OSDN Git Service

gcc/
[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.  Return true if the computed miss rate
644    is not greater than the ACCEPTABLE_MISS_RATE.  DISTINCT_ITERS is the
645    number of distinct iterations after which the pattern repeats itself.
646    ALIGN_UNIT is the unit of alignment in bytes.  */
647
648 static bool
649 is_miss_rate_acceptable (unsigned HOST_WIDE_INT cache_line_size,
650                    HOST_WIDE_INT step, HOST_WIDE_INT delta,
651                    unsigned HOST_WIDE_INT distinct_iters,
652                    int align_unit)
653 {
654   unsigned align, iter;
655   int total_positions, miss_positions, max_allowed_miss_positions;
656   int address1, address2, cache_line1, cache_line2;
657
658   /* It always misses if delta is greater than or equal to the cache
659      line size.  */
660   if (delta >= (HOST_WIDE_INT) cache_line_size)
661     return false;
662
663   miss_positions = 0;
664   total_positions = (cache_line_size / align_unit) * distinct_iters;
665   max_allowed_miss_positions = (ACCEPTABLE_MISS_RATE * total_positions) / 1000;
666
667   /* Iterate through all possible alignments of the first
668      memory reference within its cache line.  */
669   for (align = 0; align < cache_line_size; align += align_unit)
670
671     /* Iterate through all distinct iterations.  */
672     for (iter = 0; iter < distinct_iters; iter++)
673       {
674         address1 = align + step * iter;
675         address2 = address1 + delta;
676         cache_line1 = address1 / cache_line_size;
677         cache_line2 = address2 / cache_line_size;
678         if (cache_line1 != cache_line2)
679           {
680             miss_positions += 1;
681             if (miss_positions > max_allowed_miss_positions)
682               return false;
683           }
684       }
685   return true;
686 }
687
688 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuse with BY.
689    If BY_IS_BEFORE is true, BY is before REF in the loop.  */
690
691 static void
692 prune_ref_by_group_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *by,
693                           bool by_is_before)
694 {
695   HOST_WIDE_INT step;
696   bool backward;
697   HOST_WIDE_INT delta_r = ref->delta, delta_b = by->delta;
698   HOST_WIDE_INT delta = delta_b - delta_r;
699   HOST_WIDE_INT hit_from;
700   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before, prefetch_block;
701   HOST_WIDE_INT reduced_step;
702   unsigned HOST_WIDE_INT reduced_prefetch_block;
703   tree ref_type;
704   int align_unit;
705
706   /* If the step is non constant we cannot calculate prefetch_before.  */
707   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step)) {
708     return;
709   }
710
711   step = int_cst_value (ref->group->step);
712
713   backward = step < 0;
714
715
716   if (delta == 0)
717     {
718       /* If the references has the same address, only prefetch the
719          former.  */
720       if (by_is_before)
721         ref->prefetch_before = 0;
722
723       return;
724     }
725
726   if (!step)
727     {
728       /* If the reference addresses are invariant and fall into the
729          same cache line, prefetch just the first one.  */
730       if (!by_is_before)
731         return;
732
733       if (ddown (ref->delta, PREFETCH_BLOCK)
734           != ddown (by->delta, PREFETCH_BLOCK))
735         return;
736
737       ref->prefetch_before = 0;
738       return;
739     }
740
741   /* Only prune the reference that is behind in the array.  */
742   if (backward)
743     {
744       if (delta > 0)
745         return;
746
747       /* Transform the data so that we may assume that the accesses
748          are forward.  */
749       delta = - delta;
750       step = -step;
751       delta_r = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_r;
752       delta_b = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_b;
753     }
754   else
755     {
756       if (delta < 0)
757         return;
758     }
759
760   /* Check whether the two references are likely to hit the same cache
761      line, and how distant the iterations in that it occurs are from
762      each other.  */
763
764   if (step <= PREFETCH_BLOCK)
765     {
766       /* The accesses are sure to meet.  Let us check when.  */
767       hit_from = ddown (delta_b, PREFETCH_BLOCK) * PREFETCH_BLOCK;
768       prefetch_before = (hit_from - delta_r + step - 1) / step;
769
770       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
771       if (prefetch_before > (unsigned) abs (L2_CACHE_SIZE_BYTES / step))
772         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
773       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
774         ref->prefetch_before = prefetch_before;
775
776       return;
777     }
778
779   /* A more complicated case with step > prefetch_block.  First reduce
780      the ratio between the step and the cache line size to its simplest
781      terms.  The resulting denominator will then represent the number of
782      distinct iterations after which each address will go back to its
783      initial location within the cache line.  This computation assumes
784      that PREFETCH_BLOCK is a power of two.  */
785   prefetch_block = PREFETCH_BLOCK;
786   reduced_prefetch_block = prefetch_block;
787   reduced_step = step;
788   while ((reduced_step & 1) == 0
789          && reduced_prefetch_block > 1)
790     {
791       reduced_step >>= 1;
792       reduced_prefetch_block >>= 1;
793     }
794
795   prefetch_before = delta / step;
796   delta %= step;
797   ref_type = TREE_TYPE (ref->mem);
798   align_unit = TYPE_ALIGN (ref_type) / 8;
799   if (is_miss_rate_acceptable (prefetch_block, step, delta,
800                                reduced_prefetch_block, align_unit))
801     {
802       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
803       if (prefetch_before > L2_CACHE_SIZE_BYTES / PREFETCH_BLOCK)
804         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
805       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
806         ref->prefetch_before = prefetch_before;
807
808       return;
809     }
810
811   /* Try also the following iteration.  */
812   prefetch_before++;
813   delta = step - delta;
814   if (is_miss_rate_acceptable (prefetch_block, step, delta,
815                                reduced_prefetch_block, align_unit))
816     {
817       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
818         ref->prefetch_before = prefetch_before;
819
820       return;
821     }
822
823   /* The ref probably does not reuse by.  */
824   return;
825 }
826
827 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuses with other references
828    in REFS.  */
829
830 static void
831 prune_ref_by_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *refs)
832 {
833   struct mem_ref *prune_by;
