OSDN Git Service

* parser.c (cp_parser_init_declarator): Pass LOOKUP_NORMAL
[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 "diagnostic-core.h"
40 #include "toplev.h"
41 #include "params.h"
42 #include "langhooks.h"
43 #include "tree-inline.h"
44 #include "tree-data-ref.h"
45
46
47 /* FIXME: Needed for optabs, but this should all be moved to a TBD interface
48    between the GIMPLE and RTL worlds.  */
49 #include "expr.h"
50 #include "optabs.h"
51
52 /* This pass inserts prefetch instructions to optimize cache usage during
53    accesses to arrays in loops.  It processes loops sequentially and:
54
55    1) Gathers all memory references in the single loop.
56    2) For each of the references it decides when it is profitable to prefetch
57       it.  To do it, we evaluate the reuse among the accesses, and determines
58       two values: PREFETCH_BEFORE (meaning that it only makes sense to do
59       prefetching in the first PREFETCH_BEFORE iterations of the loop) and
60       PREFETCH_MOD (meaning that it only makes sense to prefetch in the
61       iterations of the loop that are zero modulo PREFETCH_MOD).  For example
62       (assuming cache line size is 64 bytes, char has size 1 byte and there
63       is no hardware sequential prefetch):
64
65       char *a;
66       for (i = 0; i < max; i++)
67         {
68           a[255] = ...;         (0)
69           a[i] = ...;           (1)
70           a[i + 64] = ...;      (2)
71           a[16*i] = ...;        (3)
72           a[187*i] = ...;       (4)
73           a[187*i + 50] = ...;  (5)
74         }
75
76        (0) obviously has PREFETCH_BEFORE 1
77        (1) has PREFETCH_BEFORE 64, since (2) accesses the same memory
78            location 64 iterations before it, and PREFETCH_MOD 64 (since
79            it hits the same cache line otherwise).
80        (2) has PREFETCH_MOD 64
81        (3) has PREFETCH_MOD 4
82        (4) has PREFETCH_MOD 1.  We do not set PREFETCH_BEFORE here, since
83            the cache line accessed by (4) is the same with probability only
84            7/32.
85        (5) has PREFETCH_MOD 1 as well.
86
87       Additionally, we use data dependence analysis to determine for each
88       reference the distance till the first reuse; this information is used
89       to determine the temporality of the issued prefetch instruction.
90
91    3) We determine how much ahead we need to prefetch.  The number of
92       iterations needed is time to fetch / time spent in one iteration of
93       the loop.  The problem is that we do not know either of these values,
94       so we just make a heuristic guess based on a magic (possibly)
95       target-specific constant and size of the loop.
96
97    4) Determine which of the references we prefetch.  We take into account
98       that there is a maximum number of simultaneous prefetches (provided
99       by machine description).  We prefetch as many prefetches as possible
100       while still within this bound (starting with those with lowest
101       prefetch_mod, since they are responsible for most of the cache
102       misses).
103
104    5) We unroll and peel loops so that we are able to satisfy PREFETCH_MOD
105       and PREFETCH_BEFORE requirements (within some bounds), and to avoid
106       prefetching nonaccessed memory.
107       TODO -- actually implement peeling.
108
109    6) We actually emit the prefetch instructions.  ??? Perhaps emit the
110       prefetch instructions with guards in cases where 5) was not sufficient
111       to satisfy the constraints?
112
113    A cost model is implemented to determine whether or not prefetching is
114    profitable for a given loop.  The cost model has three heuristics:
115
116    1. Function trip_count_to_ahead_ratio_too_small_p implements a
117       heuristic that determines whether or not the loop has too few
118       iterations (compared to ahead).  Prefetching is not likely to be
119       beneficial if the trip count to ahead ratio is below a certain
120       minimum.
121
122    2. Function mem_ref_count_reasonable_p implements a heuristic that
123       determines whether the given loop has enough CPU ops that can be
124       overlapped with cache missing memory ops.  If not, the loop
125       won't benefit from prefetching.  In the implementation,
126       prefetching is not considered beneficial if the ratio between
127       the instruction count and the mem ref count is below a certain
128       minimum.
129
130    3. Function insn_to_prefetch_ratio_too_small_p implements a
131       heuristic that disables prefetching in a loop if the prefetching
132       cost is above a certain limit.  The relative prefetching cost is
133       estimated by taking the ratio between the prefetch count and the
134       total intruction count (this models the I-cache cost).
135
136    The limits used in these heuristics are defined as parameters with
137    reasonable default values. Machine-specific default values will be
138    added later.
