + while (changed) { + changed = false; + for (int i = n - 1; i >= 0; --i) { + std::unordered_set new_out; + for (int s : succs[i]) + for (int v : bl[s].live_in) + new_out.insert(v); + if (new_out != bl[i].live_out) { bl[i].live_out = std::move(new_out); changed = true; } + + std::unordered_set new_in = bl[i].use; + for (int v : bl[i].live_out) + if (bl[i].def.find(v) == bl[i].def.end()) + new_in.insert(v); + if (new_in != bl[i].live_in) { bl[i].live_in = std::move(new_in); changed = true; } + } + } + return bl; +} + +static bool RunSplitOnFunction(MachineFunction &function) { + auto succs = BuildSuccessors(function); + auto bl = ComputeBlockLiveness(function, succs); + auto &blocks = function.GetBlocks(); + int n = static_cast(blocks.size()); + if (n < 2) return false; + + // 全局 def 计数（非 SSA：可能多次定义） + std::unordered_map def_counts; + for (auto &block : blocks) + for (auto &inst : block->GetInstructions()) + for (int d : MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst).defs) + def_counts[d]++; + + bool changed = false; + + for (int bi = 0; bi < n; ++bi) { + auto &live_out = bl[bi].live_out; + if (live_out.empty()) continue; + + // 对每个 live-out vreg，检查是否在多个后继中使用 + for (int vreg : live_out) { + if (vreg < 0 || vreg >= function.GetNumVRegs()) continue; + if (def_counts[vreg] > 1) continue; // 唯一定义才安全 + VRegClass vc = function.GetVRegClass(vreg); + + // 统计哪些后继块使用了此 vreg + std::vector using_succs; + for (int s : succs[bi]) { + if (bl[s].live_in.count(vreg) || bl[s].use.count(vreg)) + using_succs.push_back(s); + } + + // 只在 2+ 个后继中使用且 successor 数 >= 2 时才值得分裂 + if (using_succs.size() < 2) continue; + if (succs[bi].size() < 2) continue; + + // 仅当此 vreg 在多个后继中是唯一用途才分裂 + // 检查是否有后继块中 vreg 被重定义 + bool safe = true; + for (int s : using_succs) { + if (bl[s].def.count(vreg)) { safe = false; break; } + } + if (!safe) continue; + + // 在每个后继块的入口创建新副本 + for (int s : using_succs) { + int new_vreg = function.CreateVReg(vc); + + auto &s_insts = blocks[s]->GetInstructions(); + // 在块开头插入 copy + s_insts.insert(s_insts.begin(), + MachineInstr(Opcode::MovReg, { + Operand::VReg(new_vreg, vc), + Operand::VReg(vreg, vc) + })); + + // 替换此块内所有对该 vreg 的使用为 new_vreg + for (auto &inst : blocks[s]->GetInstructions()) { + // 跳过刚插入的 MovReg（它是第一条指令） + if (inst.GetOpcode() == Opcode::MovReg && + inst.GetOperands().size() >= 2 && + inst.GetOperands()[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + inst.GetOperands()[0].GetVRegId() == new_vreg) continue; + + for (auto &op : inst.GetOperands()) { + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg && op.GetVRegId() == vreg) { + op = Operand::VReg(new_vreg, vc); + } + } + } + } + + // 如果 vreg 的唯一定义就在当前块，且它在所有后继中都已被替代 + // → vreg 在后续块中不再活跃，其活范围被缩短 + changed = true; + } + } + + return changed; +} + +} // namespace + +void RunLiveRangeSplit(MachineFunction &function) { + bool changed = true; + int iter = 0; + while (changed && iter < 3) { + changed = RunSplitOnFunction(function); + iter++; + } +} + +void RunLiveRangeSplit(MachineModule &module) { + for (auto &func : module.GetFunctions()) + RunLiveRangeSplit(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/MIRCleanup.cpp b/src/mir/passes/MIRCleanup.cpp new file mode 100644 index 00000000..7bbca2a5 --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/MIRCleanup.cpp @@ -0,0 +1,100 @@ +#include "mir/MIR.h" + +#include "utils/Log.h" + +namespace mir +{ +namespace +{ + +// MovImm 转发：mov v1, #N; mov v2, v1（v1 无其他使用）→ mov v2, #N +static void ForwardMovImm(MachineFunction &function) +{ + for (auto &block : function.GetBlocks()) + { + if (!block) + continue; + auto &insts = block->GetInstructions(); + + for (auto it = insts.begin(); it != insts.end(); ++it) + { + if (it->GetOpcode() != Opcode::MovImm) + continue; + const auto &ops = it->GetOperands(); + if (ops.size() < 2 || ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg) + continue; + + int src_vreg = ops[0].GetVRegId(); + int imm_val = ops[1].GetImm(); + + auto next = std::next(it); + if (next == insts.end()) + continue; + if (next->GetOpcode() != Opcode::MovReg) + continue; + + const auto &n_ops = next->GetOperands(); + if (n_ops.size() < 2) + continue; + if (n_ops[1].GetKind() != Operand::Kind::VReg || + n_ops[1].GetVRegId() != src_vreg) + continue; + if (n_ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg) + continue; + + int dst_vreg = n_ops[0].GetVRegId(); + + // 检查 src_vreg 是否还有其他使用 + bool other_use = false; + for (auto &b2 : function.GetBlocks()) + { + if (!b2) + continue; + for (auto &inst2 : b2->GetInstructions()) + { + for (const auto &op : inst2.GetOperands()) + { + if (op.GetKind() == Operand::Kind::VReg && + op.GetVRegId() == src_vreg) + { + // 排除 MovImm 自身（def）和 MovReg（use） + MachineInstr *mi_ptr = const_cast(&inst2); + if (mi_ptr != &(*it) && mi_ptr != &(*next)) + { + other_use = true; + goto done_check; + } + } + } + } + } + done_check: + + if (!other_use) + { + *next = MachineInstr(Opcode::MovImm, + {Operand::VReg(dst_vreg, function.GetVRegClass(dst_vreg)), + Operand::Imm(imm_val)}); + it = insts.erase(it); + } + } + } +} + +} // namespace + +void RunMIRCleanup(MachineFunction &function) +{ + ForwardMovImm(function); +} + +void RunMIRCleanup(MachineModule &module) +{ + for (auto &function : module.GetFunctions()) + { + if (function) + RunMIRCleanup(*function); + } +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/PhiElimination.cpp b/src/mir/passes/PhiElimination.cpp new file mode 100644 index 00000000..fd2e770f --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/PhiElimination.cpp @@ -0,0 +1,114 @@ +// PhiElimination —— MIR SSA 销毁 pass +// +// 将 SSA 块参数（block_args / successor args）降级为前驱块中的显式 MovReg 指令。 +// 在寄存器分配之前运行，使分配器在标准非 SSA MIR 上工作。 +// +// 同时收集 phi 元数据（phi_pairs、phi_block_arg_block）并存储在 MachineFunction 上， +// 供 GreedyAlloc 的 coalescing 和 copy hint 使用。 +// +// 步骤： +// 1. 构建前驱映射 +// 2. 对每个有 block_args 的块，在每条前驱边中插入 MovReg(dst=block_arg, src=succ_arg) +// 3. 收集 phi 连接信息 → 写入 MachineFunction +// 4. 清除所有 block_args 和 successors（MIR 不再是 SSA 形式） +// +// 参照 LLVM PHIElimination.cpp —— 同样的核心思想：PHI → 显式 COPY + +#include "mir/MIR.h" + +#include +#include + +namespace mir +{ + +void RunPhiElimination(MachineFunction &function) +{ + // ---- 1. 构建前驱映射 ---- + std::unordered_map> preds; + for (auto &block : function.GetBlocks()) + for (const auto &succ : block->GetSuccessors()) + preds[succ.label].push_back(block.get()); + + // ---- 2. 收集 phi 元数据 ---- + // phi_pairs: vreg → 与之 phi 连接的其他 vreg（用于 copy hint） + std::unordered_map> phi_pairs; + // phi_block_arg_block: block_arg vreg → 定义它的块（用于干涉排除） + std::unordered_map phi_block_arg_block; + + for (auto &block : function.GetBlocks()) + { + for (int v : block->GetBlockArgs()) + phi_block_arg_block[v] = block.get(); + } + + // ---- 3. 