834   bool before = true;
835
836   prune_ref_by_self_reuse (ref);
837
838   for (prune_by = refs; prune_by; prune_by = prune_by->next)
839     {
840       if (prune_by == ref)
841         {
842           before = false;
843           continue;
844         }
845
846       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
847           && ref->write_p
848           && !prune_by->write_p)
849         continue;
850       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
851           && !ref->write_p
852           && prune_by->write_p)
853         continue;
854
855       prune_ref_by_group_reuse (ref, prune_by, before);
856     }
857 }
858
859 /* Prune the prefetch candidates in GROUP using the reuse analysis.  */
860
861 static void
862 prune_group_by_reuse (struct mem_ref_group *group)
863 {
864   struct mem_ref *ref_pruned;
865
866   for (ref_pruned = group->refs; ref_pruned; ref_pruned = ref_pruned->next)
867     {
868       prune_ref_by_reuse (ref_pruned, group->refs);
869
870       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
871         {
872           fprintf (dump_file, "Reference %p:", (void *) ref_pruned);
873
874           if (ref_pruned->prefetch_before == PREFETCH_ALL
875               && ref_pruned->prefetch_mod == 1)
876             fprintf (dump_file, " no restrictions");
877           else if (ref_pruned->prefetch_before == 0)
878             fprintf (dump_file, " do not prefetch");
879           else if (ref_pruned->prefetch_before <= ref_pruned->prefetch_mod)
880             fprintf (dump_file, " prefetch once");
881           else
882             {
883               if (ref_pruned->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
884                 {
885                   fprintf (dump_file, " prefetch before ");
886                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
887                            ref_pruned->prefetch_before);
888                 }
889               if (ref_pruned->prefetch_mod != 1)
890                 {
891                   fprintf (dump_file, " prefetch mod ");
892                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
893                            ref_pruned->prefetch_mod);
894                 }
895             }
896           fprintf (dump_file, "\n");
897         }
898     }
899 }
900
901 /* Prune the list of prefetch candidates GROUPS using the reuse analysis.  */
902
903 static void
904 prune_by_reuse (struct mem_ref_group *groups)
905 {
906   for (; groups; groups = groups->next)
907     prune_group_by_reuse (groups);
908 }
909
910 /* Returns true if we should issue prefetch for REF.  */
911
912 static bool
913 should_issue_prefetch_p (struct mem_ref *ref)
914 {
915   /* For now do not issue prefetches for only first few of the
916      iterations.  */
917   if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
918     {
919       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
920         fprintf (dump_file, "Ignoring %p due to prefetch_before\n",
921                  (void *) ref);
922       return false;
923     }
924
925   /* Do not prefetch nontemporal stores.  */
926   if (ref->storent_p)
927     {
928       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
929         fprintf (dump_file, "Ignoring nontemporal store %p\n", (void *) ref);
930       return false;
931     }
932
933   return true;
934 }
935
936 /* Decide which of the prefetch candidates in GROUPS to prefetch.
937    AHEAD is the number of iterations to prefetch ahead (which corresponds
938    to the number of simultaneous instances of one prefetch running at a
939    time).  UNROLL_FACTOR is the factor by that the loop is going to be
940    unrolled.  Returns true if there is anything to prefetch.  */
941
942 static bool
943 schedule_prefetches (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor,
944                      unsigned ahead)
945 {
946   unsigned remaining_prefetch_slots, n_prefetches, prefetch_slots;
947   unsigned slots_per_prefetch;
948   struct mem_ref *ref;
949   bool any = false;
950
951   /* At most SIMULTANEOUS_PREFETCHES should be running at the same time.  */
952   remaining_prefetch_slots = SIMULTANEOUS_PREFETCHES;
953
954   /* The prefetch will run for AHEAD iterations of the original loop, i.e.,
955      AHEAD / UNROLL_FACTOR iterations of the unrolled loop.  In each iteration,
956      it will need a prefetch slot.  */
957   slots_per_prefetch = (ahead + unroll_factor / 2) / unroll_factor;
958   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
959     fprintf (dump_file, "Each prefetch instruction takes %u prefetch slots.\n",
960              slots_per_prefetch);
961
962   /* For now we just take memory references one by one and issue
963      prefetches for as many as possible.  The groups are sorted
964      starting with the largest step, since the references with
965      large step are more likely to cause many cache misses.  */
966
967   for (; groups; groups = groups->next)
968     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
969       {
970         if (!should_issue_prefetch_p (ref))
971           continue;
972
973         /* The loop is far from being sufficiently unrolled for this
974            prefetch.  Do not generate prefetch to avoid many redudant
975            prefetches.  */
976         if (ref->prefetch_mod / unroll_factor > PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO)
977           continue;
978
979         /* If we need to prefetch the reference each PREFETCH_MOD iterations,
980            and we unroll the loop UNROLL_FACTOR times, we need to insert
981            ceil (UNROLL_FACTOR / PREFETCH_MOD) instructions in each
982            iteration.  */
983         n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
984                         / ref->prefetch_mod);
985         prefetch_slots = n_prefetches * slots_per_prefetch;
986
987         /* If more than half of the prefetches would be lost anyway, do not
988            issue the prefetch.  */
989         if (2 * remaining_prefetch_slots < prefetch_slots)
990           continue;
991
992         ref->issue_prefetch_p = true;
993
994         if (remaining_prefetch_slots <= prefetch_slots)
995           return true;
996         remaining_prefetch_slots -= prefetch_slots;
997         any = true;
998       }
999
1000   return any;
1001 }
1002
1003 /* Return TRUE if no prefetch is going to be generated in the given
1004    GROUPS.  */
1005
1006 static bool
1007 nothing_to_prefetch_p (struct mem_ref_group *groups)
1008 {
1009   struct mem_ref *ref;
1010
1011   for (; groups; groups = groups->next)
1012     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1013       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1014         return false;
1015
1016   return true;
1017 }
1018
1019 /* Estimate the number of prefetches in the given GROUPS.