139
140    Some other TODO:
141       -- write and use more general reuse analysis (that could be also used
142          in other cache aimed loop optimizations)
143       -- make it behave sanely together with the prefetches given by user
144          (now we just ignore them; at the very least we should avoid
145          optimizing loops in that user put his own prefetches)
146       -- we assume cache line size alignment of arrays; this could be
147          improved.  */
148
149 /* Magic constants follow.  These should be replaced by machine specific
150    numbers.  */
151
152 /* True if write can be prefetched by a read prefetch.  */
153
154 #ifndef WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
155 #define WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH 1
156 #endif
157
158 /* True if read can be prefetched by a write prefetch. */
159
160 #ifndef READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
161 #define READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH 0
162 #endif
163
164 /* The size of the block loaded by a single prefetch.  Usually, this is
165    the same as cache line size (at the moment, we only consider one level
166    of cache hierarchy).  */
167
168 #ifndef PREFETCH_BLOCK
169 #define PREFETCH_BLOCK L1_CACHE_LINE_SIZE
170 #endif
171
172 /* Do we have a forward hardware sequential prefetching?  */
173
174 #ifndef HAVE_FORWARD_PREFETCH
175 #define HAVE_FORWARD_PREFETCH 0
176 #endif
177
178 /* Do we have a backward hardware sequential prefetching?  */
179
180 #ifndef HAVE_BACKWARD_PREFETCH
181 #define HAVE_BACKWARD_PREFETCH 0
182 #endif
183
184 /* In some cases we are only able to determine that there is a certain
185    probability that the two accesses hit the same cache line.  In this
186    case, we issue the prefetches for both of them if this probability
187    is less then (1000 - ACCEPTABLE_MISS_RATE) per thousand.  */
188
189 #ifndef ACCEPTABLE_MISS_RATE
190 #define ACCEPTABLE_MISS_RATE 50
191 #endif
192
193 #ifndef HAVE_prefetch
194 #define HAVE_prefetch 0
195 #endif
196
197 #define L1_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L1_CACHE_SIZE * 1024))
198 #define L2_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L2_CACHE_SIZE * 1024))
199
200 /* We consider a memory access nontemporal if it is not reused sooner than
201    after L2_CACHE_SIZE_BYTES of memory are accessed.  However, we ignore
202    accesses closer than L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
203    so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory location
204    is accessed several times in a single iteration of the loop.  */
205 #define NONTEMPORAL_FRACTION 16
206
207 /* In case we have to emit a memory fence instruction after the loop that
208    uses nontemporal stores, this defines the builtin to use.  */
209
210 #ifndef FENCE_FOLLOWING_MOVNT
211 #define FENCE_FOLLOWING_MOVNT NULL_TREE
212 #endif
213
214 /* It is not profitable to prefetch when the trip count is not at
215    least TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO times the prefetch ahead distance.
216    For example, in a loop with a prefetch ahead distance of 10,
217    supposing that TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO is equal to 4, it is
218    profitable to prefetch when the trip count is greater or equal to
219    40.  In that case, 30 out of the 40 iterations will benefit from
220    prefetching.  */
221
222 #ifndef TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO
223 #define TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO 4
224 #endif
225
226 /* The group of references between that reuse may occur.  */
227
228 struct mem_ref_group
229 {
230   tree base;                    /* Base of the reference.  */
231   tree step;                    /* Step of the reference.  */
232   struct mem_ref *refs;         /* References in the group.  */
233   struct mem_ref_group *next;   /* Next group of references.  */
234 };
235
236 /* Assigned to PREFETCH_BEFORE when all iterations are to be prefetched.  */
237
238 #define PREFETCH_ALL            (~(unsigned HOST_WIDE_INT) 0)
239
240 /* Do not generate a prefetch if the unroll factor is significantly less
241    than what is required by the prefetch.  This is to avoid redundant
242    prefetches.  For example, when prefetch_mod is 16 and unroll_factor is
243    2, prefetching requires unrolling the loop 16 times, but
244    the loop is actually unrolled twice.  In this case (ratio = 8),
245    prefetching is not likely to be beneficial.  */
246
247 #ifndef PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO
248 #define PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO 4
249 #endif
250
251 /* Some of the prefetch computations have quadratic complexity.  We want to
252    avoid huge compile times and, therefore, want to limit the amount of
253    memory references per loop where we consider prefetching.  */
254
255 #ifndef PREFETCH_MAX_MEM_REFS_PER_LOOP
256 #define PREFETCH_MAX_MEM_REFS_PER_LOOP 200
257 #endif
258
259 /* The memory reference.  */
260
261 struct mem_ref
262 {
263   gimple stmt;                  /* Statement in that the reference appears.  */
264   tree mem;                     /* The reference.  */
265   HOST_WIDE_INT delta;          /* Constant offset of the reference.  */
266   struct mem_ref_group *group;  /* The group of references it belongs to.  */
267   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_mod;
268                                 /* Prefetch only each PREFETCH_MOD-th
269                                    iteration.  */
270   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before;
271                                 /* Prefetch only first PREFETCH_BEFORE
272                                    iterations.  */
273   unsigned reuse_distance;      /* The amount of data accessed before the first
274                                    reuse of this value.  */
275   struct mem_ref *next;         /* The next reference in the group.  */
276   unsigned write_p : 1;         /* Is it a write?  */
277   unsigned independent_p : 1;   /* True if the reference is independent on
278                                    all other references inside the loop.  */
279   unsigned issue_prefetch_p : 1;        /* Should we really issue the prefetch?  */
