OSDN Git Service

Limit non-constant step prefetching only to the innermost loops.
[pf3gnuchains/gcc-fork.git] / gcc / tree-ssa-loop-prefetch.c
1 /* Array prefetching.
2    Copyright (C) 2005, 2007, 2008, 2009, 2010 Free Software Foundation, Inc.
3
4 This file is part of GCC.
5
6 GCC is free software; you can redistribute it and/or modify it
7 under the terms of the GNU General Public License as published by the
8 Free Software Foundation; either version 3, or (at your option) any
9 later version.
10
11 GCC is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
12 ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
13 FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License
14 for more details.
15
16 You should have received a copy of the GNU General Public License
17 along with GCC; see the file COPYING3.  If not see
18 <http://www.gnu.org/licenses/>.  */
19
20 #include "config.h"
21 #include "system.h"
22 #include "coretypes.h"
23 #include "tm.h"
24 #include "tree.h"
25 #include "tm_p.h"
26 #include "basic-block.h"
27 #include "output.h"
28 #include "tree-pretty-print.h"
29 #include "tree-flow.h"
30 #include "tree-dump.h"
31 #include "timevar.h"
32 #include "cfgloop.h"
33 #include "tree-pass.h"
34 #include "insn-config.h"
35 #include "recog.h"
36 #include "hashtab.h"
37 #include "tree-chrec.h"
38 #include "tree-scalar-evolution.h"
39 #include "toplev.h"
40 #include "params.h"
41 #include "langhooks.h"
42 #include "tree-inline.h"
43 #include "tree-data-ref.h"
44
45
46 /* FIXME: Needed for optabs, but this should all be moved to a TBD interface
47    between the GIMPLE and RTL worlds.  */
48 #include "expr.h"
49 #include "optabs.h"
50
51 /* This pass inserts prefetch instructions to optimize cache usage during
52    accesses to arrays in loops.  It processes loops sequentially and:
53
54    1) Gathers all memory references in the single loop.
55    2) For each of the references it decides when it is profitable to prefetch
56       it.  To do it, we evaluate the reuse among the accesses, and determines
57       two values: PREFETCH_BEFORE (meaning that it only makes sense to do
58       prefetching in the first PREFETCH_BEFORE iterations of the loop) and
59       PREFETCH_MOD (meaning that it only makes sense to prefetch in the
60       iterations of the loop that are zero modulo PREFETCH_MOD).  For example
61       (assuming cache line size is 64 bytes, char has size 1 byte and there
62       is no hardware sequential prefetch):
63
64       char *a;
65       for (i = 0; i < max; i++)
66         {
67           a[255] = ...;         (0)
68           a[i] = ...;           (1)
69           a[i + 64] = ...;      (2)
70           a[16*i] = ...;        (3)
71           a[187*i] = ...;       (4)
72           a[187*i + 50] = ...;  (5)
73         }
74
75        (0) obviously has PREFETCH_BEFORE 1
76        (1) has PREFETCH_BEFORE 64, since (2) accesses the same memory
77            location 64 iterations before it, and PREFETCH_MOD 64 (since
78            it hits the same cache line otherwise).
79        (2) has PREFETCH_MOD 64
80        (3) has PREFETCH_MOD 4
81        (4) has PREFETCH_MOD 1.  We do not set PREFETCH_BEFORE here, since
82            the cache line accessed by (4) is the same with probability only
83            7/32.
84        (5) has PREFETCH_MOD 1 as well.
85
86       Additionally, we use data dependence analysis to determine for each
87       reference the distance till the first reuse; this information is used
88       to determine the temporality of the issued prefetch instruction.
89
90    3) We determine how much ahead we need to prefetch.  The number of
91       iterations needed is time to fetch / time spent in one iteration of
92       the loop.  The problem is that we do not know either of these values,
93       so we just make a heuristic guess based on a magic (possibly)
94       target-specific constant and size of the loop.
95
96    4) Determine which of the references we prefetch.  We take into account
97       that there is a maximum number of simultaneous prefetches (provided
98       by machine description).  We prefetch as many prefetches as possible
99       while still within this bound (starting with those with lowest
100       prefetch_mod, since they are responsible for most of the cache
101       misses).
102
103    5) We unroll and peel loops so that we are able to satisfy PREFETCH_MOD
104       and PREFETCH_BEFORE requirements (within some bounds), and to avoid
105       prefetching nonaccessed memory.
106       TODO -- actually implement peeling.
107
108    6) We actually emit the prefetch instructions.  ??? Perhaps emit the
109       prefetch instructions with guards in cases where 5) was not sufficient
110       to satisfy the constraints?
111
112    The function is_loop_prefetching_profitable() implements a cost model
113    to determine if prefetching is profitable for a given loop. The cost
114    model has two heuristcs:
115    1. A heuristic that determines whether the given loop has enough CPU
116       ops that can be overlapped with cache missing memory ops.
117       If not, the loop won't benefit from prefetching. This is implemented
118       by requirung the ratio between the instruction count and the mem ref
119       count to be above a certain minimum.
120    2. A heuristic that disables prefetching in a loop with an unknown trip
121       count if the prefetching cost is above a certain limit. The relative
122       prefetching cost is estimated by taking the ratio between the
123       prefetch count and the total intruction count (this models the I-cache
124       cost).
125    The limits used in these heuristics are defined as parameters with
126    reasonable default values. Machine-specific default values will be
127    added later.
128
129    Some other TODO:
130       -- write and use more general reuse analysis (that could be also used
131          in other cache aimed loop optimizations)
132       -- make it behave sanely together with the prefetches given by user
133          (now we just ignore them; at the very least we should avoid
134          optimizing loops in that user put his own prefetches)
135       -- we assume cache line size alignment of arrays; this could be
136          improved.  */
137
138 /* Magic constants follow.  These should be replaced by machine specific
139    numbers.  */
140
141 /* True if write can be prefetched by a read prefetch.  */
142
143 #ifndef WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
144 #define WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH 1
145 #endif
146
147 /* True if read can be prefetched by a write prefetch. */
148
149 #ifndef READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
150 #define READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH 0
151 #endif
152
153 /* The size of the block loaded by a single prefetch.  Usually, this is
154    the same as cache line size (at the moment, we only consider one level
155    of cache hierarchy).  */
156
157 #ifndef PREFETCH_BLOCK
158 #define PREFETCH_BLOCK L1_CACHE_LINE_SIZE
159 #endif
160
161 /* Do we have a forward hardware sequential prefetching?  */
162
163 #ifndef HAVE_FORWARD_PREFETCH
164 #define HAVE_FORWARD_PREFETCH 0
165 #endif
166
167 /* Do we have a backward hardware sequential prefetching?  */
168
169 #ifndef HAVE_BACKWARD_PREFETCH
170 #define HAVE_BACKWARD_PREFETCH 0
171 #endif
172
173 /* In some cases we are only able to determine that there is a certain
174    probability that the two accesses hit the same cache line.  In this
175    case, we issue the prefetches for both of them if this probability
176    is less then (1000 - ACCEPTABLE_MISS_RATE) per thousand.  */
177
178 #ifndef ACCEPTABLE_MISS_RATE
179 #define ACCEPTABLE_MISS_RATE 50
180 #endif
181
182 #ifndef HAVE_prefetch
183 #define HAVE_prefetch 0
184 #endif
185
186 #define L1_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L1_CACHE_SIZE * 1024))
187 #define L2_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L2_CACHE_SIZE * 1024))
188
189 /* We consider a memory access nontemporal if it is not reused sooner than
190    after L2_CACHE_SIZE_BYTES of memory are accessed.  However, we ignore
191    accesses closer than L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
192    so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory location
193    is accessed several times in a single iteration of the loop.  */
194 #define NONTEMPORAL_FRACTION 16
195
196 /* In case we have to emit a memory fence instruction after the loop that
197    uses nontemporal stores, this defines the builtin to use.  */
198
199 #ifndef FENCE_FOLLOWING_MOVNT
200 #define FENCE_FOLLOWING_MOVNT NULL_TREE
201 #endif
202
203 /* It is not profitable to prefetch when the trip count is not at
204    least TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO times the prefetch ahead distance.