1020    UNROLL_FACTOR is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1021
1022 static int
1023 estimate_prefetch_count (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor)
1024 {
1025   struct mem_ref *ref;
1026   unsigned n_prefetches;
1027   int prefetch_count = 0;
1028
1029   for (; groups; groups = groups->next)
1030     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1031       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1032         {
1033           n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1034                           / ref->prefetch_mod);
1035           prefetch_count += n_prefetches;
1036         }
1037
1038   return prefetch_count;
1039 }
1040
1041 /* Issue prefetches for the reference REF into loop as decided before.
1042    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR
1043    is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1044
1045 static void
1046 issue_prefetch_ref (struct mem_ref *ref, unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1047 {
1048   HOST_WIDE_INT delta;
1049   tree addr, addr_base, write_p, local, forward;
1050   gimple prefetch;
1051   gimple_stmt_iterator bsi;
1052   unsigned n_prefetches, ap;
1053   bool nontemporal = ref->reuse_distance >= L2_CACHE_SIZE_BYTES;
1054
1055   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1056     fprintf (dump_file, "Issued%s prefetch for %p.\n",
1057              nontemporal ? " nontemporal" : "",
1058              (void *) ref);
1059
1060   bsi = gsi_for_stmt (ref->stmt);
1061
1062   n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1063                   / ref->prefetch_mod);
1064   addr_base = build_fold_addr_expr_with_type (ref->mem, ptr_type_node);
1065   addr_base = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr_base),
1066                                         true, NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1067   write_p = ref->write_p ? integer_one_node : integer_zero_node;
1068   local = build_int_cst (integer_type_node, nontemporal ? 0 : 3);
1069
1070   for (ap = 0; ap < n_prefetches; ap++)
1071     {
1072       if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
1073         {
1074           /* Determine the address to prefetch.  */
1075           delta = (ahead + ap * ref->prefetch_mod) *
1076                    int_cst_value (ref->group->step);
1077           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node,
1078                               addr_base, size_int (delta));
1079           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true, NULL,
1080                                            true, GSI_SAME_STMT);
1081         }
1082       else
1083         {
1084           /* The step size is non-constant but loop-invariant.  We use the
1085              heuristic to simply prefetch ahead iterations ahead.  */
1086           forward = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
1087                                  fold_convert (sizetype, ref->group->step),
1088                                  fold_convert (sizetype, size_int (ahead)));
1089           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node, addr_base,
1090                               forward);
1091           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true,
1092                                            NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1093       }
1094       /* Create the prefetch instruction.  */
1095       prefetch = gimple_build_call (built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH],
1096                                     3, addr, write_p, local);
1097       gsi_insert_before (&bsi, prefetch, GSI_SAME_STMT);
1098     }
1099 }
1100
1101 /* Issue prefetches for the references in GROUPS into loop as decided before.