280   unsigned storent_p : 1;       /* True if we changed the store to a
281                                    nontemporal one.  */
282 };
283
284 /* Dumps information about reference REF to FILE.  */
285
286 static void
287 dump_mem_ref (FILE *file, struct mem_ref *ref)
288 {
289   fprintf (file, "Reference %p:\n", (void *) ref);
290
291   fprintf (file, "  group %p (base ", (void *) ref->group);
292   print_generic_expr (file, ref->group->base, TDF_SLIM);
293   fprintf (file, ", step ");
294   if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
295     fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, int_cst_value (ref->group->step));
296   else
297     print_generic_expr (file, ref->group->step, TDF_TREE);
298   fprintf (file, ")\n");
299
300   fprintf (file, "  delta ");
301   fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, ref->delta);
302   fprintf (file, "\n");
303
304   fprintf (file, "  %s\n", ref->write_p ? "write" : "read");
305
306   fprintf (file, "\n");
307 }
308
309 /* Finds a group with BASE and STEP in GROUPS, or creates one if it does not
310    exist.  */
311
312 static struct mem_ref_group *
313 find_or_create_group (struct mem_ref_group **groups, tree base, tree step)
314 {
315   struct mem_ref_group *group;
316
317   for (; *groups; groups = &(*groups)->next)
318     {
319       if (operand_equal_p ((*groups)->step, step, 0)
320           && operand_equal_p ((*groups)->base, base, 0))
321         return *groups;
322
323       /* If step is an integer constant, keep the list of groups sorted
324          by decreasing step.  */
325         if (cst_and_fits_in_hwi ((*groups)->step) && cst_and_fits_in_hwi (step)
326             && int_cst_value ((*groups)->step) < int_cst_value (step))
327         break;
328     }
329
330   group = XNEW (struct mem_ref_group);
331   group->base = base;
332   group->step = step;
333   group->refs = NULL;
334   group->next = *groups;
335   *groups = group;
336
337   return group;
338 }
339
340 /* Records a memory reference MEM in GROUP with offset DELTA and write status
341    WRITE_P.  The reference occurs in statement STMT.  */
342
343 static void
344 record_ref (struct mem_ref_group *group, gimple stmt, tree mem,
345             HOST_WIDE_INT delta, bool write_p)
346 {
347   struct mem_ref **aref;
348
349   /* Do not record the same address twice.  */
350   for (aref = &group->refs; *aref; aref = &(*aref)->next)
351     {
352       /* It does not have to be possible for write reference to reuse the read
353          prefetch, or vice versa.  */
354       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
355           && write_p
356           && !(*aref)->write_p)
357         continue;
358       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
359           && !write_p
360           && (*aref)->write_p)
361         continue;
362
363       if ((*aref)->delta == delta)
364         return;
365     }
366
367   (*aref) = XNEW (struct mem_ref);
368   (*aref)->stmt = stmt;
369   (*aref)->mem = mem;
370   (*aref)->delta = delta;
371   (*aref)->write_p = write_p;
372   (*aref)->prefetch_before = PREFETCH_ALL;
373   (*aref)->prefetch_mod = 1;
374   (*aref)->reuse_distance = 0;
375   (*aref)->issue_prefetch_p = false;
376   (*aref)->group = group;
377   (*aref)->next = NULL;
378   (*aref)->independent_p = false;
379   (*aref)->storent_p = false;
380
381   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
382     dump_mem_ref (dump_file, *aref);
383 }
384
385 /* Release memory references in GROUPS.  */
386
387 static void
388 release_mem_refs (struct mem_ref_group *groups)
389 {
390   struct mem_ref_group *next_g;
391   struct mem_ref *ref, *next_r;
392
393   for (; groups; groups = next_g)
394     {
395       next_g = groups->next;
396       for (ref = groups->refs; ref; ref = next_r)
397         {
398           next_r = ref->next;
399           free (ref);
400         }
401       free (groups);
402     }
403 }
404
405 /* A structure used to pass arguments to idx_analyze_ref.  */
406
407 struct ar_data
408 {
409   struct loop *loop;                    /* Loop of the reference.  */
410   gimple stmt;                          /* Statement of the reference.  */
411   tree *step;                           /* Step of the memory reference.  */
412   HOST_WIDE_INT *delta;                 /* Offset of the memory reference.  */
413 };
414
415 /* Analyzes a single INDEX of a memory reference to obtain information
416    described at analyze_ref.  Callback for for_each_index.  */
417
418 static bool
419 idx_analyze_ref (tree base, tree *index, void *data)
420 {
421   struct ar_data *ar_data = (struct ar_data *) data;
422   tree ibase, step, stepsize;
423   HOST_WIDE_INT idelta = 0, imult = 1;
424   affine_iv iv;
425
426   if (TREE_CODE (base) == MISALIGNED_INDIRECT_REF)
427     return false;
428
429   if (!simple_iv (ar_data->loop, loop_containing_stmt (ar_data->stmt),
430                   *index, &iv, true))
431     return false;
432   ibase = iv.base;
433   step = iv.step;
434
435   if (TREE_CODE (ibase) == POINTER_PLUS_EXPR
436       && cst_and_fits_in_hwi (TREE_OPERAND (ibase, 1)))
437     {
438       idelta = int_cst_value (TREE_OPERAND (ibase, 1));
439       ibase = TREE_OPERAND (ibase, 0);
440     }
441   if (cst_and_fits_in_hwi (ibase))
442     {
443       idelta += int_cst_value (ibase);
444       ibase = build_int_cst (TREE_TYPE (ibase), 0);
445     }
446
447   if (TREE_CODE (base) == ARRAY_REF)
448     {
449       stepsize = array_ref_element_size (base);
450       if (!cst_and_fits_in_hwi (stepsize))
451         return false;
452       imult = int_cst_value (stepsize);
453       step = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
454                           fold_convert (sizetype, step),
455                           fold_convert (sizetype, stepsize));
456       idelta *= imult;
457     }
458
459   if (*ar_data->step == NULL_TREE)
460     *ar_data->step = step;
461   else
462     *ar_data->step = fold_build2 (PLUS_EXPR, sizetype,
463                                   fold_convert (sizetype, *ar_data->step),
464                                   fold_convert (sizetype, step));
465   *ar_data->delta += idelta;
466   *index = ibase;
467