205    For example, in a loop with a prefetch ahead distance of 10,
206    supposing that TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO is equal to 4, it is
207    profitable to prefetch when the trip count is greater or equal to
208    40.  In that case, 30 out of the 40 iterations will benefit from
209    prefetching.  */
210
211 #ifndef TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO
212 #define TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO 4
213 #endif
214
215 /* The group of references between that reuse may occur.  */
216
217 struct mem_ref_group
218 {
219   tree base;                    /* Base of the reference.  */
220   tree step;                    /* Step of the reference.  */
221   struct mem_ref *refs;         /* References in the group.  */
222   struct mem_ref_group *next;   /* Next group of references.  */
223 };
224
225 /* Assigned to PREFETCH_BEFORE when all iterations are to be prefetched.  */
226
227 #define PREFETCH_ALL            (~(unsigned HOST_WIDE_INT) 0)
228
229 /* Do not generate a prefetch if the unroll factor is significantly less
230    than what is required by the prefetch.  This is to avoid redundant
231    prefetches.  For example, when prefetch_mod is 16 and unroll_factor is
232    2, prefetching requires unrolling the loop 16 times, but
233    the loop is actually unrolled twice.  In this case (ratio = 8),
234    prefetching is not likely to be beneficial.  */
235
236 #ifndef PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO
237 #define PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO 4
238 #endif
239
240 /* The memory reference.  */
241
242 struct mem_ref
243 {
244   gimple stmt;                  /* Statement in that the reference appears.  */
245   tree mem;                     /* The reference.  */
246   HOST_WIDE_INT delta;          /* Constant offset of the reference.  */
247   struct mem_ref_group *group;  /* The group of references it belongs to.  */
248   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_mod;
249                                 /* Prefetch only each PREFETCH_MOD-th
250                                    iteration.  */
251   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before;
252                                 /* Prefetch only first PREFETCH_BEFORE
253                                    iterations.  */
254   unsigned reuse_distance;      /* The amount of data accessed before the first
255                                    reuse of this value.  */
256   struct mem_ref *next;         /* The next reference in the group.  */
257   unsigned write_p : 1;         /* Is it a write?  */
258   unsigned independent_p : 1;   /* True if the reference is independent on
259                                    all other references inside the loop.  */
260   unsigned issue_prefetch_p : 1;        /* Should we really issue the prefetch?  */
261   unsigned storent_p : 1;       /* True if we changed the store to a
262                                    nontemporal one.  */
263 };
264
265 /* Dumps information about reference REF to FILE.  */
266
267 static void
268 dump_mem_ref (FILE *file, struct mem_ref *ref)
269 {
270   fprintf (file, "Reference %p:\n", (void *) ref);
271
272   fprintf (file, "  group %p (base ", (void *) ref->group);
273   print_generic_expr (file, ref->group->base, TDF_SLIM);
274   fprintf (file, ", step ");
275   if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
276     fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, int_cst_value (ref->group->step));
277   else
278     print_generic_expr (file, ref->group->step, TDF_TREE);
279   fprintf (file, ")\n");
280
281   fprintf (file, "  delta ");
282   fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, ref->delta);
283   fprintf (file, "\n");
284
285   fprintf (file, "  %s\n", ref->write_p ? "write" : "read");
286
287   fprintf (file, "\n");
288 }
289
290 /* Finds a group with BASE and STEP in GROUPS, or creates one if it does not
291    exist.  */
292
293 static struct mem_ref_group *
294 find_or_create_group (struct mem_ref_group **groups, tree base, tree step)
295 {
296   struct mem_ref_group *group;
297
298   for (; *groups; groups = &(*groups)->next)
299     {
300       if (operand_equal_p ((*groups)->step, step, 0)
301           && operand_equal_p ((*groups)->base, base, 0))
302         return *groups;
303
304       /* If step is an integer constant, keep the list of groups sorted
305          by decreasing step.  */
306         if (cst_and_fits_in_hwi ((*groups)->step) && cst_and_fits_in_hwi (step)
307             && int_cst_value ((*groups)->step) < int_cst_value (step))
308         break;
309     }
310
311   group = XNEW (struct mem_ref_group);
312   group->base = base;
313   group->step = step;
314   group->refs = NULL;
315   group->next = *groups;
316   *groups = group;
317
318   return group;
319 }
320
321 /* Records a memory reference MEM in GROUP with offset DELTA and write status
322    WRITE_P.  The reference occurs in statement STMT.  */
323
324 static void
325 record_ref (struct mem_ref_group *group, gimple stmt, tree mem,
326             HOST_WIDE_INT delta, bool write_p)
327 {
328   struct mem_ref **aref;
329
330   /* Do not record the same address twice.  */
331   for (aref = &group->refs; *aref; aref = &(*aref)->next)
332     {
333       /* It does not have to be possible for write reference to reuse the read
334          prefetch, or vice versa.  */
335       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
336           && write_p
337           && !(*aref)->write_p)
338         continue;
339       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
340           && !write_p
341           && (*aref)->write_p)
342         continue;
343
344       if ((*aref)->delta == delta)
345         return;
346     }
347
348   (*aref) = XNEW (struct mem_ref);
349   (*aref)->stmt = stmt;
350   (*aref)->mem = mem;
351   (*aref)->delta = delta;
352   (*aref)->write_p = write_p;
353   (*aref)->prefetch_before = PREFETCH_ALL;
354   (*aref)->prefetch_mod = 1;
355   (*aref)->reuse_distance = 0;
356   (*aref)->issue_prefetch_p = false;
357   (*aref)->group = group;
358   (*aref)->next = NULL;
359   (*aref)->independent_p = false;
360   (*aref)->storent_p = false;
361
362   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
363     dump_mem_ref (dump_file, *aref);
364 }
365
366 /* Release memory references in GROUPS.  */
367
368 static void
369 release_mem_refs (struct mem_ref_group *groups)
370 {
371   struct mem_ref_group *next_g;
372   struct mem_ref *ref, *next_r;
373
374   for (; groups; groups = next_g)
375     {
376       next_g = groups->next;
377       for (ref = groups->refs; ref; ref = next_r)
378         {
379           next_r = ref->next;
380           free (ref);
381         }
382       free (groups);
383     }
384 }
385
386 /* A structure used to pass arguments to idx_analyze_ref.  */
387
388 struct ar_data
389 {
390   struct loop *loop;                    /* Loop of the reference.  */
391   gimple stmt;                          /* Statement of the reference.  */
392   tree *step;                           /* Step of the memory reference.  */
393   HOST_WIDE_INT *delta;                 /* Offset of the memory reference.  */
394 };
395
396 /* Analyzes a single INDEX of a memory reference to obtain information
397    described at analyze_ref.  Callback for for_each_index.  */
398
399 static bool
400 idx_analyze_ref (tree base, tree *index, void *data)
401 {
402   struct ar_data *ar_data = (struct ar_data *) data;
403   tree ibase, step, stepsize;
404   HOST_WIDE_INT idelta = 0, imult = 1;
405   affine_iv iv;
406
407   if (TREE_CODE (base) == MISALIGNED_INDIRECT_REF
408       || TREE_CODE (base) == ALIGN_INDIRECT_REF)
409     return false;
410
411   if (!simple_iv (ar_data->loop, loop_containing_stmt (ar_data->stmt),
412                   *index, &iv, true))
413     return false;
414   ibase = iv.base;
415   step = iv.step;
416
417   if (TREE_CODE (ibase) == POINTER_PLUS_EXPR
418       && cst_and_fits_in_hwi (TREE_OPERAND (ibase, 1)))
419     {
420       idelta = int_cst_value (TREE_OPERAND (ibase, 1));
421       ibase = TREE_OPERAND (ibase, 0);
422     }
423   if (cst_and_fits_in_hwi (ibase))
424     {
425       idelta += int_cst_value (ibase);
426       ibase = build_int_cst (TREE_TYPE (ibase), 0);