1102    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR is the
1103    factor by that LOOP was unrolled.  */
1104
1105 static void
1106 issue_prefetches (struct mem_ref_group *groups,
1107                   unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1108 {
1109   struct mem_ref *ref;
1110
1111   for (; groups; groups = groups->next)
1112     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1113       if (ref->issue_prefetch_p)
1114         issue_prefetch_ref (ref, unroll_factor, ahead);
1115 }
1116
1117 /* Returns true if REF is a memory write for that a nontemporal store insn
1118    can be used.  */
1119
1120 static bool
1121 nontemporal_store_p (struct mem_ref *ref)
1122 {
1123   enum machine_mode mode;
1124   enum insn_code code;
1125
1126   /* REF must be a write that is not reused.  We require it to be independent
1127      on all other memory references in the loop, as the nontemporal stores may
1128      be reordered with respect to other memory references.  */
1129   if (!ref->write_p
1130       || !ref->independent_p
1131       || ref->reuse_distance < L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1132     return false;
1133
1134   /* Check that we have the storent instruction for the mode.  */
1135   mode = TYPE_MODE (TREE_TYPE (ref->mem));
1136   if (mode == BLKmode)
1137     return false;
1138
1139   code = optab_handler (storent_optab, mode);
1140   return code != CODE_FOR_nothing;
1141 }
1142
1143 /* If REF is a nontemporal store, we mark the corresponding modify statement
1144    and return true.  Otherwise, we return false.  */
1145
1146 static bool
1147 mark_nontemporal_store (struct mem_ref *ref)
1148 {
1149   if (!nontemporal_store_p (ref))
1150     return false;
1151
1152   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1153     fprintf (dump_file, "Marked reference %p as a nontemporal store.\n",
1154              (void *) ref);
1155
1156   gimple_assign_set_nontemporal_move (ref->stmt, true);
1157   ref->storent_p = true;
1158
1159   return true;
1160 }
1161
1162 /* Issue a memory fence instruction after LOOP.  */
1163
1164 static void
1165 emit_mfence_after_loop (struct loop *loop)
1166 {
1167   VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1168   edge exit;
1169   gimple call;
1170   gimple_stmt_iterator bsi;
1171   unsigned i;
1172
1173   for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1174     {
1175       call = gimple_build_call (FENCE_FOLLOWING_MOVNT, 0);
1176
1177       if (!single_pred_p (exit->dest)
1178           /* If possible, we prefer not to insert the fence on other paths
1179              in cfg.  */
1180           && !(exit->flags & EDGE_ABNORMAL))
1181         split_loop_exit_edge (exit);
1182       bsi = gsi_after_labels (exit->dest);
1183
1184       gsi_insert_before (&bsi, call, GSI_NEW_STMT);
1185       mark_virtual_ops_for_renaming (call);
1186     }
1187
1188   VEC_free (edge, heap, exits);
1189   update_ssa (TODO_update_ssa_only_virtuals);
1190 }
1191
1192 /* Returns true if we can use storent in loop, false otherwise.  */
1193
1194 static bool
1195 may_use_storent_in_loop_p (struct loop *loop)
1196 {
1197   bool ret = true;
1198
1199   if (loop->inner != NULL)
1200     return false;
1201
1202   /* If we must issue a mfence insn after using storent, check that there
1203      is a suitable place for it at each of the loop exits.  */
1204   if (FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1205     {
1206       VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1207       unsigned i;
1208       edge exit;
1209
1210       for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1211         if ((exit->flags & EDGE_ABNORMAL)
1212             && exit->dest == EXIT_BLOCK_PTR)
1213           ret = false;
1214
1215       VEC_free (edge, heap, exits);
1216     }
1217
1218   return ret;
1219 }
1220
1221 /* Marks nontemporal stores in LOOP.  GROUPS contains the description of memory
1222    references in the loop.  */
1223
1224 static void
1225 mark_nontemporal_stores (struct loop *loop, struct mem_ref_group *groups)
1226 {
1227   struct mem_ref *ref;
1228   bool any = false;
1229
1230   if (!may_use_storent_in_loop_p (loop))
1231     return;
1232
1233   for (; groups; groups = groups->next)
1234     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1235       any |= mark_nontemporal_store (ref);
1236
1237   if (any && FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1238     emit_mfence_after_loop (loop);
1239 }
1240
1241 /* Determines whether we can profitably unroll LOOP FACTOR times, and if
1242    this is the case, fill in DESC by the description of number of
1243    iterations.  */
1244
1245 static bool
1246 should_unroll_loop_p (struct loop *loop, struct tree_niter_desc *desc,
1247                       unsigned factor)
1248 {
1249   if (!can_unroll_loop_p (loop, factor, desc))
1250     return false;
1251
1252   /* We only consider loops without control flow for unrolling.  This is not
1253      a hard restriction -- tree_unroll_loop works with arbitrary loops
1254      as well; but the unrolling/prefetching is usually more profitable for
1255      loops consisting of a single basic block, and we want to limit the
1256      code growth.  */
1257   if (loop->num_nodes > 2)
1258     return false;
1259
1260   return true;
1261 }
1262
1263 /* Determine the coefficient by that unroll LOOP, from the information
1264    contained in the list of memory references REFS.  Description of
1265    umber of iterations of LOOP is stored to DESC.  NINSNS is the number of
1266    insns of the LOOP.  EST_NITER is the estimated number of iterations of
1267    the loop, or -1 if no estimate is available.  */
1268
1269 static unsigned
1270 determine_unroll_factor (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1271                          unsigned ninsns, struct tree_niter_desc *desc,