468   return true;
469 }
470
471 /* Tries to express REF_P in shape &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and
472    STEP are integer constants and iter is number of iterations of LOOP.  The
473    reference occurs in statement STMT.  Strips nonaddressable component
474    references from REF_P.  */
475
476 static bool
477 analyze_ref (struct loop *loop, tree *ref_p, tree *base,
478              tree *step, HOST_WIDE_INT *delta,
479              gimple stmt)
480 {
481   struct ar_data ar_data;
482   tree off;
483   HOST_WIDE_INT bit_offset;
484   tree ref = *ref_p;
485
486   *step = NULL_TREE;
487   *delta = 0;
488
489   /* First strip off the component references.  Ignore bitfields.  */
490   if (TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF
491       && DECL_NONADDRESSABLE_P (TREE_OPERAND (ref, 1)))
492     ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
493
494   *ref_p = ref;
495
496   for (; TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF; ref = TREE_OPERAND (ref, 0))
497     {
498       off = DECL_FIELD_BIT_OFFSET (TREE_OPERAND (ref, 1));
499       bit_offset = TREE_INT_CST_LOW (off);
500       gcc_assert (bit_offset % BITS_PER_UNIT == 0);
501
502       *delta += bit_offset / BITS_PER_UNIT;
503     }
504
505   *base = unshare_expr (ref);
506   ar_data.loop = loop;
507   ar_data.stmt = stmt;
508   ar_data.step = step;
509   ar_data.delta = delta;
510   return for_each_index (base, idx_analyze_ref, &ar_data);
511 }
512
513 /* Record a memory reference REF to the list REFS.  The reference occurs in
514    LOOP in statement STMT and it is write if WRITE_P.  Returns true if the
515    reference was recorded, false otherwise.  */
516
517 static bool
518 gather_memory_references_ref (struct loop *loop, struct mem_ref_group **refs,
519                               tree ref, bool write_p, gimple stmt)
520 {
521   tree base, step;
522   HOST_WIDE_INT delta;
523   struct mem_ref_group *agrp;
524
525   if (get_base_address (ref) == NULL)
526     return false;
527
528   if (!analyze_ref (loop, &ref, &base, &step, &delta, stmt))
529     return false;
530   /* If analyze_ref fails the default is a NULL_TREE.  We can stop here.  */
531   if (step == NULL_TREE)
532     return false;
533
534   /* Limit non-constant step prefetching only to the innermost loops.  */
535   if (!cst_and_fits_in_hwi (step) && loop->inner != NULL)
536     return false;
537
538   /* Now we know that REF = &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and STEP
539      are integer constants.  */
540   agrp = find_or_create_group (refs, base, step);
541   record_ref (agrp, stmt, ref, delta, write_p);
542
543   return true;
544 }
545
546 /* Record the suitable memory references in LOOP.  NO_OTHER_REFS is set to
547    true if there are no other memory references inside the loop.  */
548
549 static struct mem_ref_group *
550 gather_memory_references (struct loop *loop, bool *no_other_refs, unsigned *ref_count)
551 {
552   basic_block *body = get_loop_body_in_dom_order (loop);
553   basic_block bb;
554   unsigned i;
555   gimple_stmt_iterator bsi;
556   gimple stmt;
557   tree lhs, rhs;
558   struct mem_ref_group *refs = NULL;
559
560   *no_other_refs = true;
561   *ref_count = 0;
562
563   /* Scan the loop body in order, so that the former references precede the
564      later ones.  */
565   for (i = 0; i < loop->num_nodes; i++)
566     {
567       bb = body[i];
568       if (bb->loop_father != loop)
569         continue;
570
571       for (bsi = gsi_start_bb (bb); !gsi_end_p (bsi); gsi_next (&bsi))
572         {
573           stmt = gsi_stmt (bsi);
574
575           if (gimple_code (stmt) != GIMPLE_ASSIGN)
576             {
577               if (gimple_vuse (stmt)
578                   || (is_gimple_call (stmt)
579                       && !(gimple_call_flags (stmt) & ECF_CONST)))
580                 *no_other_refs = false;
581               continue;
582             }
583
584           lhs = gimple_assign_lhs (stmt);
585           rhs = gimple_assign_rhs1 (stmt);
586
587           if (REFERENCE_CLASS_P (rhs))
588             {
589             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
590                                                             rhs, false, stmt);
591             *ref_count += 1;
592             }
593           if (REFERENCE_CLASS_P (lhs))
594             {
595             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
596                                                             lhs, true, stmt);
597             *ref_count += 1;
598             }
599         }
600     }
601   free (body);
602
603   return refs;
604 }
605
606 /* Prune the prefetch candidate REF using the self-reuse.  */
607
608 static void
609 prune_ref_by_self_reuse (struct mem_ref *ref)
610 {
611   HOST_WIDE_INT step;
612   bool backward;
613
614   /* If the step size is non constant, we cannot calculate prefetch_mod.  */
615   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
616     return;
617
618   step = int_cst_value (ref->group->step);
619
620   backward = step < 0;
621
622   if (step == 0)
623     {
624       /* Prefetch references to invariant address just once.  */
625       ref->prefetch_before = 1;
626       return;
627     }
628
629   if (backward)
630     step = -step;
631
632   if (step > PREFETCH_BLOCK)
633     return;
634
635   if ((backward && HAVE_BACKWARD_PREFETCH)
636       || (!backward && HAVE_FORWARD_PREFETCH))
637     {
638       ref->prefetch_before = 1;
639       return;
640     }
641
642   ref->prefetch_mod = PREFETCH_BLOCK / step;
643 }
644
645 /* Divides X by BY, rounding down.  */
646
647 static HOST_WIDE_INT
648 ddown (HOST_WIDE_INT x, unsigned HOST_WIDE_INT by)
649 {
650   gcc_assert (by > 0);
651
652   if (x >= 0)
653     return x / by;
654   else
655     return (x + by - 1) / by;
656 }
657
658 /* Given a CACHE_LINE_SIZE and two inductive memory references
659    with a common STEP greater than CACHE_LINE_SIZE and an address
660    difference DELTA, compute the probability that they will fall
661    in different cache lines.  Return true if the computed miss rate
662    is not greater than the ACCEPTABLE_MISS_RATE.  DISTINCT_ITERS is the
663    number of distinct iterations after which the pattern repeats itself.