降级 block_args 为 MovReg ---- + for (auto &block : function.GetBlocks()) + { + const auto &block_args = block->GetBlockArgs(); + if (block_args.empty()) continue; + + auto pit = preds.find(block->GetLabelId()); + if (pit == preds.end()) continue; + + for (auto *pred : pit->second) + { + const auto &succs = pred->GetSuccessors(); + int succ_idx = -1; + for (size_t si = 0; si < succs.size(); ++si) + if (succs[si].label == block->GetLabelId()) + { succ_idx = static_cast(si); break; } + if (succ_idx < 0) continue; + + const auto &succ_args = succs[succ_idx].args; + if (succ_args.empty()) continue; + + auto &pred_insts = pred->GetInstructions(); + // 在终止指令前插入 MovReg + int insert_pos = static_cast(pred_insts.size()); + for (int i = static_cast(pred_insts.size()) - 1; i >= 0; --i) + { + auto op = pred_insts[i].GetOpcode(); + if (op == Opcode::Br || op == Opcode::CondBr || op == Opcode::Ret) + { insert_pos = i; break; } + } + + for (size_t ai = 0; ai < block_args.size() && ai < succ_args.size(); ++ai) + { + int dst_vreg = block_args[ai]; + int src_vreg = succ_args[ai]; + if (dst_vreg == src_vreg) continue; + + VRegClass vc = function.GetVRegClass(dst_vreg); + pred_insts.insert(pred_insts.begin() + insert_pos, + MachineInstr(Opcode::MovReg, { + Operand::VReg(dst_vreg, vc), + Operand::VReg(src_vreg, vc)})); + insert_pos++; + + // 记录 phi 连接 + phi_pairs[dst_vreg].push_back(src_vreg); + phi_pairs[src_vreg].push_back(dst_vreg); + } + } + } + + // ---- 4. 存储 phi 元数据到 MachineFunction ---- + function.SetPhiPairs(std::move(phi_pairs)); + function.SetPhiBlockArgBlock(std::move(phi_block_arg_block)); + + // ---- 5. 清除后继信息和块参数（已全部降级为 MovReg）---- + for (auto &block : function.GetBlocks()) + { + block->ClearSuccessors(); + block->ClearBlockArgs(); + } +} + +void RunPhiElimination(MachineModule &module) +{ + for (auto &func : module.GetFunctions()) + RunPhiElimination(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/PhysRegCopyProp.cpp b/src/mir/passes/PhysRegCopyProp.cpp new file mode 100644 index 00000000..469abd69 --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/PhysRegCopyProp.cpp @@ -0,0 +1,296 @@ +// Post-RA Physical Register Copy Propagation +// 使用标准 PhysReg 数据流分析 + 块内后向活跃检测。 + +#include "mir/MIR.h" +#include +#include +#include + +namespace mir { +namespace { + +static bool HasRegDef(Opcode op) { + switch (op) { + case Opcode::StoreStack: case Opcode::StoreGlobal: + case Opcode::StoreMem: case Opcode::StrQ: + case Opcode::Br: case Opcode::CondBr: + case Opcode::Call: case Opcode::Ret: + case Opcode::Prologue: case Opcode::Epilogue: + case Opcode::CmpRR: case Opcode::CmpImm: case Opcode::FCmpRR: // flags only + return false; + default: return true; + } +} + +static bool IsCopy(const MachineInstr &inst) { + if (inst.GetOpcode() != Opcode::MovReg) return false; + const auto &ops = inst.GetOperands(); + return ops.size() >= 2 && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::Reg; +} + +static std::vector GetDefs(const MachineInstr &inst) { + std::vector d; + if (HasRegDef(inst.GetOpcode()) && !inst.GetOperands().empty() && + inst.GetOperands()[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg) + d.push_back(inst.GetOperands()[0].GetReg()); + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Call) { + for (int i=0;i<=18;++i) d.push_back((PhysReg)((int)PhysReg::W0+i)); // GP caller-saved + for (int i=0;i<=7;++i) d.push_back((PhysReg)((int)PhysReg::S0+i)); // float caller-saved + // s8-s31 are callee-saved — not clobbered by Call + } + return d; +} + +static std::vector GetUses(const MachineInstr &inst) { + std::vector u; + const auto &ops = inst.GetOperands(); + Opcode op = inst.GetOpcode(); + bool is_store = (op == Opcode::StoreStack || op == Opcode::StoreGlobal || + op == Opcode::StoreMem || op == Opcode::StrQ); + int start = (!is_store && HasRegDef(op) && !ops.empty() && + ops[0].GetKind()==Operand::Kind::Reg) ? 1 : 0; + for (size_t j=start;j= PhysReg::W0 && r <= PhysReg::W30) return v - (int)PhysReg::W0; + if (r >= PhysReg::X0 && r <= PhysReg::X30) return v - (int)PhysReg::X0; + return v + 1000; // 非 GP 寄存器，用唯一值 +} +static PhysReg WReg(int unit) { return (PhysReg)((int)PhysReg::W0 + unit); } +static PhysReg XReg(int unit) { return (PhysReg)((int)PhysReg::X0 + unit); } + +// 展开 Wn/Xn 别名为两个具体寄存器 +static void ExpandAlias(PhysReg r, std::vector &out) { + int unit = RegUnit(r); + if (unit < 32) { out.push_back(WReg(unit)); out.push_back(XReg(unit)); } + else out.push_back(r); +} + +static bool Run(MachineFunction &function) { + bool changed = false; + auto &blocks = function.GetBlocks(); + size_t n = blocks.size(); + if (n == 0) return false; + + // ---- PhysReg 数据流分析：计算每块 live_in / live_out ---- + std::vector> block_use(n), block_def(n); + std::vector> live_in(n), live_out(n); + std::unordered_map b2i; + for (size_t i=0;i &s, PhysReg r) { + std::vector expanded; ExpandAlias(r, expanded); + for (auto er : expanded) s.insert(er); + }; + + for (size_t i=0;iGetInstructions()) { + for (auto r : GetDefs(inst)) insertAlias(block_def[i], r); + for (auto r : GetUses(inst)) insertAlias(block_use[i], r); + } + } + + // CFG successors + std::unordered_map l2i; + for (size_t i=0;iGetLabelId()]=i; + std::vector> succs(n); + for (size_t i=0;iGetInstructions()) { + auto get=[&](int lbl){auto it=l2i.find(lbl);if(it!=l2i.end())succs[i].push_back(it->second);}; + if (inst.GetOpcode()==Opcode::Br && inst.GetOperands().size()>=1 && + inst.GetOperands()[0].GetKind()==Operand::Kind::Label) + get(inst.GetOperands()[0].GetLabel()); + if (inst.GetOpcode()==Opcode::CondBr && inst.GetOperands().size()>=2 && + inst.GetOperands()[1].GetKind()==Operand::Kind::Label) { + get(inst.GetOperands()[1].GetLabel()); + // CondBr 的 fall-through 是下一个块 + if (i+1 < n) succs[i].push_back(i+1); + } + } + } + + // 迭代数据流 + bool df_changed=true; + while (df_changed) { df_changed=false; + for (int i=(int)n-1;i>=0;--i) { + std::unordered_set new_out; + for (auto s : succs[i]) for (auto r : live_in[s]) new_out.insert(r); + if (new_out != live_out[i]) { live_out[i]=std::move(new_out); df_changed=true; } + std::unordered_set new_in=block_use[i]; + for (auto r : live_out[i]) if (!block_def[i].count(r)) new_in.insert(r); + if (new_in != live_in[i]) { live_in[i]=std::move(new_in); df_changed=true; } + } + } + + // ---- 逐块优化 ---- + for (size_t bi=0;biGetInstructions(); + if (insts.size() < 1) continue; + int ni = (int)insts.size(); + + // 块内后向活跃：从 live_out 开始 + std::vector> la(ni+1); + la[ni] = live_out[bi]; + for (int