1272                          HOST_WIDE_INT est_niter)
1273 {
1274   unsigned upper_bound;
1275   unsigned nfactor, factor, mod_constraint;
1276   struct mem_ref_group *agp;
1277   struct mem_ref *ref;
1278
1279   /* First check whether the loop is not too large to unroll.  We ignore
1280      PARAM_MAX_UNROLL_TIMES, because for small loops, it prevented us
1281      from unrolling them enough to make exactly one cache line covered by each
1282      iteration.  Also, the goal of PARAM_MAX_UNROLL_TIMES is to prevent
1283      us from unrolling the loops too many times in cases where we only expect
1284      gains from better scheduling and decreasing loop overhead, which is not
1285      the case here.  */
1286   upper_bound = PARAM_VALUE (PARAM_MAX_UNROLLED_INSNS) / ninsns;
1287
1288   /* If we unrolled the loop more times than it iterates, the unrolled version
1289      of the loop would be never entered.  */
1290   if (est_niter >= 0 && est_niter < (HOST_WIDE_INT) upper_bound)
1291     upper_bound = est_niter;
1292
1293   if (upper_bound <= 1)
1294     return 1;
1295
1296   /* Choose the factor so that we may prefetch each cache just once,
1297      but bound the unrolling by UPPER_BOUND.  */
1298   factor = 1;
1299   for (agp = refs; agp; agp = agp->next)
1300     for (ref = agp->refs; ref; ref = ref->next)
1301       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1302         {
1303           mod_constraint = ref->prefetch_mod;
1304           nfactor = least_common_multiple (mod_constraint, factor);
1305           if (nfactor <= upper_bound)
1306             factor = nfactor;
1307         }
1308
1309   if (!should_unroll_loop_p (loop, desc, factor))
1310     return 1;
1311
1312   return factor;
1313 }
1314
1315 /* Returns the total volume of the memory references REFS, taking into account
1316    reuses in the innermost loop and cache line size.  TODO -- we should also
1317    take into account reuses across the iterations of the loops in the loop
1318    nest.  */
1319
1320 static unsigned
1321 volume_of_references (struct mem_ref_group *refs)
1322 {
1323   unsigned volume = 0;
1324   struct mem_ref_group *gr;
1325   struct mem_ref *ref;
1326
1327   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1328     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1329       {
1330         /* Almost always reuses another value?  */
1331         if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
1332           continue;
1333
1334         /* If several iterations access the same cache line, use the size of
1335            the line divided by this number.  Otherwise, a cache line is
1336            accessed in each iteration.  TODO -- in the latter case, we should
1337            take the size of the reference into account, rounding it up on cache
1338            line size multiple.  */
1339         volume += L1_CACHE_LINE_SIZE / ref->prefetch_mod;
1340       }
1341   return volume;
1342 }
1343
1344 /* Returns the volume of memory references accessed across VEC iterations of
1345    loops, whose sizes are described in the LOOP_SIZES array.  N is the number
1346    of the loops in the nest (length of VEC and LOOP_SIZES vectors).  */
1347
1348 static unsigned
1349 volume_of_dist_vector (lambda_vector vec, unsigned *loop_sizes, unsigned n)
1350 {
1351   unsigned i;
1352
1353   for (i = 0; i < n; i++)
1354     if (vec[i] != 0)
1355       break;
1356
1357   if (i == n)
1358     return 0;
1359
1360   gcc_assert (vec[i] > 0);
1361
1362   /* We ignore the parts of the distance vector in subloops, since usually
1363      the numbers of iterations are much smaller.  */
1364   return loop_sizes[i] * vec[i];
1365 }
1366
1367 /* Add the steps of ACCESS_FN multiplied by STRIDE to the array STRIDE
1368    at the position corresponding to the loop of the step.  N is the depth
1369    of the considered loop nest, and, LOOP is its innermost loop.  */
1370
1371 static void
1372 add_subscript_strides (tree access_fn, unsigned stride,
1373                        HOST_WIDE_INT *strides, unsigned n, struct loop *loop)
1374 {
1375   struct loop *aloop;
1376   tree step;
1377   HOST_WIDE_INT astep;
1378   unsigned min_depth = loop_depth (loop) - n;
1379
1380   while (TREE_CODE (access_fn) == POLYNOMIAL_CHREC)
1381     {
1382       aloop = get_chrec_loop (access_fn);
1383       step = CHREC_RIGHT (access_fn);
1384       access_fn = CHREC_LEFT (access_fn);
1385
1386       if ((unsigned) loop_depth (aloop) <= min_depth)
1387         continue;
1388
1389       if (host_integerp (step, 0))
1390         astep = tree_low_cst (step, 0);
1391       else
1392         astep = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1393
1394       strides[n - 1 - loop_depth (loop) + loop_depth (aloop)] += astep * stride;
1395
1396     }
1397 }
1398
1399 /* Returns the volume of memory references accessed between two consecutive
1400    self-reuses of the reference DR.  We consider the subscripts of DR in N
1401    loops, and LOOP_SIZES contains the volumes of accesses in each of the
1402    loops.  LOOP is the innermost loop of the current loop nest.  */
1403
1404 static unsigned
1405 self_reuse_distance (data_reference_p dr, unsigned *loop_sizes, unsigned n,
1406                      struct loop *loop)
1407 {
1408   tree stride, access_fn;
1409   HOST_WIDE_INT *strides, astride;
1410   VEC (tree, heap) *access_fns;
1411   tree ref = DR_REF (dr);
1412   unsigned i, ret = ~0u;
1413
1414   /* In the following example:
1415
1416      for (i = 0; i < N; i++)
1417        for (j = 0; j < N; j++)
1418          use (a[j][i]);
1419      the same cache line is accessed each N steps (except if the change from
1420      i to i + 1 crosses the boundary of the cache line).  Thus, for self-reuse,
1421      we cannot rely purely on the results of the data dependence analysis.