664    ALIGN_UNIT is the unit of alignment in bytes.  */
665
666 static bool
667 is_miss_rate_acceptable (unsigned HOST_WIDE_INT cache_line_size,
668                    HOST_WIDE_INT step, HOST_WIDE_INT delta,
669                    unsigned HOST_WIDE_INT distinct_iters,
670                    int align_unit)
671 {
672   unsigned align, iter;
673   int total_positions, miss_positions, max_allowed_miss_positions;
674   int address1, address2, cache_line1, cache_line2;
675
676   /* It always misses if delta is greater than or equal to the cache
677      line size.  */
678   if (delta >= (HOST_WIDE_INT) cache_line_size)
679     return false;
680
681   miss_positions = 0;
682   total_positions = (cache_line_size / align_unit) * distinct_iters;
683   max_allowed_miss_positions = (ACCEPTABLE_MISS_RATE * total_positions) / 1000;
684
685   /* Iterate through all possible alignments of the first
686      memory reference within its cache line.  */
687   for (align = 0; align < cache_line_size; align += align_unit)
688
689     /* Iterate through all distinct iterations.  */
690     for (iter = 0; iter < distinct_iters; iter++)
691       {
692         address1 = align + step * iter;
693         address2 = address1 + delta;
694         cache_line1 = address1 / cache_line_size;
695         cache_line2 = address2 / cache_line_size;
696         if (cache_line1 != cache_line2)
697           {
698             miss_positions += 1;
699             if (miss_positions > max_allowed_miss_positions)
700               return false;
701           }
702       }
703   return true;
704 }
705
706 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuse with BY.
707    If BY_IS_BEFORE is true, BY is before REF in the loop.  */
708
709 static void
710 prune_ref_by_group_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *by,
711                           bool by_is_before)
712 {
713   HOST_WIDE_INT step;
714   bool backward;
715   HOST_WIDE_INT delta_r = ref->delta, delta_b = by->delta;
716   HOST_WIDE_INT delta = delta_b - delta_r;
717   HOST_WIDE_INT hit_from;
718   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before, prefetch_block;
719   HOST_WIDE_INT reduced_step;
720   unsigned HOST_WIDE_INT reduced_prefetch_block;
721   tree ref_type;
722   int align_unit;
723
724   /* If the step is non constant we cannot calculate prefetch_before.  */
725   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step)) {
726     return;
727   }
728
729   step = int_cst_value (ref->group->step);
730
731   backward = step < 0;
732
733
734   if (delta == 0)
735     {
736       /* If the references has the same address, only prefetch the
737          former.  */
738       if (by_is_before)
739         ref->prefetch_before = 0;
740
741       return;
742     }
743
744   if (!step)
745     {
746       /* If the reference addresses are invariant and fall into the
747          same cache line, prefetch just the first one.  */
748       if (!by_is_before)
749         return;
750
751       if (ddown (ref->delta, PREFETCH_BLOCK)
752           != ddown (by->delta, PREFETCH_BLOCK))
753         return;
754
755       ref->prefetch_before = 0;
756       return;
757     }
758
759   /* Only prune the reference that is behind in the array.  */
760   if (backward)
761     {
762       if (delta > 0)
763         return;
764
765       /* Transform the data so that we may assume that the accesses
766          are forward.  */
767       delta = - delta;
768       step = -step;
769       delta_r = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_r;
770       delta_b = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_b;
771     }
772   else
773     {
774       if (delta < 0)
775         return;
776     }
777
778   /* Check whether the two references are likely to hit the same cache
779      line, and how distant the iterations in that it occurs are from
780      each other.  */
781
782   if (step <= PREFETCH_BLOCK)
783     {
784       /* The accesses are sure to meet.  Let us check when.  */
785       hit_from = ddown (delta_b, PREFETCH_BLOCK) * PREFETCH_BLOCK;
786       prefetch_before = (hit_from - delta_r + step - 1) / step;
787
788       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
789       if (prefetch_before > (unsigned) abs (L2_CACHE_SIZE_BYTES / step))
790         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
791       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
792         ref->prefetch_before = prefetch_before;
793
794       return;
795     }
796
797   /* A more complicated case with step > prefetch_block.  First reduce
798      the ratio between the step and the cache line size to its simplest
799      terms.  The resulting denominator will then represent the number of
800      distinct iterations after which each address will go back to its
801      initial location within the cache line.  This computation assumes
802      that PREFETCH_BLOCK is a power of two.  */
803   prefetch_block = PREFETCH_BLOCK;
804   reduced_prefetch_block = prefetch_block;