427     }
428
429   if (TREE_CODE (base) == ARRAY_REF)
430     {
431       stepsize = array_ref_element_size (base);
432       if (!cst_and_fits_in_hwi (stepsize))
433         return false;
434       imult = int_cst_value (stepsize);
435       step = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
436                           fold_convert (sizetype, step),
437                           fold_convert (sizetype, stepsize));
438       idelta *= imult;
439     }
440
441   if (*ar_data->step == NULL_TREE)
442     *ar_data->step = step;
443   else
444     *ar_data->step = fold_build2 (PLUS_EXPR, sizetype,
445                                   fold_convert (sizetype, *ar_data->step),
446                                   fold_convert (sizetype, step));
447   *ar_data->delta += idelta;
448   *index = ibase;
449
450   return true;
451 }
452
453 /* Tries to express REF_P in shape &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and
454    STEP are integer constants and iter is number of iterations of LOOP.  The
455    reference occurs in statement STMT.  Strips nonaddressable component
456    references from REF_P.  */
457
458 static bool
459 analyze_ref (struct loop *loop, tree *ref_p, tree *base,
460              tree *step, HOST_WIDE_INT *delta,
461              gimple stmt)
462 {
463   struct ar_data ar_data;
464   tree off;
465   HOST_WIDE_INT bit_offset;
466   tree ref = *ref_p;
467
468   *step = NULL_TREE;
469   *delta = 0;
470
471   /* First strip off the component references.  Ignore bitfields.  */
472   if (TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF
473       && DECL_NONADDRESSABLE_P (TREE_OPERAND (ref, 1)))
474     ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
475
476   *ref_p = ref;
477
478   for (; TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF; ref = TREE_OPERAND (ref, 0))
479     {
480       off = DECL_FIELD_BIT_OFFSET (TREE_OPERAND (ref, 1));
481       bit_offset = TREE_INT_CST_LOW (off);
482       gcc_assert (bit_offset % BITS_PER_UNIT == 0);
483
484       *delta += bit_offset / BITS_PER_UNIT;
485     }
486
487   *base = unshare_expr (ref);
488   ar_data.loop = loop;
489   ar_data.stmt = stmt;
490   ar_data.step = step;
491   ar_data.delta = delta;
492   return for_each_index (base, idx_analyze_ref, &ar_data);
493 }
494
495 /* Record a memory reference REF to the list REFS.  The reference occurs in
496    LOOP in statement STMT and it is write if WRITE_P.  Returns true if the
497    reference was recorded, false otherwise.  */
498
499 static bool
500 gather_memory_references_ref (struct loop *loop, struct mem_ref_group **refs,
501                               tree ref, bool write_p, gimple stmt)
502 {
503   tree base, step;
504   HOST_WIDE_INT delta;
505   struct mem_ref_group *agrp;
506
507   if (get_base_address (ref) == NULL)
508     return false;
509
510   if (!analyze_ref (loop, &ref, &base, &step, &delta, stmt))
511     return false;
512   /* If analyze_ref fails the default is a NULL_TREE.  We can stop here.  */
513   if (step == NULL_TREE)
514     return false;
515
516   /* Limit non-constant step prefetching only to the innermost loops.  */
517   if (!cst_and_fits_in_hwi (step) && loop->inner != NULL)
518     return false;
519
520   /* Now we know that REF = &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and STEP
521      are integer constants.  */
522   agrp = find_or_create_group (refs, base, step);
523   record_ref (agrp, stmt, ref, delta, write_p);
524
525   return true;
526 }
527
528 /* Record the suitable memory references in LOOP.  NO_OTHER_REFS is set to
529    true if there are no other memory references inside the loop.  */
530
531 static struct mem_ref_group *
532 gather_memory_references (struct loop *loop, bool *no_other_refs, unsigned *ref_count)
533 {
534   basic_block *body = get_loop_body_in_dom_order (loop);
535   basic_block bb;
536   unsigned i;
537   gimple_stmt_iterator bsi;
538   gimple stmt;
539   tree lhs, rhs;
540   struct mem_ref_group *refs = NULL;
541
542   *no_other_refs = true;
543   *ref_count = 0;
544
545   /* Scan the loop body in order, so that the former references precede the
546      later ones.  */
547   for (i = 0; i < loop->num_nodes; i++)
548     {
549       bb = body[i];
550       if (bb->loop_father != loop)
551         continue;
552
553       for (bsi = gsi_start_bb (bb); !gsi_end_p (bsi); gsi_next (&bsi))
554         {
555           stmt = gsi_stmt (bsi);
556
557           if (gimple_code (stmt) != GIMPLE_ASSIGN)
558             {
559               if (gimple_vuse (stmt)
560                   || (is_gimple_call (stmt)
561                       && !(gimple_call_flags (stmt) & ECF_CONST)))
562                 *no_other_refs = false;
563               continue;
564             }
565
566           lhs = gimple_assign_lhs (stmt);
567           rhs = gimple_assign_rhs1 (stmt);
568
569           if (REFERENCE_CLASS_P (rhs))
570             {
571             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
572                                                             rhs, false, stmt);
573             *ref_count += 1;
574             }
575           if (REFERENCE_CLASS_P (lhs))
576             {
577             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
578                                                             lhs, true, stmt);
579             *ref_count += 1;
580             }
581         }
582     }
583   free (body);
584
585   return refs;
586 }
587
588 /* Prune the prefetch candidate REF using the self-reuse.  */
589
590 static void
591 prune_ref_by_self_reuse (struct mem_ref *ref)
592 {
593   HOST_WIDE_INT step;
594   bool backward;
595
596   /* If the step size is non constant, we cannot calculate prefetch_mod.  */
597   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
598     return;
599
600   step = int_cst_value (ref->group->step);
601
602   backward = step < 0;
603
604   if (step == 0)
605     {
606       /* Prefetch references to invariant address just once.  */
607       ref->prefetch_before = 1;
608       return;
609     }
610
611   if (backward)
612     step = -step;
613
614   if (step > PREFETCH_BLOCK)
615     return;
616
617   if ((backward && HAVE_BACKWARD_PREFETCH)
618       || (!backward && HAVE_FORWARD_PREFETCH))
619     {
620       ref->prefetch_before = 1;
621       return;
622     }
623
624   ref->prefetch_mod = PREFETCH_BLOCK / step;
625 }
626
627 /* Divides X by BY, rounding down.  */
628
629 static HOST_WIDE_INT
630 ddown (HOST_WIDE_INT x, unsigned HOST_WIDE_INT by)
631 {
632   gcc_assert (by > 0);
633
634   if (x >= 0)
635     return x / by;
636   else
637     return (x + by - 1) / by;
638 }
639
640 /* Given a CACHE_LINE_SIZE and two inductive memory references
641    with a common STEP greater than CACHE_LINE_SIZE and an address
642    difference DELTA, compute the probability that they will fall
643    in different cache lines.  DISTINCT_ITERS is the number of
644    distinct iterations after which the pattern repeats itself.
645    ALIGN_UNIT is the unit of alignment in bytes.  */
646
647 static int
648 compute_miss_rate (unsigned HOST_WIDE_INT cache_line_size,
649                    HOST_WIDE_INT step, HOST_WIDE_INT delta,
650                    unsigned HOST_WIDE_INT distinct_iters,
651                    int align_unit)
652 {
653   unsigned align, iter;
654   int total_positions, miss_positions, miss_rate;
655   int address1, address2, cache_line1, cache_line2;
656
657   total_positions = 0;
658   miss_positions = 0;
659
660   /* Iterate through all possible alignments of the first
661      memory reference within its cache line.  */
662   for (align = 0; align < cache_line_size; align += align_unit)
663
664     /* Iterate through all distinct iterations.  */
665     for (iter = 0; iter < distinct_iters; iter++)
666       {
667         address1 = align + step * iter;
668         address2 = address1 + delta;
669         cache_line1 = address1 / cache_line_size;
670         cache_line2 = address2 / cache_line_size;
671         total_positions += 1;
672         if (cache_line1 != cache_line2)
673           miss_positions += 1;
674       }
675   miss_rate = 1000 * miss_positions / total_positions;
676   return miss_rate;
677 }
678
679 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuse with BY.