1422
1423      Instead, we compute the stride of the reference in each loop, and consider
1424      the innermost loop in that the stride is less than cache size.  */
1425
1426   strides = XCNEWVEC (HOST_WIDE_INT, n);
1427   access_fns = DR_ACCESS_FNS (dr);
1428
1429   for (i = 0; VEC_iterate (tree, access_fns, i, access_fn); i++)
1430     {
1431       /* Keep track of the reference corresponding to the subscript, so that we
1432          know its stride.  */
1433       while (handled_component_p (ref) && TREE_CODE (ref) != ARRAY_REF)
1434         ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1435
1436       if (TREE_CODE (ref) == ARRAY_REF)
1437         {
1438           stride = TYPE_SIZE_UNIT (TREE_TYPE (ref));
1439           if (host_integerp (stride, 1))
1440             astride = tree_low_cst (stride, 1);
1441           else
1442             astride = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1443
1444           ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1445         }
1446       else
1447         astride = 1;
1448
1449       add_subscript_strides (access_fn, astride, strides, n, loop);
1450     }
1451
1452   for (i = n; i-- > 0; )
1453     {
1454       unsigned HOST_WIDE_INT s;
1455
1456       s = strides[i] < 0 ?  -strides[i] : strides[i];
1457
1458       if (s < (unsigned) L1_CACHE_LINE_SIZE
1459           && (loop_sizes[i]
1460               > (unsigned) (L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)))
1461         {
1462           ret = loop_sizes[i];
1463           break;
1464         }
1465     }
1466
1467   free (strides);
1468   return ret;
1469 }
1470
1471 /* Determines the distance till the first reuse of each reference in REFS
1472    in the loop nest of LOOP.  NO_OTHER_REFS is true if there are no other
1473    memory references in the loop.  */
1474
1475 static void
1476 determine_loop_nest_reuse (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1477                            bool no_other_refs)
1478 {
1479   struct loop *nest, *aloop;
1480   VEC (data_reference_p, heap) *datarefs = NULL;
1481   VEC (ddr_p, heap) *dependences = NULL;
1482   struct mem_ref_group *gr;
1483   struct mem_ref *ref, *refb;
1484   VEC (loop_p, heap) *vloops = NULL;
1485   unsigned *loop_data_size;
1486   unsigned i, j, n;
1487   unsigned volume, dist, adist;
1488   HOST_WIDE_INT vol;
1489   data_reference_p dr;
1490   ddr_p dep;
1491
1492   if (loop->inner)
1493     return;
1494
1495   /* Find the outermost loop of the loop nest of loop (we require that
1496      there are no sibling loops inside the nest).  */
1497   nest = loop;
1498   while (1)
1499     {
1500       aloop = loop_outer (nest);
1501
1502       if (aloop == current_loops->tree_root
1503           || aloop->inner->next)
1504         break;
1505
1506       nest = aloop;
1507     }
1508
1509   /* For each loop, determine the amount of data accessed in each iteration.
1510      We use this to estimate whether the reference is evicted from the
1511      cache before its reuse.  */
1512   find_loop_nest (nest, &vloops);
1513   n = VEC_length (loop_p, vloops);
1514   loop_data_size = XNEWVEC (unsigned, n);
1515   volume = volume_of_references (refs);
1516   i = n;
1517   while (i-- != 0)
1518     {
1519       loop_data_size[i] = volume;
1520       /* Bound the volume by the L2 cache size, since above this bound,
1521          all dependence distances are equivalent.  */
1522       if (volume > L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1523         continue;
1524
1525       aloop = VEC_index (loop_p, vloops, i);
1526       vol = estimated_loop_iterations_int (aloop, false);
1527       if (vol < 0)
1528         vol = expected_loop_iterations (aloop);
1529       volume *= vol;
1530     }
1531
1532   /* Prepare the references in the form suitable for data dependence
1533      analysis.  We ignore unanalyzable data references (the results
1534      are used just as a heuristics to estimate temporality of the
1535      references, hence we do not need to worry about correctness).  */
1536   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1537     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1538       {
1539         dr = create_data_ref (nest, ref->mem, ref->stmt, !ref->write_p);
1540
1541         if (dr)
1542           {
1543             ref->reuse_distance = volume;
1544             dr->aux = ref;
1545             VEC_safe_push (data_reference_p, heap, datarefs, dr);
1546           }
1547         else
1548           no_other_refs = false;
1549       }
1550
1551   for (i = 0; VEC_iterate (data_reference_p, datarefs, i, dr); i++)
1552     {
1553       dist = self_reuse_distance (dr, loop_data_size, n, loop);
1554       ref = (struct mem_ref *) dr->aux;
1555       if (ref->reuse_distance > dist)
1556         ref->reuse_distance = dist;
1557
1558       if (no_other_refs)
1559         ref->independent_p = true;
1560     }
1561
1562   compute_all_dependences (datarefs, &dependences, vloops, true);
1563
1564   for (i = 0; VEC_iterate (ddr_p, dependences, i, dep); i++)
1565     {
1566       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_known)
1567         continue;
1568
1569       ref = (struct mem_ref *) DDR_A (dep)->aux;
1570       refb = (struct mem_ref *) DDR_B (dep)->aux;
1571
1572       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_dont_know
1573           || DDR_NUM_DIST_VECTS (dep) == 0)
1574         {
1575           /* If the dependence cannot be analyzed, assume that there might be
1576              a reuse.  */
1577           dist = 0;
1578
1579           ref->independent_p = false;
1580           refb->independent_p = false;
1581         }
1582       else
1583         {
1584           /* The distance vectors are normalized to be always lexicographically
1585              positive, hence we cannot tell just from them whether DDR_A comes
1586              before DDR_B or vice versa.  However, it is not important,
1587              anyway -- if DDR_A is close to DDR_B, then it is either reused in
1588              DDR_B (and it is not nontemporal), or it reuses the value of DDR_B
1589              in cache (and marking it as nontemporal would not affect