805   reduced_step = step;
806   while ((reduced_step & 1) == 0
807          && reduced_prefetch_block > 1)
808     {
809       reduced_step >>= 1;
810       reduced_prefetch_block >>= 1;
811     }
812
813   prefetch_before = delta / step;
814   delta %= step;
815   ref_type = TREE_TYPE (ref->mem);
816   align_unit = TYPE_ALIGN (ref_type) / 8;
817   if (is_miss_rate_acceptable (prefetch_block, step, delta,
818                                reduced_prefetch_block, align_unit))
819     {
820       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
821       if (prefetch_before > L2_CACHE_SIZE_BYTES / PREFETCH_BLOCK)
822         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
823       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
824         ref->prefetch_before = prefetch_before;
825
826       return;
827     }
828
829   /* Try also the following iteration.  */
830   prefetch_before++;
831   delta = step - delta;
832   if (is_miss_rate_acceptable (prefetch_block, step, delta,
833                                reduced_prefetch_block, align_unit))
834     {
835       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
836         ref->prefetch_before = prefetch_before;
837
838       return;
839     }
840
841   /* The ref probably does not reuse by.  */
842   return;
843 }
844
845 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuses with other references
846    in REFS.  */
847
848 static void
849 prune_ref_by_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *refs)
850 {
851   struct mem_ref *prune_by;
852   bool before = true;
853
854   prune_ref_by_self_reuse (ref);
855
856   for (prune_by = refs; prune_by; prune_by = prune_by->next)
857     {
858       if (prune_by == ref)
859         {
860           before = false;
861           continue;
862         }
863
864       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
865           && ref->write_p
866           && !prune_by->write_p)
867         continue;
868       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
869           && !ref->write_p
870           && prune_by->write_p)
871         continue;
872
873       prune_ref_by_group_reuse (ref, prune_by, before);
874     }
875 }
876
877 /* Prune the prefetch candidates in GROUP using the reuse analysis.  */
878
879 static void
880 prune_group_by_reuse (struct mem_ref_group *group)
881 {
882   struct mem_ref *ref_pruned;
883
884   for (ref_pruned = group->refs; ref_pruned; ref_pruned = ref_pruned->next)
885     {
886       prune_ref_by_reuse (ref_pruned, group->refs);
887
888       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
889         {
890           fprintf (dump_file, "Reference %p:", (void *) ref_pruned);
891
892           if (ref_pruned->prefetch_before == PREFETCH_ALL
893               && ref_pruned->prefetch_mod == 1)
894             fprintf (dump_file, " no restrictions");
895           else if (ref_pruned->prefetch_before == 0)
896             fprintf (dump_file, " do not prefetch");
897           else if (ref_pruned->prefetch_before <= ref_pruned->prefetch_mod)
898             fprintf (dump_file, " prefetch once");
899           else
900             {
901               if (ref_pruned->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
902                 {
903                   fprintf (dump_file, " prefetch before ");
904                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
905                            ref_pruned->prefetch_before);
906                 }
907               if (ref_pruned->prefetch_mod != 1)
908                 {
909                   fprintf (dump_file, " prefetch mod ");
910                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
911                            ref_pruned->prefetch_mod);
912                 }
913             }
914           fprintf (dump_file, "\n");
915         }
916     }
917 }
918
919 /* Prune the list of prefetch candidates GROUPS using the reuse analysis.  */
920
921 static void
922 prune_by_reuse (struct mem_ref_group *groups)
923 {
924   for (; groups; groups = groups->next)
925     prune_group_by_reuse (groups);
926 }
927
928 /* Returns true if we should issue prefetch for REF.  */
929
930 static bool
931 should_issue_prefetch_p (struct mem_ref *ref)
932 {
933   /* For now do not issue prefetches for only first few of the
934      iterations.  */
935   if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
936     {
937       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
938         fprintf (dump_file, "Ignoring %p due to prefetch_before\n",
939                  (void *) ref);
940       return false;
941     }
942
943   /* Do not prefetch nontemporal stores.  */
944   if (ref->storent_p)
945     {
946       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
947         fprintf (dump_file, "Ignoring nontemporal store %p\n", (void *) ref);
948       return false;
949     }
950
951   return true;
952 }
953
954 /* Decide which of the prefetch candidates in GROUPS to prefetch.