i=ni-1;i>=0;--i) { + la[i] = la[i+1]; + for (auto r : GetDefs(insts[i])) { std::vector ex; ExpandAlias(r,ex); for(auto er:ex) la[i].erase(er); } + for (auto r : GetUses(insts[i])) { std::vector ex; ExpandAlias(r,ex); for(auto er:ex) la[i].insert(er); } + if (insts[i].GetOpcode()==Opcode::Ret || insts[i].GetOpcode()==Opcode::Epilogue) { + la[i].insert(PhysReg::W0); la[i].insert(PhysReg::X0); la[i].insert(PhysReg::S0); + } + } + + // 前向扫描：副本追踪 + 死副本删除 + struct Avail { PhysReg src; size_t idx; }; + std::unordered_map copies; + std::vector to_del(ni,false); + + for (int i=0;i(insts[i]); + + // 正向传播 + 标记已使用副本 + // 先收集指令 def 集合（含别名），用于正向传播安全检查 + std::unordered_set inst_def_set; + for (auto d : GetDefs(inst)) { + std::vector dex; ExpandAlias(d, dex); + for (auto ed : dex) inst_def_set.insert(ed); + } + { + Opcode op = inst.GetOpcode(); + auto &ops = inst.GetOperands(); + bool is_store = (op == Opcode::StoreStack || op == Opcode::StoreGlobal || + op == Opcode::StoreMem || op == Opcode::StrQ); + int use_start = (!is_store && HasRegDef(op) && !ops.empty() && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg) ? 1 : 0; + // 正向传播：将 copy dst 的显式 use 替换为 src + for (size_t j = use_start; j < ops.size(); ++j) { + if (ops[j].GetKind() != Operand::Kind::Reg) continue; + PhysReg use_reg = ops[j].GetReg(); + auto it = copies.find(use_reg); + if (it == copies.end()) continue; + PhysReg fwd_src = it->second.src; + // 安全检查：指令不能定义 fwd_src（含别名），否则会引起循环依赖 + if (!inst_def_set.count(fwd_src)) { + ops[j] = Operand::Reg(fwd_src); + changed = true; + } + copies.erase(it); + } + // store 的第一操作数是 use + if (is_store && !ops.empty() && ops[0].GetKind() == Operand::Kind::Reg) { + PhysReg use_reg = ops[0].GetReg(); + auto it = copies.find(use_reg); + if (it != copies.end()) { + PhysReg fwd_src = it->second.src; + if (!inst_def_set.count(fwd_src)) { + ops[0] = Operand::Reg(fwd_src); + changed = true; + } + copies.erase(it); + } + } + } + // 别名感知的副本消费：显式 uses 中含别名的寄存器 + // 例如 use x0 应消费 copy w0 = COPY ...（因为 w0 设置了 x0 的低 32 位） + // 但这里不做正向传播（转发 x0→x1 不正确，因为上 32 位不同） + for (auto u : GetUses(inst)) { + std::vector ex; ExpandAlias(u, ex); + for (auto eu : ex) { auto it = copies.find(eu); if (it != copies.end()) copies.erase(it); } + } + + // 隐式 uses：Call 的参数寄存器、Ret 的返回值寄存器 + // 这些仅消费副本（不转发），因为它们不在指令的显式 operands 中 + { + Opcode op = inst.GetOpcode(); + if (op == Opcode::Call) { + for (int k = 0; k <= 7; ++k) { + copies.erase((PhysReg)((int)PhysReg::W0 + k)); + copies.erase((PhysReg)((int)PhysReg::S0 + k)); + } + } + if (op == Opcode::Ret || op == Opcode::Epilogue) { + copies.erase(PhysReg::W0); copies.erase(PhysReg::X0); + copies.erase(PhysReg::S0); + } + } + + // Def 使副本失效（含别名处理） + for (auto d : GetDefs(inst)) { + std::vector ex; ExpandAlias(d,ex); + for (auto ed : ex) { + auto cit=copies.find(ed); + if (cit!=copies.end()) { + bool any_live = false; + std::vector dex; ExpandAlias(ed,dex); + for (auto ed2 : dex) if (la[i+1].count(ed2)) { any_live=true; break; } + if (!any_live) { to_del[cit->second.idx]=true; changed=true; } + copies.erase(cit); + } + auto it=copies.begin(); + while (it!