680    If BY_IS_BEFORE is true, BY is before REF in the loop.  */
681
682 static void
683 prune_ref_by_group_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *by,
684                           bool by_is_before)
685 {
686   HOST_WIDE_INT step;
687   bool backward;
688   HOST_WIDE_INT delta_r = ref->delta, delta_b = by->delta;
689   HOST_WIDE_INT delta = delta_b - delta_r;
690   HOST_WIDE_INT hit_from;
691   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before, prefetch_block;
692   int miss_rate;
693   HOST_WIDE_INT reduced_step;
694   unsigned HOST_WIDE_INT reduced_prefetch_block;
695   tree ref_type;
696   int align_unit;
697
698   /* If the step is non constant we cannot calculate prefetch_before.  */
699   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step)) {
700     return;
701   }
702
703   step = int_cst_value (ref->group->step);
704
705   backward = step < 0;
706
707
708   if (delta == 0)
709     {
710       /* If the references has the same address, only prefetch the
711          former.  */
712       if (by_is_before)
713         ref->prefetch_before = 0;
714
715       return;
716     }
717
718   if (!step)
719     {
720       /* If the reference addresses are invariant and fall into the
721          same cache line, prefetch just the first one.  */
722       if (!by_is_before)
723         return;
724
725       if (ddown (ref->delta, PREFETCH_BLOCK)
726           != ddown (by->delta, PREFETCH_BLOCK))
727         return;
728
729       ref->prefetch_before = 0;
730       return;
731     }
732
733   /* Only prune the reference that is behind in the array.  */
734   if (backward)
735     {
736       if (delta > 0)
737         return;
738
739       /* Transform the data so that we may assume that the accesses
740          are forward.  */
741       delta = - delta;
742       step = -step;
743       delta_r = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_r;
744       delta_b = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_b;
745     }
746   else
747     {
748       if (delta < 0)
749         return;
750     }
751
752   /* Check whether the two references are likely to hit the same cache
753      line, and how distant the iterations in that it occurs are from
754      each other.  */
755
756   if (step <= PREFETCH_BLOCK)
757     {
758       /* The accesses are sure to meet.  Let us check when.  */
759       hit_from = ddown (delta_b, PREFETCH_BLOCK) * PREFETCH_BLOCK;
760       prefetch_before = (hit_from - delta_r + step - 1) / step;
761
762       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
763       if (prefetch_before > (unsigned) abs (L2_CACHE_SIZE_BYTES / step))
764         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
765       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
766         ref->prefetch_before = prefetch_before;
767
768       return;
769     }
770
771   /* A more complicated case with step > prefetch_block.  First reduce
772      the ratio between the step and the cache line size to its simplest
773      terms.  The resulting denominator will then represent the number of
774      distinct iterations after which each address will go back to its
775      initial location within the cache line.  This computation assumes
776      that PREFETCH_BLOCK is a power of two.  */
777   prefetch_block = PREFETCH_BLOCK;
778   reduced_prefetch_block = prefetch_block;
779   reduced_step = step;
780   while ((reduced_step & 1) == 0
781          && reduced_prefetch_block > 1)
782     {
783       reduced_step >>= 1;
784       reduced_prefetch_block >>= 1;
785     }
786
787   prefetch_before = delta / step;
788   delta %= step;
789   ref_type = TREE_TYPE (ref->mem);
790   align_unit = TYPE_ALIGN (ref_type) / 8;
791   miss_rate = compute_miss_rate(prefetch_block, step, delta,
792                                 reduced_prefetch_block, align_unit);
793   if (miss_rate <= ACCEPTABLE_MISS_RATE)
794     {
795       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
796       if (prefetch_before > L2_CACHE_SIZE_BYTES / PREFETCH_BLOCK)
797         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
798       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
799         ref->prefetch_before = prefetch_before;
800
801       return;
802     }
803
804   /* Try also the following iteration.  */
805   prefetch_before++;
806   delta = step - delta;
807   miss_rate = compute_miss_rate(prefetch_block, step, delta,
808                                 reduced_prefetch_block, align_unit);
809   if (miss_rate <= ACCEPTABLE_MISS_RATE)
810     {
811       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
812         ref->prefetch_before = prefetch_before;
813
814       return;
815     }
816
817   /* The ref probably does not reuse by.  */
818   return;
819 }
820
821 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuses with other references
822    in REFS.  */
823
824 static void
825 prune_ref_by_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *refs)
826 {
827   struct mem_ref *prune_by;
828   bool before = true;
829
830   prune_ref_by_self_reuse (ref);
831
832   for (prune_by = refs; prune_by; prune_by = prune_by->next)
833     {
834       if (prune_by == ref)
835         {
836           before = false;
837           continue;
838         }
839
840       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
841           && ref->write_p
842           && !prune_by->write_p)
843         continue;
844       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
845           && !ref->write_p
846           && prune_by->write_p)
847         continue;
848
849       prune_ref_by_group_reuse (ref, prune_by, before);
850     }
851 }
852
853 /* Prune the prefetch candidates in GROUP using the reuse analysis.  */
854
855 static void
856 prune_group_by_reuse (struct mem_ref_group *group)
857 {
858   struct mem_ref *ref_pruned;
859
860   for (ref_pruned = group->refs; ref_pruned; ref_pruned = ref_pruned->next)
861     {
862       prune_ref_by_reuse (ref_pruned, group->refs);
863
864       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
865         {
866           fprintf (dump_file, "Reference %p:", (void *) ref_pruned);
867
868           if (ref_pruned->prefetch_before == PREFETCH_ALL
869               && ref_pruned->prefetch_mod == 1)
870             fprintf (dump_file, " no restrictions");
871           else if (ref_pruned->prefetch_before == 0)
872             fprintf (dump_file, " do not prefetch");
873           else if (ref_pruned->prefetch_before <= ref_pruned->prefetch_mod)
874             fprintf (dump_file, " prefetch once");
875           else
876             {
877               if (ref_pruned->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
878                 {
879                   fprintf (dump_file, " prefetch before ");
880                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
881                            ref_pruned->prefetch_before);
882                 }
883               if (ref_pruned->prefetch_mod != 1)
884                 {
885                   fprintf (dump_file, " prefetch mod ");
886                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
887                            ref_pruned->prefetch_mod);
888                 }
889             }
890           fprintf (dump_file, "\n");
891         }
892     }
893 }
894
895 /* Prune the list of prefetch candidates GROUPS using the reuse analysis.  */
896
897 static void
898 prune_by_reuse (struct mem_ref_group *groups)
899 {
900   for (; groups; groups = groups->next)
901     prune_group_by_reuse (groups);
902 }
903
904 /* Returns true if we should issue prefetch for REF.  */
905
906 static bool
907 should_issue_prefetch_p (struct mem_ref *ref)
908 {
909   /* For now do not issue prefetches for only first few of the
910      iterations.  */
911   if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
912     {
913       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
914         fprintf (dump_file, "Ignoring %p due to prefetch_before\n",
915                  (void *) ref);
916       return false;
917     }
918
919   /* Do not prefetch nontemporal stores.  */
920   if (ref->storent_p)
921     {
922       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
923         fprintf (dump_file, "Ignoring nontemporal store %p\n", (void *) ref);
924       return false;
925     }
926
927   return true;
928 }
929
930 /* Decide which of the prefetch candidates in GROUPS to prefetch.