955    AHEAD is the number of iterations to prefetch ahead (which corresponds
956    to the number of simultaneous instances of one prefetch running at a
957    time).  UNROLL_FACTOR is the factor by that the loop is going to be
958    unrolled.  Returns true if there is anything to prefetch.  */
959
960 static bool
961 schedule_prefetches (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor,
962                      unsigned ahead)
963 {
964   unsigned remaining_prefetch_slots, n_prefetches, prefetch_slots;
965   unsigned slots_per_prefetch;
966   struct mem_ref *ref;
967   bool any = false;
968
969   /* At most SIMULTANEOUS_PREFETCHES should be running at the same time.  */
970   remaining_prefetch_slots = SIMULTANEOUS_PREFETCHES;
971
972   /* The prefetch will run for AHEAD iterations of the original loop, i.e.,
973      AHEAD / UNROLL_FACTOR iterations of the unrolled loop.  In each iteration,
974      it will need a prefetch slot.  */
975   slots_per_prefetch = (ahead + unroll_factor / 2) / unroll_factor;
976   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
977     fprintf (dump_file, "Each prefetch instruction takes %u prefetch slots.\n",
978              slots_per_prefetch);
979
980   /* For now we just take memory references one by one and issue
981      prefetches for as many as possible.  The groups are sorted
982      starting with the largest step, since the references with
983      large step are more likely to cause many cache misses.  */
984
985   for (; groups; groups = groups->next)
986     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
987       {
988         if (!should_issue_prefetch_p (ref))
989           continue;
990
991         /* The loop is far from being sufficiently unrolled for this
992            prefetch.  Do not generate prefetch to avoid many redudant
993            prefetches.  */
994         if (ref->prefetch_mod / unroll_factor > PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO)
995           continue;
996
997         /* If we need to prefetch the reference each PREFETCH_MOD iterations,
998            and we unroll the loop UNROLL_FACTOR times, we need to insert
999            ceil (UNROLL_FACTOR / PREFETCH_MOD) instructions in each
1000            iteration.  */
1001         n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1002                         / ref->prefetch_mod);
1003         prefetch_slots = n_prefetches * slots_per_prefetch;
1004
1005         /* If more than half of the prefetches would be lost anyway, do not
1006            issue the prefetch.  */
1007         if (2 * remaining_prefetch_slots < prefetch_slots)
1008           continue;
1009
1010         ref->issue_prefetch_p = true;
1011
1012         if (remaining_prefetch_slots <= prefetch_slots)
1013           return true;
1014         remaining_prefetch_slots -= prefetch_slots;
1015         any = true;
1016       }
1017
1018   return any;
1019 }
1020
1021 /* Return TRUE if no prefetch is going to be generated in the given
1022    GROUPS.  */
1023
1024 static bool
1025 nothing_to_prefetch_p (struct mem_ref_group *groups)
1026 {
1027   struct mem_ref *ref;
1028
1029   for (; groups; groups = groups->next)
1030     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1031       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1032         return false;
1033
1034   return true;
1035 }
1036
1037 /* Estimate the number of prefetches in the given GROUPS.
1038    UNROLL_FACTOR is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1039
1040 static int
1041 estimate_prefetch_count (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor)
1042 {
1043   struct mem_ref *ref;
1044   unsigned n_prefetches;
1045   int prefetch_count = 0;
1046
1047   for (; groups; groups = groups->next)
1048     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1049       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1050         {
1051           n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1052                           / ref->prefetch_mod);
1053           prefetch_count += n_prefetches;
1054         }
1055
1056   return prefetch_count;
1057 }
1058
1059 /* Issue prefetches for the reference REF into loop as decided before.
1060    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR
1061    is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1062
1063 static void
1064 issue_prefetch_ref (struct mem_ref *ref, unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1065 {
1066   HOST_WIDE_INT delta;
1067   tree addr, addr_base, write_p, local, forward;
1068   gimple prefetch;
1069   gimple_stmt_iterator bsi;
1070   unsigned n_prefetches, ap;
1071   bool nontemporal = ref->reuse_distance >= L2_CACHE_SIZE_BYTES;
1072
1073   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1074     fprintf (dump_file, "Issued%s prefetch for %p.\n",
1075              nontemporal ? " nontemporal" : "",
1076              (void *) ref);
1077
1078   bsi = gsi_for_stmt (ref->stmt);
1079
1080   n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1081                   / ref->prefetch_mod);
1082   addr_base = build_fold_addr_expr_with_type (ref->mem, ptr_type_node);
1083   addr_base = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr_base),
1084                                         true, NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1085   write_p = ref->write_p ? integer_one_node : integer_zero_node;
1086   local = nontemporal ? integer_zero_node : integer_three_node;
1087
1088   for (ap = 0; ap < n_prefetches; ap++)
1089     {
1090       if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
1091         {
1092           /* Determine the address to prefetch.  */
1093           delta = (ahead + ap * ref->prefetch_mod) *
1094                    int_cst_value (ref->group->step);
1095           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node,
1096                               addr_base, size_int (delta));
1097           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true, NULL,
1098                                            true, GSI_SAME_STMT);
1099         }
1100       else
1101         {
1102           /* The step size is non-constant but loop-invariant.  We use the
1103              heuristic to simply prefetch ahead iterations ahead.  */
1104           forward = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
1105                                  fold_convert (sizetype, ref->group->step),
1106                                  fold_convert (sizetype, size_int (ahead)));
1107           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node, addr_base,
1108                               forward);
1109           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true,
1110                                            NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1111       }
1112       /* Create the prefetch instruction.  */
1113       prefetch = gimple_build_call (built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH],
1114                                     3, addr, write_p, local);
1115       gsi_insert_before (&bsi, prefetch, GSI_SAME_STMT);
1116     }
1117 }
1118
1119 /* Issue prefetches for the references in GROUPS into loop as decided before.