1590              anything).  */
1591
1592           dist = volume;
1593           for (j = 0; j < DDR_NUM_DIST_VECTS (dep); j++)
1594             {
1595               adist = volume_of_dist_vector (DDR_DIST_VECT (dep, j),
1596                                              loop_data_size, n);
1597
1598               /* If this is a dependence in the innermost loop (i.e., the
1599                  distances in all superloops are zero) and it is not
1600                  the trivial self-dependence with distance zero, record that
1601                  the references are not completely independent.  */
1602               if (lambda_vector_zerop (DDR_DIST_VECT (dep, j), n - 1)
1603                   && (ref != refb
1604                       || DDR_DIST_VECT (dep, j)[n-1] != 0))
1605                 {
1606                   ref->independent_p = false;
1607                   refb->independent_p = false;
1608                 }
1609
1610               /* Ignore accesses closer than
1611                  L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
1612                  so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory
1613                  location is accessed several times in a single iteration of
1614                  the loop.  */
1615               if (adist < L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)
1616                 continue;
1617
1618               if (adist < dist)
1619                 dist = adist;
1620             }
1621         }
1622
1623       if (ref->reuse_distance > dist)
1624         ref->reuse_distance = dist;
1625       if (refb->reuse_distance > dist)
1626         refb->reuse_distance = dist;
1627     }
1628
1629   free_dependence_relations (dependences);
1630   free_data_refs (datarefs);
1631   free (loop_data_size);
1632
1633   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1634     {
1635       fprintf (dump_file, "Reuse distances:\n");
1636       for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1637         for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1638           fprintf (dump_file, " ref %p distance %u\n",
1639                    (void *) ref, ref->reuse_distance);
1640     }
1641 }
1642
1643 /* Do a cost-benefit analysis to determine if prefetching is profitable
1644    for the current loop given the following parameters:
1645    AHEAD: the iteration ahead distance,
1646    EST_NITER: the estimated trip count,
1647    NINSNS: estimated number of instructions in the loop,
1648    PREFETCH_COUNT: an estimate of the number of prefetches
1649    MEM_REF_COUNT: total number of memory references in the loop.  */
1650
1651 static bool
1652 is_loop_prefetching_profitable (unsigned ahead, HOST_WIDE_INT est_niter,
1653                                 unsigned ninsns, unsigned prefetch_count,
1654                                 unsigned mem_ref_count, unsigned unroll_factor)
1655 {
1656   int insn_to_mem_ratio, insn_to_prefetch_ratio;
1657
1658   if (mem_ref_count == 0)
1659     return false;
1660
1661   /* Prefetching improves performance by overlapping cache missing
1662      memory accesses with CPU operations.  If the loop does not have
1663      enough CPU operations to overlap with memory operations, prefetching
1664      won't give a significant benefit.  One approximate way of checking
1665      this is to require the ratio of instructions to memory references to
1666      be above a certain limit.  This approximation works well in practice.
1667      TODO: Implement a more precise computation by estimating the time
1668      for each CPU or memory op in the loop. Time estimates for memory ops
1669      should account for cache misses.  */
1670   insn_to_mem_ratio = ninsns / mem_ref_count;
1671
1672   if (insn_to_mem_ratio < PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO)
1673     {
1674       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1675         fprintf (dump_file,
1676                  "Not prefetching -- instruction to memory reference ratio (%d) too small\n",
1677                  insn_to_mem_ratio);
1678       return false;
1679     }
1680
1681   /* Prefetching most likely causes performance degradation when the instruction
1682      to prefetch ratio is too small.  Too many prefetch instructions in a loop
1683      may reduce the I-cache performance.
1684      (unroll_factor * ninsns) is used to estimate the number of instructions in
1685      the unrolled loop.  This implementation is a bit simplistic -- the number
1686      of issued prefetch instructions is also affected by unrolling.  So,
1687      prefetch_mod and the unroll factor should be taken into account when
1688      determining prefetch_count.  Also, the number of insns of the unrolled
1689      loop will usually be significantly smaller than the number of insns of the
1690      original loop * unroll_factor (at least the induction variable increases
1691      and the exit branches will get eliminated), so it might be better to use
1692      tree_estimate_loop_size + estimated_unrolled_size.  */
1693   insn_to_prefetch_ratio = (unroll_factor * ninsns) / prefetch_count;
1694   if (insn_to_prefetch_ratio < MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO)
1695     {
1696       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1697         fprintf (dump_file,
1698                  "Not prefetching -- instruction to prefetch ratio (%d) too small\n",
1699                  insn_to_prefetch_ratio);
1700       return false;
1701     }
1702
1703   /* Could not do further estimation if the trip count is unknown.  Just assume
1704      prefetching is profitable. Too aggressive???  */
1705   if (est_niter < 0)
1706     return true;
1707
1708   if (est_niter < (HOST_WIDE_INT) (TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO * ahead))
1709     {
1710       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1711         fprintf (dump_file,
1712                  "Not prefetching -- loop estimated to roll only %d times\n",
1713                  (int) est_niter);
1714       return false;
1715     }
1716   return true;
1717 }
1718
1719
1720 /* Issue prefetch instructions for array references in LOOP.  Returns