=copies.end()) { + bool src_match = false; + std::vector sex; ExpandAlias(it->second.src,sex); + for (auto es : sex) if (es==ed) { src_match=true; break; } + if (src_match) { it=copies.erase(it); } else ++it; + } + } + } + + // 处理 COPY + if (IsCopy(inst)) { + const auto &mo=inst.GetOperands(); + PhysReg dst=mo[0].GetReg(), src=mo[1].GetReg(); + if (dst==src) { to_del[i]=true; changed=true; continue; } + // 冗余副本消除：反向对 (A=B 且已有 B=A) 或重复 (A=B 且已有 A=B) + auto inv_it = copies.find(src); + if (inv_it != copies.end() && inv_it->second.src == dst) { + to_del[i] = true; changed = true; continue; + } + auto dup_it = copies.find(dst); + if (dup_it != copies.end() && dup_it->second.src == src) { + to_del[i] = true; changed = true; continue; + } + copies[dst]={src,(size_t)i}; + } + } + + // 块尾死副本：dst 不在 live_out 中的副本可以被删除 + for (auto &[dst_reg, info] : copies) { + bool live = false; + std::vector ex; ExpandAlias(dst_reg, ex); + for (auto er : ex) if (live_out[bi].count(er)) { live = true; break; } + if (!live) { to_del[info.idx] = true; changed = true; } + } + + // 应用删除 + bool any=false; + for (bool d:to_del) if(d){any=true;break;} + if (any) { + std::vector newi; + for (int i=0;i(insts[i]))); + insts=std::move(newi); + } + } + return changed; +} + +} // namespace +void RunPhysRegCopyProp(MachineFunction &f) { for(int i=0;i<3;++i) if(!Run(f)) break; } +void RunPhysRegCopyProp(MachineModule &m) { for(auto &f:m.GetFunctions()) RunPhysRegCopyProp(*f); } +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/RegisterCoalescer.cpp b/src/mir/passes/RegisterCoalescer.cpp new file mode 100644 index 00000000..556e94d4 --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/RegisterCoalescer.cpp @@ -0,0 +1,171 @@ +// RegisterCoalescer —— 在寄存器分配之前合并 copy-connected 虚拟寄存器 +// +// 基于 MachineRegisterInfo + LiveIntervals，安全地消除 MovReg 指令： +// 1. 收集所有以 MovReg 定义的 vreg，找出全部定义都来自同一 src 的 vreg +// 2. 检查 src 和 dst 在所有点（除 MovReg 自身外）是否干涉 +// 3. 若不干涉 → 将所有 dst 引用替换为 src，删除所有相关 MovReg +// 4. 迭代至不动点 +// +// 支持多定义：若 dst 被多个 MovReg 定义（如在多个基本块中），只要全部 +// 来自同一 src 且不干涉，即可安全合并。 + +#include "mir/LiveIntervals.h" +#include "mir/MIR.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +#include +#include +#include + +namespace mir { + +namespace { + +struct CoalesceCandidate { + int dst; + int src; + std::vector movs; // 所有定义 dst 的 MovReg 指令 +}; + +// 收集所有可合并的副本。对每个 vreg，检查它的全部定义是否都是 MovReg 到同一 src +static std::vector CollectCandidates( + MachineFunction &function, MachineRegisterInfo &mri) { + + // 对每个 vreg：收集所有定义指令 + std::unordered_map> all_defs; + for (auto &block : function.GetBlocks()) { + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + auto du = MachineRegisterInfo::GetInstDefUse(inst); + for (int d : du.defs) + all_defs[d].push_back(&inst); + } + } + + std::vector candidates; + std::unordered_set processed; + + for (auto &[dst, defs] : all_defs) { + if (dst < 0 || dst >= function.GetNumVRegs()) continue; + if (defs.empty()) continue; + if (processed.count(dst)) continue; + + // 全部定义都必须是 MovReg，且 dst 和 src 同类 + int common_src = -1; + bool all_movreg = true; + std::vector movs; + + for (auto *def_inst : defs) { + if (def_inst->GetOpcode() != Opcode::MovReg) { all_movreg = false; break; } + const auto &ops = def_inst->GetOperands(); + if (ops.size() < 2 || + ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg || + ops[1].GetKind() != Operand::Kind::VReg) { + all_movreg = false; break; + } + + int src = ops[1].GetVRegId(); + if (ops[0].GetVRegId() != dst) { all_movreg = false; break; } + + if (common_src == -1) common_src = src; + else if (src != common_src) { all_movreg = false; break; } + + movs.push_back(def_inst); + } + + if (!all_movreg || common_src < 0) continue; + if (dst == common_src) continue; + + VRegClass dc = function.GetVRegClass(dst); + VRegClass sc = function.GetVRegClass(common_src); + if (dc != sc) continue; + + processed.insert(dst); + candidates.push_back({dst, common_src, std::move(movs)}); + } + + return candidates; +} + +static bool RunCoalescerOnFunction(MachineFunction &function) { + MachineRegisterInfo mri; + mri.Compute(function); + + LiveIntervals li; + li.Compute(function); + + auto candidates = CollectCandidates(function, mri); + if (candidates.empty()) return false; + + bool changed = false; + + for (auto &cand : candidates) { + int dst = cand.dst; + int src = cand.src; + + // 再次验证：所有 MovReg 仍是 dst 的有效定义（前面的合并可能改变了情况） + bool still_valid = true; + for (auto *mov : cand.movs) { + const auto &ops = mov->GetOperands(); + if (ops.size() < 2 || + ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg || + ops[0].GetVRegId() != dst || + ops[1].GetKind() != Operand::Kind::VReg || + ops[1].GetVRegId() != src) { + still_valid = false; + break; + } + } + if (!still_valid) continue; + + // 干涉检查：排除所有定义 dst 的 MovReg 指令 + std::unordered_set excludes; + for (auto *mov : cand.movs) excludes.insert(mov); + + if (li.InterfereExcept(dst, src, excludes)) continue; + + // 安全合并 + MachineRegisterInfo::ReplaceAllVRegRefs(function, dst, src); + changed = true; + } + + // 清理自复制（合并后产生的 MovReg %src, %src） + if (changed) { + for (auto &block : function.GetBlocks()) { + auto &insts = block->GetInstructions(); + std::vector new_insts; + for (auto &inst : insts) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::MovReg) { + const auto &ops = inst.GetOperands(); + if (ops.size() >= 2 && + ops[0].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[1].GetKind() == Operand::Kind::VReg && + ops[0].GetVRegId() == ops[1].GetVRegId()) { + continue; + } + } + new_insts.push_back(std::move(const_cast(inst))); + } + insts = std::move(new_insts); + } + } + + return changed; +} + +} // namespace + +void RunRegisterCoalescer(MachineFunction &function) { + bool changed = true; + int iter = 0; + while (changed && iter < 5) { + changed = RunCoalescerOnFunction(function); + iter++; + } +} + +void RunRegisterCoalescer(MachineModule &module) { + for (auto &func : module.GetFunctions()) + RunRegisterCoalescer(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/TailCallOpt.cpp b/src/mir/passes/TailCallOpt.cpp new file mode 100644 index 00000000..781188fa --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/TailCallOpt.cpp @@ -0,0 +1,64 @@ +// Tail Call Optimization —— Call + Ret → Branch +// +// 对齐 LLVM/GCC tail call optimization (sibcall) +// +// 叶函数优化：函数无 callee-saved 寄存器时，末尾的 Call+Ret 可直接替换为 Br。 +// 被调用者的 Ret 将直接返回到本函数的调用者。 +// +// 非叶函数：需要先恢复 callee-saved/lr 再 branch，暂跳过（需帧布局安全分析）。 + +#include "mir/MIR.h" + +namespace mir { +namespace { + +static bool RunTailCallOnFunction(MachineFunction& function) { + const auto& callee_saved = function.GetCalleeSavedRegs(); + // 仅叶函数：无 callee-saved 寄存器时尾调用安全 + if (!callee_saved.empty()) return false; + + // 检查函数是否有栈帧（Prologue 调整了 sp） + for (auto& block : function.GetBlocks()) { + for (auto& inst : block->GetInstructions()) { + if (inst.GetOpcode() == Opcode::Prologue) + return false; // 有栈帧 → 尾调用需先恢复 sp + } + } + + auto& blocks = function.GetBlocks(); + for (auto& block : blocks) { + auto& insts = const_cast&>(block->GetInstructions()); + if (insts.size() < 2) continue; + + // 匹配最后两条指令：Call + Ret + auto& slast = const_cast(insts[insts.size() - 2]); + auto& last = insts[insts.size() - 1]; + + if (slast.GetOpcode() != Opcode::Call) continue; + if (last.GetOpcode() != Opcode::Ret) continue; + + const auto& call_ops = slast.GetOperands(); + if (call_ops.empty() || call_ops[0].GetKind() != Operand::Kind::Label) continue; + int callee_label = call_ops[0].GetLabel(); + + // Call + Ret → Br + std::vector new_insts; + for (size_t i = 0; i < insts.size() - 2; ++i) + new_insts.push_back(std::move(insts[i])); + new_insts.push_back(MachineInstr(Opcode::Br, {Operand::Label(callee_label)})); + + insts = std::move(new_insts); + return true; + } + + return false; +} + +} // namespace + +void RunTailCallOpt(MachineFunction& function) { RunTailCallOnFunction(function); } +void RunTailCallOpt(MachineModule& module) { + for (auto& func : module.GetFunctions()) RunTailCallOpt(*func); +} + +} // namespace mir diff --git a/src/mir/passes/TwoAddress.cpp b/src/mir/passes/TwoAddress.cpp new file mode 100644 index 00000000..837b4ebc --- /dev/null +++ b/src/mir/passes/TwoAddress.cpp @@ -0,0 +1,84 @@ +// TwoAddressInstructionPass —— 两地址指令优化 +// +// AArch64 算术指令是三地址的（dst, src1, src2），但某些情况下 dst 必须与 +// 一个源操作数相同才能避免额外的 MovReg。此 pass 在 lowering 之后运行， +// 通过操作数交换（commuting）消除不必要的 copy。 +// +// 优化： +// 1. 交换可交换操作的 src1/src2，使 dst 匹配 src1（避免多余 MovReg） +// 2. 若 dst == src2 且操作可交换 → 交换 src1, src2 + +#include "mir/MIR.h" +#include "mir/MachineRegisterInfo.h" + +namespace mir { + +namespace { + +static bool IsCommutative(Opcode op) { + switch (op) { + case Opcode::AddRR: + case Opcode::MulRR: + case Opcode::AndRR: + case Opcode::OrRR: + case Opcode::XorRR: + case Opcode::FAddRR: + case Opcode::FMulRR: + case Opcode::AddShiftRR: + case Opcode::AddV4s: + case Opcode::MulV4s: + return true; + default: + return false; + } +} + +static bool RunTwoAddressOnFunction(MachineFunction &function) { + bool changed = false; + + MachineRegisterInfo mri; + mri.Compute(function); + + for (auto &block : function.GetBlocks()) { + for (auto &inst : block->GetInstructions()) { + if (!IsCommutative(inst.GetOpcode())) continue; + + auto &ops = const_cast(inst).GetOperands(); + if (ops.size() < 3) continue; + if (ops[0].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + if (ops[1].GetKind() != Operand::Kind::VReg || + ops[2].GetKind() != Operand::Kind::VReg) continue; + + int dst = ops[0].GetVRegId(); + int src1 = ops[1].GetVRegId(); + int src2 = ops[2].GetVRegId(); + + // 如果 dst == src2 且 dst != src1（操作可交换）→ 交换 src1 和 src2 + // 这样 dst == src1，避免潜在的 copy 需求 + if (dst == src2 && dst != src1) { + std::swap(ops[1], ops[2]); + changed = true; + } + } + } + + return changed; +} + +} // namespace + +void RunTwoAddressOpt(MachineFunction &function) { + bool changed = true; + int iter = 0; + while (changed && iter < 3) { + changed = RunTwoAddressOnFunction(function); + iter++; + } +} + +void RunTwoAddressOpt(MachineModule &module) { + for (auto &func : module.GetFunctions()) + RunTwoAddressOpt(*func); +} + +} // namespace mir