931    AHEAD is the number of iterations to prefetch ahead (which corresponds
932    to the number of simultaneous instances of one prefetch running at a
933    time).  UNROLL_FACTOR is the factor by that the loop is going to be
934    unrolled.  Returns true if there is anything to prefetch.  */
935
936 static bool
937 schedule_prefetches (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor,
938                      unsigned ahead)
939 {
940   unsigned remaining_prefetch_slots, n_prefetches, prefetch_slots;
941   unsigned slots_per_prefetch;
942   struct mem_ref *ref;
943   bool any = false;
944
945   /* At most SIMULTANEOUS_PREFETCHES should be running at the same time.  */
946   remaining_prefetch_slots = SIMULTANEOUS_PREFETCHES;
947
948   /* The prefetch will run for AHEAD iterations of the original loop, i.e.,
949      AHEAD / UNROLL_FACTOR iterations of the unrolled loop.  In each iteration,
950      it will need a prefetch slot.  */
951   slots_per_prefetch = (ahead + unroll_factor / 2) / unroll_factor;
952   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
953     fprintf (dump_file, "Each prefetch instruction takes %u prefetch slots.\n",
954              slots_per_prefetch);
955
956   /* For now we just take memory references one by one and issue
957      prefetches for as many as possible.  The groups are sorted
958      starting with the largest step, since the references with
959      large step are more likely to cause many cache misses.  */
960
961   for (; groups; groups = groups->next)
962     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
963       {
964         if (!should_issue_prefetch_p (ref))
965           continue;
966
967         /* The loop is far from being sufficiently unrolled for this
968            prefetch.  Do not generate prefetch to avoid many redudant
969            prefetches.  */
970         if (ref->prefetch_mod / unroll_factor > PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO)
971           continue;
972
973         /* If we need to prefetch the reference each PREFETCH_MOD iterations,
974            and we unroll the loop UNROLL_FACTOR times, we need to insert
975            ceil (UNROLL_FACTOR / PREFETCH_MOD) instructions in each
976            iteration.  */
977         n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
978                         / ref->prefetch_mod);
979         prefetch_slots = n_prefetches * slots_per_prefetch;
980
981         /* If more than half of the prefetches would be lost anyway, do not
982            issue the prefetch.  */
983         if (2 * remaining_prefetch_slots < prefetch_slots)
984           continue;
985
986         ref->issue_prefetch_p = true;
987
988         if (remaining_prefetch_slots <= prefetch_slots)
989           return true;
990         remaining_prefetch_slots -= prefetch_slots;
991         any = true;
992       }
993
994   return any;
995 }
996
997 /* Estimate the number of prefetches in the given GROUPS.  */
998
999 static int
1000 estimate_prefetch_count (struct mem_ref_group *groups)
1001 {
1002   struct mem_ref *ref;
1003   int prefetch_count = 0;
1004
1005   for (; groups; groups = groups->next)
1006     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1007       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1008           prefetch_count++;
1009
1010   return prefetch_count;
1011 }
1012
1013 /* Issue prefetches for the reference REF into loop as decided before.
1014    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR
1015    is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1016
1017 static void
1018 issue_prefetch_ref (struct mem_ref *ref, unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1019 {
1020   HOST_WIDE_INT delta;
1021   tree addr, addr_base, write_p, local, forward;
1022   gimple prefetch;
1023   gimple_stmt_iterator bsi;
1024   unsigned n_prefetches, ap;
1025   bool nontemporal = ref->reuse_distance >= L2_CACHE_SIZE_BYTES;
1026
1027   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1028     fprintf (dump_file, "Issued%s prefetch for %p.\n",
1029              nontemporal ? " nontemporal" : "",
1030              (void *) ref);
1031
1032   bsi = gsi_for_stmt (ref->stmt);
1033
1034   n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1035                   / ref->prefetch_mod);
1036   addr_base = build_fold_addr_expr_with_type (ref->mem, ptr_type_node);
1037   addr_base = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr_base),
1038                                         true, NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1039   write_p = ref->write_p ? integer_one_node : integer_zero_node;
1040   local = build_int_cst (integer_type_node, nontemporal ? 0 : 3);
1041
1042   for (ap = 0; ap < n_prefetches; ap++)
1043     {
1044       if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
1045         {
1046           /* Determine the address to prefetch.  */
1047           delta = (ahead + ap * ref->prefetch_mod) *
1048                    int_cst_value (ref->group->step);
1049           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node,
1050                               addr_base, size_int (delta));
1051           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true, NULL,
1052                                            true, GSI_SAME_STMT);
1053         }
1054       else
1055         {
1056           /* The step size is non-constant but loop-invariant.  We use the
1057              heuristic to simply prefetch ahead iterations ahead.  */
1058           forward = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
1059                                  fold_convert (sizetype, ref->group->step),
1060                                  fold_convert (sizetype, size_int (ahead)));
1061           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node, addr_base,
1062                               forward);
1063           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true,
1064                                            NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1065       }
1066       /* Create the prefetch instruction.  */
1067       prefetch = gimple_build_call (built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH],
1068                                     3, addr, write_p, local);
1069       gsi_insert_before (&bsi, prefetch, GSI_SAME_STMT);
1070     }
1071 }
1072
1073 /* Issue prefetches for the references in GROUPS into loop as decided before.
1074    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR is the
1075    factor by that LOOP was unrolled.  */
1076
1077 static void
1078 issue_prefetches (struct mem_ref_group *groups,
1079                   unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1080 {
1081   struct mem_ref *ref;
1082
1083   for (; groups; groups = groups->next)
1084     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1085       if (ref->issue_prefetch_p)
1086         issue_prefetch_ref (ref, unroll_factor, ahead);
1087 }
1088
1089 /* Returns true if REF is a memory write for that a nontemporal store insn
1090    can be used.  */
1091
1092 static bool
1093 nontemporal_store_p (struct mem_ref *ref)
1094 {
1095   enum machine_mode mode;
1096   enum insn_code code;
1097
1098   /* REF must be a write that is not reused.  We require it to be independent
1099      on all other memory references in the loop, as the nontemporal stores may
1100      be reordered with respect to other memory references.  */
1101   if (!ref->write_p
1102       || !ref->independent_p
1103       || ref->reuse_distance < L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1104     return false;
1105
1106   /* Check that we have the storent instruction for the mode.  */
1107   mode = TYPE_MODE (TREE_TYPE (ref->mem));
1108   if (mode == BLKmode)
1109     return false;
1110
1111   code = optab_handler (storent_optab, mode)->insn_code;
1112   return code != CODE_FOR_nothing;
1113 }
1114
1115 /* If REF is a nontemporal store, we mark the corresponding modify statement
1116    and return true.  Otherwise, we return false.  */
1117
1118 static bool
1119 mark_nontemporal_store (struct mem_ref *ref)
1120 {
1121   if (!nontemporal_store_p (ref))
1122     return false;
1123
1124   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1125     fprintf (dump_file, "Marked reference %p as a nontemporal store.\n",
1126              (void *) ref);
1127
1128   gimple_assign_set_nontemporal_move (ref->stmt, true);
1129   ref->storent_p = true;
1130
1131   return true;
1132 }
1133
1134 /* Issue a memory fence instruction after LOOP.  */
1135
1136 static void
1137 emit_mfence_after_loop (struct loop *loop)
1138 {
1139   VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1140   edge exit;
1141   gimple call;
1142   gimple_stmt_iterator bsi;
1143   unsigned i;
1144
1145   for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1146     {
1147       call = gimple_build_call (FENCE_FOLLOWING_MOVNT, 0);
1148
1149       if (!single_pred_p (exit->dest)
1150           /* If possible, we prefer not to insert the fence on other paths