1721    true if the LOOP was unrolled.  */
1722
1723 static bool
1724 loop_prefetch_arrays (struct loop *loop)
1725 {
1726   struct mem_ref_group *refs;
1727   unsigned ahead, ninsns, time, unroll_factor;
1728   HOST_WIDE_INT est_niter;
1729   struct tree_niter_desc desc;
1730   bool unrolled = false, no_other_refs;
1731   unsigned prefetch_count;
1732   unsigned mem_ref_count;
1733
1734   if (optimize_loop_nest_for_size_p (loop))
1735     {
1736       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1737         fprintf (dump_file, "  ignored (cold area)\n");
1738       return false;
1739     }
1740
1741   /* Step 1: gather the memory references.  */
1742   refs = gather_memory_references (loop, &no_other_refs, &mem_ref_count);
1743
1744   /* Step 2: estimate the reuse effects.  */
1745   prune_by_reuse (refs);
1746
1747   if (nothing_to_prefetch_p (refs))
1748     goto fail;
1749
1750   determine_loop_nest_reuse (loop, refs, no_other_refs);
1751
1752   /* Step 3: determine the ahead and unroll factor.  */
1753
1754   /* FIXME: the time should be weighted by the probabilities of the blocks in
1755      the loop body.  */
1756   time = tree_num_loop_insns (loop, &eni_time_weights);
1757   ahead = (PREFETCH_LATENCY + time - 1) / time;
1758   est_niter = estimated_loop_iterations_int (loop, false);
1759
1760   ninsns = tree_num_loop_insns (loop, &eni_size_weights);
1761   unroll_factor = determine_unroll_factor (loop, refs, ninsns, &desc,
1762                                            est_niter);
1763
1764   /* Estimate prefetch count for the unrolled loop.  */
1765   prefetch_count = estimate_prefetch_count (refs, unroll_factor);
1766   if (prefetch_count == 0)
1767     goto fail;
1768
1769   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1770     fprintf (dump_file, "Ahead %d, unroll factor %d, trip count "
1771              HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC "\n"
1772              "insn count %d, mem ref count %d, prefetch count %d\n",
1773              ahead, unroll_factor, est_niter,
1774              ninsns, mem_ref_count, prefetch_count);
1775
1776   if (!is_loop_prefetching_profitable (ahead, est_niter, ninsns, prefetch_count,
1777                                        mem_ref_count, unroll_factor))
1778     goto fail;
1779
1780   mark_nontemporal_stores (loop, refs);
1781
1782   /* Step 4: what to prefetch?  */
1783   if (!schedule_prefetches (refs, unroll_factor, ahead))
1784     goto fail;
1785
1786   /* Step 5: unroll the loop.  TODO -- peeling of first and last few
1787      iterations so that we do not issue superfluous prefetches.  */
1788   if (unroll_factor != 1)
1789     {
1790       tree_unroll_loop (loop, unroll_factor,
1791                         single_dom_exit (loop), &desc);
1792       unrolled = true;
1793     }
1794
1795   /* Step 6: issue the prefetches.  */
1796   issue_prefetches (refs, unroll_factor, ahead);
1797
1798 fail:
1799   release_mem_refs (refs);
1800   return unrolled;
1801 }
1802
1803 /* Issue prefetch instructions for array references in loops.  */
1804
1805 unsigned int
1806 tree_ssa_prefetch_arrays (void)
1807 {
1808   loop_iterator li;
1809   struct loop *loop;
1810   bool unrolled = false;
1811   int todo_flags = 0;
1812
1813   if (!HAVE_prefetch
1814       /* It is possible to ask compiler for say -mtune=i486 -march=pentium4.
1815          -mtune=i486 causes us having PREFETCH_BLOCK 0, since this is part
1816          of processor costs and i486 does not have prefetch, but
1817          -march=pentium4 causes HAVE_prefetch to be true.  Ugh.  */
1818       || PREFETCH_BLOCK == 0)
1819     return 0;
1820
1821   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1822     {
1823       fprintf (dump_file, "Prefetching parameters:\n");
1824       fprintf (dump_file, "    simultaneous prefetches: %d\n",
1825                SIMULTANEOUS_PREFETCHES);
1826       fprintf (dump_file, "    prefetch latency: %d\n", PREFETCH_LATENCY);
1827       fprintf (dump_file, "    prefetch block size: %d\n", PREFETCH_BLOCK);
1828       fprintf (dump_file, "    L1 cache size: %d lines, %d kB\n",
1829                L1_CACHE_SIZE_BYTES / L1_CACHE_LINE_SIZE, L1_CACHE_SIZE);
1830       fprintf (dump_file, "    L1 cache line size: %d\n", L1_CACHE_LINE_SIZE);
1831       fprintf (dump_file, "    L2 cache size: %d kB\n", L2_CACHE_SIZE);
1832       fprintf (dump_file, "    min insn-to-prefetch ratio: %d \n",
1833                MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO);
1834       fprintf (dump_file, "    min insn-to-mem ratio: %d \n",
1835                PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO);
1836       fprintf (dump_file, "\n");
1837     }
1838
1839   initialize_original_copy_tables ();
1840
1841   if (!built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH])
1842     {
1843       tree type = build_function_type (void_type_node,
1844                                        tree_cons (NULL_TREE,
1845                                                   const_ptr_type_node,
1846                                                   NULL_TREE));
1847       tree decl = add_builtin_function ("__builtin_prefetch", type,
1848                                         BUILT_IN_PREFETCH, BUILT_IN_NORMAL,
1849                                         NULL, NULL_TREE);
1850       DECL_IS_NOVOPS (decl) = true;
1851       built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH] = decl;
1852     }
1853
1854   /* We assume that size of cache line is a power of two, so verify this
1855      here.  */
1856   gcc_assert ((PREFETCH_BLOCK & (PREFETCH_BLOCK - 1)) == 0);
1857
1858   FOR_EACH_LOOP (li, loop, LI_FROM_INNERMOST)
1859     {
1860       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1861         fprintf (dump_file, "Processing loop %d:\n", loop->num);
1862
1863       unrolled |= loop_prefetch_arrays (loop);
1864
1865       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1866         fprintf (dump_file, "\n\n");
1867     }
1868
1869   if (unrolled)
1870     {
1871       scev_reset ();
1872       todo_flags |= TODO_cleanup_cfg;
1873     }
1874
1875   free_original_copy_tables ();
1876   return todo_flags;
1877 }