1151              in cfg.  */
1152           && !(exit->flags & EDGE_ABNORMAL))
1153         split_loop_exit_edge (exit);
1154       bsi = gsi_after_labels (exit->dest);
1155
1156       gsi_insert_before (&bsi, call, GSI_NEW_STMT);
1157       mark_virtual_ops_for_renaming (call);
1158     }
1159
1160   VEC_free (edge, heap, exits);
1161   update_ssa (TODO_update_ssa_only_virtuals);
1162 }
1163
1164 /* Returns true if we can use storent in loop, false otherwise.  */
1165
1166 static bool
1167 may_use_storent_in_loop_p (struct loop *loop)
1168 {
1169   bool ret = true;
1170
1171   if (loop->inner != NULL)
1172     return false;
1173
1174   /* If we must issue a mfence insn after using storent, check that there
1175      is a suitable place for it at each of the loop exits.  */
1176   if (FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1177     {
1178       VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1179       unsigned i;
1180       edge exit;
1181
1182       for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1183         if ((exit->flags & EDGE_ABNORMAL)
1184             && exit->dest == EXIT_BLOCK_PTR)
1185           ret = false;
1186
1187       VEC_free (edge, heap, exits);
1188     }
1189
1190   return ret;
1191 }
1192
1193 /* Marks nontemporal stores in LOOP.  GROUPS contains the description of memory
1194    references in the loop.  */
1195
1196 static void
1197 mark_nontemporal_stores (struct loop *loop, struct mem_ref_group *groups)
1198 {
1199   struct mem_ref *ref;
1200   bool any = false;
1201
1202   if (!may_use_storent_in_loop_p (loop))
1203     return;
1204
1205   for (; groups; groups = groups->next)
1206     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1207       any |= mark_nontemporal_store (ref);
1208
1209   if (any && FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1210     emit_mfence_after_loop (loop);
1211 }
1212
1213 /* Determines whether we can profitably unroll LOOP FACTOR times, and if
1214    this is the case, fill in DESC by the description of number of
1215    iterations.  */
1216
1217 static bool
1218 should_unroll_loop_p (struct loop *loop, struct tree_niter_desc *desc,
1219                       unsigned factor)
1220 {
1221   if (!can_unroll_loop_p (loop, factor, desc))
1222     return false;
1223
1224   /* We only consider loops without control flow for unrolling.  This is not
1225      a hard restriction -- tree_unroll_loop works with arbitrary loops
1226      as well; but the unrolling/prefetching is usually more profitable for
1227      loops consisting of a single basic block, and we want to limit the
1228      code growth.  */
1229   if (loop->num_nodes > 2)
1230     return false;
1231
1232   return true;
1233 }
1234
1235 /* Determine the coefficient by that unroll LOOP, from the information
1236    contained in the list of memory references REFS.  Description of
1237    umber of iterations of LOOP is stored to DESC.  NINSNS is the number of
1238    insns of the LOOP.  EST_NITER is the estimated number of iterations of
1239    the loop, or -1 if no estimate is available.  */
1240
1241 static unsigned
1242 determine_unroll_factor (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1243                          unsigned ninsns, struct tree_niter_desc *desc,
1244                          HOST_WIDE_INT est_niter)
1245 {
1246   unsigned upper_bound;
1247   unsigned nfactor, factor, mod_constraint;
1248   struct mem_ref_group *agp;
1249   struct mem_ref *ref;
1250
1251   /* First check whether the loop is not too large to unroll.  We ignore
1252      PARAM_MAX_UNROLL_TIMES, because for small loops, it prevented us
1253      from unrolling them enough to make exactly one cache line covered by each
1254      iteration.  Also, the goal of PARAM_MAX_UNROLL_TIMES is to prevent
1255      us from unrolling the loops too many times in cases where we only expect
1256      gains from better scheduling and decreasing loop overhead, which is not
1257      the case here.  */
1258   upper_bound = PARAM_VALUE (PARAM_MAX_UNROLLED_INSNS) / ninsns;
1259
1260   /* If we unrolled the loop more times than it iterates, the unrolled version
1261      of the loop would be never entered.  */
1262   if (est_niter >= 0 && est_niter < (HOST_WIDE_INT) upper_bound)
1263     upper_bound = est_niter;
1264
1265   if (upper_bound <= 1)
1266     return 1;
1267
1268   /* Choose the factor so that we may prefetch each cache just once,
1269      but bound the unrolling by UPPER_BOUND.  */
1270   factor = 1;
1271   for (agp = refs; agp; agp = agp->next)
1272     for (ref = agp->refs; ref; ref = ref->next)
1273       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1274         {
1275           mod_constraint = ref->prefetch_mod;
1276           nfactor = least_common_multiple (mod_constraint, factor);
1277           if (nfactor <= upper_bound)
1278             factor = nfactor;
1279         }
1280
1281   if (!should_unroll_loop_p (loop, desc, factor))
1282     return 1;
1283
1284   return factor;
1285 }
1286
1287 /* Returns the total volume of the memory references REFS, taking into account
1288    reuses in the innermost loop and cache line size.  TODO -- we should also
1289    take into account reuses across the iterations of the loops in the loop
1290    nest.  */
1291
1292 static unsigned
1293 volume_of_references (struct mem_ref_group *refs)
1294 {
1295   unsigned volume = 0;
1296   struct mem_ref_group *gr;
1297   struct mem_ref *ref;
1298
1299   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1300     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1301       {
1302         /* Almost always reuses another value?  */
1303         if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
1304           continue;
1305
1306         /* If several iterations access the same cache line, use the size of
1307            the line divided by this number.  Otherwise, a cache line is
1308            accessed in each iteration.  TODO -- in the latter case, we should
1309            take the size of the reference into account, rounding it up on cache
1310            line size multiple.  */
1311         volume += L1_CACHE_LINE_SIZE / ref->prefetch_mod;
1312       }
1313   return volume;
1314 }
1315
1316 /* Returns the volume of memory references accessed across VEC iterations of
1317    loops, whose sizes are described in the LOOP_SIZES array.  N is the number
1318    of the loops in the nest (length of VEC and LOOP_SIZES vectors).  */
1319
1320 static unsigned
1321 volume_of_dist_vector (lambda_vector vec, unsigned *loop_sizes, unsigned n)
1322 {
1323   unsigned i;
1324
1325   for (i = 0; i < n; i++)
1326     if (vec[i] != 0)
1327       break;
1328
1329   if (i == n)
1330     return 0;
1331
1332   gcc_assert (vec[i] > 0);
1333
1334   /* We ignore the parts of the distance vector in subloops, since usually
1335      the numbers of iterations are much smaller.  */
1336   return loop_sizes[i] * vec[i];
1337 }
1338
1339 /* Add the steps of ACCESS_FN multiplied by STRIDE to the array STRIDE
1340    at the position corresponding to the loop of the step.  N is the depth
1341    of the considered loop nest, and, LOOP is its innermost loop.  */
1342
1343 static void
1344 add_subscript_strides (tree access_fn, unsigned stride,
1345                        HOST_WIDE_INT *strides, unsigned n, struct loop *loop)
1346 {
1347   struct loop *aloop;
1348   tree step;
1349   HOST_WIDE_INT astep;
1350   unsigned min_depth = loop_depth (loop) - n;
1351
1352   while (TREE_CODE (access_fn) == POLYNOMIAL_CHREC)
1353     {
1354       aloop = get_chrec_loop (access_fn);
1355       step = CHREC_RIGHT (access_fn);
1356       access_fn = CHREC_LEFT (access_fn);
1357
1358       if ((unsigned) loop_depth (aloop) <= min_depth)
1359         continue;
1360
1361       if (host_integerp (step, 0))
1362         astep = tree_low_cst (step, 0);
1363       else
1364         astep = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1365
1366       strides[n - 1 - loop_depth (loop) + loop_depth (aloop)] += astep * stride;
1367
1368     }
1369 }
1370
1371 /* Returns the volume of memory references accessed between two consecutive
1372    self-reuses of the reference DR.  We consider the subscripts of DR in N
1373    loops, and LOOP_SIZES contains the volumes of accesses in each of the
1374    loops.  LOOP is the innermost loop of the current loop nest.  */
1375
1376 static unsigned
1377 self_reuse_distance (data_reference_p dr, unsigned *loop_sizes, unsigned n,
1378                      struct loop *loop)
1379 {
1380   tree stride, access_fn;
1381   HOST_WIDE_INT *strides, astride;
1382   VEC (tree, heap) *access_fns;
1383   tree ref = DR_REF (dr);
1384   unsigned i, ret = ~0u;
1385
1386   /* In the following example:
1387
1388      for (i = 0; i < N; i++)
1389        for (j = 0; j < N; j++)
1390          use (a[j][i]);
1391      the same cache line is accessed each N steps (except if the change from
1392      i to i + 1 crosses the boundary of the cache line).  Thus, for self-reuse,
1393      we cannot rely purely on the results of the data dependence analysis.
1394
1395      Instead, we compute the stride of the reference in each loop, and consider
1396      the innermost loop in that the stride is less than cache size.  */
1397
1398   strides = XCNEWVEC (HOST_WIDE_INT, n);
1399   access_fns = DR_ACCESS_FNS (dr);
1400
1401   for (i = 0; VEC_iterate (tree, access_fns, i, access_fn); i++)
1402     {
1403       /* Keep track of the reference corresponding to the subscript, so that we
1404          know its stride.  */
1405       while (handled_component_p (ref) && TREE_CODE (ref) != ARRAY_REF)
1406         ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1407
1408       if (TREE_CODE (ref) == ARRAY_REF)
1409         {
1410           stride = TYPE_SIZE_UNIT (TREE_TYPE (ref));
1411           if (host_integerp (stride, 1))
1412             astride = tree_low_cst (stride, 1);
1413           else
1414             astride = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1415
1416           ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1417         }
1418       else
1419         astride = 1;
1420
1421       add_subscript_strides (access_fn, astride, strides, n, loop);
1422     }
1423
1424   for (i = n; i-- > 0; )
1425     {
1426       unsigned HOST_WIDE_INT s;
1427
1428       s = strides[i] < 0 ?  -strides[i] : strides[i];
1429
1430       if (s < (unsigned) L1_CACHE_LINE_SIZE
1431           && (loop_sizes[i]
1432               > (unsigned) (L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)))
1433         {
1434           ret = loop_sizes[i];
1435           break;
1436         }
1437     }
1438
1439   free (strides);
1440   return ret;
1441 }
1442
1443 /* Determines the distance till the first reuse of each reference in REFS
1444    in the loop nest of LOOP.  NO_OTHER_REFS is true if there are no other
1445    memory references in the loop.  */
1446
1447 static void
1448 determine_loop_nest_reuse (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1449                            bool no_other_refs)
1450 {
1451   struct loop *nest, *aloop;
1452   VEC (data_reference_p, heap) *datarefs = NULL;
1453   VEC (ddr_p, heap) *dependences = NULL;
1454   struct mem_ref_group *gr;
1455   struct mem_ref *ref, *refb;
1456   VEC (loop_p, heap) *vloops = NULL;
1457   unsigned *loop_data_size;
1458   unsigned i, j, n;
1459   unsigned volume, dist, adist;
1460   HOST_WIDE_INT vol;
1461   data_reference_p dr;
1462   ddr_p dep;
1463
1464   if (loop->inner)
1465     return;
1466
1467   /* Find the outermost loop of the loop nest of loop (we require that
1468      there are no sibling loops inside the nest).  */
1469   nest = loop;
1470   while (1)
1471     {
1472       aloop = loop_outer (nest);
1473
1474       if (aloop == current_loops->tree_root
1475           || aloop->inner->next)
1476         break;
1477
1478       nest = aloop;
1479     }
1480
1481   /* For each loop, determine the amount of data accessed in each iteration.
1482      We use this to estimate whether the reference is evicted from the
1483      cache before its reuse.  */
1484   find_loop_nest (nest, &vloops);
1485   n = VEC_length (loop_p, vloops);
1486   loop_data_size = XNEWVEC (unsigned, n);
1487   volume = volume_of_references (refs);
1488   i = n;
1489   while (i-- != 0)
1490     {
1491       loop_data_size[i] = volume;
1492       /* Bound the volume by the L2 cache size, since above this bound,
1493          all dependence distances are equivalent.  */
1494       if (volume > L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1495         continue;
1496
1497       aloop = VEC_index (loop_p, vloops, i);
1498       vol = estimated_loop_iterations_int (aloop, false);
1499       if (vol < 0)
1500         vol = expected_loop_iterations (aloop);
1501       volume *= vol;
1502     }
1503
1504   /* Prepare the references in the form suitable for data dependence
1505      analysis.  We ignore unanalyzable data references (the results
1506      are used just as a heuristics to estimate temporality of the
1507      references, hence we do not need to worry about correctness).  */
1508   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1509     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1510       {
1511         dr = create_data_ref (nest, ref->mem, ref->stmt, !ref->write_p);
1512
1513         if (dr)
1514           {
1515             ref->reuse_distance = volume;
1516             dr->aux = ref;
1517             VEC_safe_push (data_reference_p, heap, datarefs, dr);
1518           }
1519         else
1520           no_other_refs = false;
1521       }
1522
1523   for (i = 0; VEC_iterate (data_reference_p, datarefs, i, dr); i++)
1524     {
1525       dist = self_reuse_distance (dr, loop_data_size, n, loop);
1526       ref = (struct mem_ref *) dr->aux;
1527       if (ref->reuse_distance > dist)
1528         ref->reuse_distance = dist;
1529
1530       if (no_other_refs)
1531         ref->independent_p = true;
1532     }
1533
1534   compute_all_dependences (datarefs, &dependences, vloops, true);
1535
1536   for (i = 0; VEC_iterate (ddr_p, dependences, i, dep); i++)
1537     {
1538       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_known)
1539         continue;
1540
1541       ref = (struct mem_ref *) DDR_A (dep)->aux;
1542       refb = (struct mem_ref *) DDR_B (dep)->aux;
1543
1544       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_dont_know
1545           || DDR_NUM_DIST_VECTS (dep) == 0)
1546         {
1547           /* If the dependence cannot be analyzed, assume that there might be
1548              a reuse.  */
1549           dist = 0;
1550
1551           ref->independent_p = false;
1552           refb->independent_p = false;
1553         }
1554       else
1555         {
1556           /* The distance vectors are normalized to be always lexicographically
1557              positive, hence we cannot tell just from them whether DDR_A comes
1558              before DDR_B or vice versa.  However, it is not important,
1559              anyway -- if DDR_A is close to DDR_B, then it is either reused in
1560              DDR_B (and it is not nontemporal), or it reuses the value of DDR_B
1561              in cache (and marking it as nontemporal would not affect
1562              anything).  */
1563
1564           dist = volume;
1565           for (j = 0; j < DDR_NUM_DIST_VECTS (dep); j++)
1566             {
1567               adist = volume_of_dist_vector (DDR_DIST_VECT (dep, j),
1568                                              loop_data_size, n);
1569
1570               /* If this is a dependence in the innermost loop (i.e., the
1571                  distances in all superloops are zero) and it is not
1572                  the trivial self-dependence with distance zero, record that
1573                  the references are not completely independent.  */
1574               if (lambda_vector_zerop (DDR_DIST_VECT (dep, j), n - 1)
1575                   && (ref != refb
1576                       || DDR_DIST_VECT (dep, j)[n-1] != 0))
1577                 {
1578                   ref->independent_p = false;
1579                   refb->independent_p = false;
1580                 }
1581
1582               /* Ignore accesses closer than
1583                  L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
1584                  so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory
1585                  location is accessed several times in a single iteration of
1586                  the loop.  */
1587               if (adist < L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)
1588                 continue;
1589
1590               if (adist < dist)
1591                 dist = adist;
1592             }
1593         }
1594
1595       if (ref->reuse_distance > dist)
1596         ref->reuse_distance = dist;
1597       if (refb->reuse_distance > dist)
1598         refb->reuse_distance = dist;
1599     }
1600
1601   free_dependence_relations (dependences);
1602   free_data_refs (datarefs);
1603   free (loop_data_size);
1604
1605   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1606     {
1607       fprintf (dump_file, "Reuse distances:\n");
1608       for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1609         for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1610           fprintf (dump_file, " ref %p distance %u\n",
1611                    (void *) ref, ref->reuse_distance);
1612     }
1613 }
1614
1615 /* Do a cost-benefit analysis to determine if prefetching is profitable
1616    for the current loop given the following parameters:
1617    AHEAD: the iteration ahead distance,
1618    EST_NITER: the estimated trip count,
1619    NINSNS: estimated number of instructions in the loop,
1620    PREFETCH_COUNT: an estimate of the number of prefetches
1621    MEM_REF_COUNT: total number of memory references in the loop.  */
1622
1623 static bool
1624 is_loop_prefetching_profitable (unsigned ahead, HOST_WIDE_INT est_niter,
1625                                 unsigned ninsns, unsigned prefetch_count,
1626                                 unsigned mem_ref_count, unsigned unroll_factor)
1627 {
1628   int insn_to_mem_ratio, insn_to_prefetch_ratio;
1629
1630   if (mem_ref_count == 0)
1631     return false;
1632
1633   /* Prefetching improves performance by overlapping cache missing
1634      memory accesses with CPU operations.  If the loop does not have
1635      enough CPU operations to overlap with memory operations, prefetching
1636      won't give a significant benefit.  One approximate way of checking
1637      this is to require the ratio of instructions to memory references to
1638      be above a certain limit.  This approximation works well in practice.
1639      TODO: Implement a more precise computation by estimating the time
1640      for each CPU or memory op in the loop. Time estimates for memory ops
1641      should account for cache misses.  */
1642   insn_to_mem_ratio = ninsns / mem_ref_count;
1643
1644   if (insn_to_mem_ratio < PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO)
1645     {
1646       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1647         fprintf (dump_file,
1648                  "Not prefetching -- instruction to memory reference ratio (%d) too small\n",
1649                  insn_to_mem_ratio);
1650       return false;
1651     }
1652
1653   /* Prefetching most likely causes performance degradation when the instruction
1654      to prefetch ratio is too small.  Too many prefetch instructions in a loop
1655      may reduce the I-cache performance.
1656      (unroll_factor * ninsns) is used to estimate the number of instructions in
1657      the unrolled loop.  This implementation is a bit simplistic -- the number
1658      of issued prefetch instructions is also affected by unrolling.  So,
1659      prefetch_mod and the unroll factor should be taken into account when
1660      determining prefetch_count.  Also, the number of insns of the unrolled
1661      loop will usually be significantly smaller than the number of insns of the
1662      original loop * unroll_factor (at least the induction variable increases
1663      and the exit branches will get eliminated), so it might be better to use
1664      tree_estimate_loop_size + estimated_unrolled_size.  */
1665   insn_to_prefetch_ratio = (unroll_factor * ninsns) / prefetch_count;
1666   if (insn_to_prefetch_ratio < MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO)
1667     {
1668       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1669         fprintf (dump_file,
1670                  "Not prefetching -- instruction to prefetch ratio (%d) too small\n",
1671                  insn_to_prefetch_ratio);
1672       return false;
1673     }
1674
1675   /* Could not do further estimation if the trip count is unknown.  Just assume
1676      prefetching is profitable. Too aggressive???  */
1677   if (est_niter < 0)
1678     return true;
1679
1680   if (est_niter < (HOST_WIDE_INT) (TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO * ahead))
1681     {
1682       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1683         fprintf (dump_file,
1684                  "Not prefetching -- loop estimated to roll only %d times\n",
1685                  (int) est_niter);
1686       return false;
1687     }
1688   return true;
1689 }
1690
1691
1692 /* Issue prefetch instructions for array references in LOOP.  Returns
1693    true if the LOOP was unrolled.  */
1694
1695 static bool
1696 loop_prefetch_arrays (struct loop *loop)
1697 {
1698   struct mem_ref_group *refs;
1699   unsigned ahead, ninsns, time, unroll_factor;
1700   HOST_WIDE_INT est_niter;
1701   struct tree_niter_desc desc;
1702   bool unrolled = false, no_other_refs;
1703   unsigned prefetch_count;
1704   unsigned mem_ref_count;
1705
1706   if (optimize_loop_nest_for_size_p (loop))
1707     {
1708       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1709         fprintf (dump_file, "  ignored (cold area)\n");
1710       return false;
1711     }
1712
1713   /* Step 1: gather the memory references.  */
1714   refs = gather_memory_references (loop, &no_other_refs, &mem_ref_count);
1715
1716   /* Step 2: estimate the reuse effects.  */
1717   prune_by_reuse (refs);
1718
1719   prefetch_count = estimate_prefetch_count (refs);
1720   if (prefetch_count == 0)
1721     goto fail;
1722
1723   determine_loop_nest_reuse (loop, refs, no_other_refs);
1724
1725   /* Step 3: determine the ahead and unroll factor.  */
1726
1727   /* FIXME: the time should be weighted by the probabilities of the blocks in
1728      the loop body.  */
1729   time = tree_num_loop_insns (loop, &eni_time_weights);
1730   ahead = (PREFETCH_LATENCY + time - 1) / time;
1731   est_niter = estimated_loop_iterations_int (loop, false);
1732
1733   ninsns = tree_num_loop_insns (loop, &eni_size_weights);
1734   unroll_factor = determine_unroll_factor (loop, refs, ninsns, &desc,
1735                                            est_niter);
1736   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1737     fprintf (dump_file, "Ahead %d, unroll factor %d, trip count "
1738              HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC "\n"
1739              "insn count %d, mem ref count %d, prefetch count %d\n",
1740              ahead, unroll_factor, est_niter,
1741              ninsns, mem_ref_count, prefetch_count);
1742
1743   if (!is_loop_prefetching_profitable (ahead, est_niter, ninsns, prefetch_count,
1744                                        mem_ref_count, unroll_factor))
1745     goto fail;
1746
1747   mark_nontemporal_stores (loop, refs);
1748
1749   /* Step 4: what to prefetch?  */
1750   if (!schedule_prefetches (refs, unroll_factor, ahead))
1751     goto fail;
1752
1753   /* Step 5: unroll the loop.  TODO -- peeling of first and last few
1754      iterations so that we do not issue superfluous prefetches.  */
1755   if (unroll_factor != 1)
1756     {
1757       tree_unroll_loop (loop, unroll_factor,
1758                         single_dom_exit (loop), &desc);
1759       unrolled = true;
1760     }
1761
1762   /* Step 6: issue the prefetches.  */
1763   issue_prefetches (refs, unroll_factor, ahead);
1764
1765 fail:
1766   release_mem_refs (refs);
1767   return unrolled;
1768 }
1769
1770 /* Issue prefetch instructions for array references in loops.  */
1771
1772 unsigned int
1773 tree_ssa_prefetch_arrays (void)
1774 {
1775   loop_iterator li;
1776   struct loop *loop;
1777   bool unrolled = false;
1778   int todo_flags = 0;
1779
1780   if (!HAVE_prefetch
1781       /* It is possible to ask compiler for say -mtune=i486 -march=pentium4.
1782          -mtune=i486 causes us having PREFETCH_BLOCK 0, since this is part
1783          of processor costs and i486 does not have prefetch, but
1784          -march=pentium4 causes HAVE_prefetch to be true.  Ugh.  */
1785       || PREFETCH_BLOCK == 0)
1786     return 0;
1787
1788   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1789     {
1790       fprintf (dump_file, "Prefetching parameters:\n");
1791       fprintf (dump_file, "    simultaneous prefetches: %d\n",
1792                SIMULTANEOUS_PREFETCHES);
1793       fprintf (dump_file, "    prefetch latency: %d\n", PREFETCH_LATENCY);
1794       fprintf (dump_file, "    prefetch block size: %d\n", PREFETCH_BLOCK);
1795       fprintf (dump_file, "    L1 cache size: %d lines, %d kB\n",
1796                L1_CACHE_SIZE_BYTES / L1_CACHE_LINE_SIZE, L1_CACHE_SIZE);
1797       fprintf (dump_file, "    L1 cache line size: %d\n", L1_CACHE_LINE_SIZE);
1798       fprintf (dump_file, "    L2 cache size: %d kB\n", L2_CACHE_SIZE);
1799       fprintf (dump_file, "    min insn-to-prefetch ratio: %d \n",
1800                MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO);
1801       fprintf (dump_file, "    min insn-to-mem ratio: %d \n",
1802                PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO);
1803       fprintf (dump_file, "\n");
1804     }
1805
1806   initialize_original_copy_tables ();
1807
1808   if (!built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH])
1809     {
1810       tree type = build_function_type (void_type_node,
1811                                        tree_cons (NULL_TREE,
1812                                                   const_ptr_type_node,
1813                                                   NULL_TREE));
1814       tree decl = add_builtin_function ("__builtin_prefetch", type,
1815                                         BUILT_IN_PREFETCH, BUILT_IN_NORMAL,
1816                                         NULL, NULL_TREE);
1817       DECL_IS_NOVOPS (decl) = true;
1818       built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH] = decl;
1819     }
1820
1821   /* We assume that size of cache line is a power of two, so verify this
1822      here.  */
1823   gcc_assert ((PREFETCH_BLOCK & (PREFETCH_BLOCK - 1)) == 0);
1824
1825   FOR_EACH_LOOP (li, loop, LI_FROM_INNERMOST)
1826     {
1827       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1828         fprintf (dump_file, "Processing loop %d:\n", loop->num);
1829
1830       unrolled |= loop_prefetch_arrays (loop);
1831
1832       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1833         fprintf (dump_file, "\n\n");
1834     }
1835
1836   if (unrolled)
1837     {
1838       scev_reset ();
1839       todo_flags |= TODO_cleanup_cfg;
1840     }
1841
1842   free_original_copy_tables ();
1843   return todo_flags;
1844 }