1120    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR is the
1121    factor by that LOOP was unrolled.  */
1122
1123 static void
1124 issue_prefetches (struct mem_ref_group *groups,
1125                   unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1126 {
1127   struct mem_ref *ref;
1128
1129   for (; groups; groups = groups->next)
1130     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1131       if (ref->issue_prefetch_p)
1132         issue_prefetch_ref (ref, unroll_factor, ahead);
1133 }
1134
1135 /* Returns true if REF is a memory write for that a nontemporal store insn
1136    can be used.  */
1137
1138 static bool
1139 nontemporal_store_p (struct mem_ref *ref)
1140 {
1141   enum machine_mode mode;
1142   enum insn_code code;
1143
1144   /* REF must be a write that is not reused.  We require it to be independent
1145      on all other memory references in the loop, as the nontemporal stores may
1146      be reordered with respect to other memory references.  */
1147   if (!ref->write_p
1148       || !ref->independent_p
1149       || ref->reuse_distance < L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1150     return false;
1151
1152   /* Check that we have the storent instruction for the mode.  */
1153   mode = TYPE_MODE (TREE_TYPE (ref->mem));
1154   if (mode == BLKmode)
1155     return false;
1156
1157   code = optab_handler (storent_optab, mode);
1158   return code != CODE_FOR_nothing;
1159 }
1160
1161 /* If REF is a nontemporal store, we mark the corresponding modify statement
1162    and return true.  Otherwise, we return false.  */
1163
1164 static bool
1165 mark_nontemporal_store (struct mem_ref *ref)
1166 {
1167   if (!nontemporal_store_p (ref))
1168     return false;
1169
1170   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1171     fprintf (dump_file, "Marked reference %p as a nontemporal store.\n",
1172              (void *) ref);
1173
1174   gimple_assign_set_nontemporal_move (ref->stmt, true);
1175   ref->storent_p = true;
1176
1177   return true;
1178 }
1179
1180 /* Issue a memory fence instruction after LOOP.  */
1181
1182 static void
1183 emit_mfence_after_loop (struct loop *loop)
1184 {
1185   VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1186   edge exit;
1187   gimple call;
1188   gimple_stmt_iterator bsi;
1189   unsigned i;
1190
1191   for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1192     {
1193       call = gimple_build_call (FENCE_FOLLOWING_MOVNT, 0);
1194
1195       if (!single_pred_p (exit->dest)
1196           /* If possible, we prefer not to insert the fence on other paths
1197              in cfg.  */
1198           && !(exit->flags & EDGE_ABNORMAL))
1199         split_loop_exit_edge (exit);
1200       bsi = gsi_after_labels (exit->dest);
1201
1202       gsi_insert_before (&bsi, call, GSI_NEW_STMT);
1203       mark_virtual_ops_for_renaming (call);
1204     }
1205
1206   VEC_free (edge, heap, exits);
1207   update_ssa (TODO_update_ssa_only_virtuals);
1208 }
1209
1210 /* Returns true if we can use storent in loop, false otherwise.  */
1211
1212 static bool
1213 may_use_storent_in_loop_p (struct loop *loop)
1214 {
1215   bool ret = true;
1216
1217   if (loop->inner != NULL)
1218     return false;
1219
1220   /* If we must issue a mfence insn after using storent, check that there
1221      is a suitable place for it at each of the loop exits.  */
1222   if (FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1223     {
1224       VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1225       unsigned i;
1226       edge exit;
1227
1228       for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1229         if ((exit->flags & EDGE_ABNORMAL)
1230             && exit->dest == EXIT_BLOCK_PTR)
1231           ret = false;
1232
1233       VEC_free (edge, heap, exits);
1234     }
1235
1236   return ret;
1237 }
1238
1239 /* Marks nontemporal stores in LOOP.  GROUPS contains the description of memory
1240    references in the loop.  */
1241
1242 static void
1243 mark_nontemporal_stores (struct loop *loop, struct mem_ref_group *groups)
1244 {
1245   struct mem_ref *ref;
1246   bool any = false;
1247
1248   if (!may_use_storent_in_loop_p (loop))
1249     return;
1250
1251   for (; groups; groups = groups->next)
1252     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1253       any |= mark_nontemporal_store (ref);
1254
1255   if (any && FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1256     emit_mfence_after_loop (loop);
1257 }
1258
1259 /* Determines whether we can profitably unroll LOOP FACTOR times, and if
1260    this is the case, fill in DESC by the description of number of
1261    iterations.  */
1262
1263 static bool
1264 should_unroll_loop_p (struct loop *loop, struct tree_niter_desc *desc,
1265                       unsigned factor)
1266 {
1267   if (!can_unroll_loop_p (loop, factor, desc))
1268     return false;
1269
1270   /* We only consider loops without control flow for unrolling.  This is not
1271      a hard restriction -- tree_unroll_loop works with arbitrary loops
1272      as well; but the unrolling/prefetching is usually more profitable for
1273      loops consisting of a single basic block, and we want to limit the
1274      code growth.  */
1275   if (loop->num_nodes > 2)
1276     return false;
1277
1278   return true;
1279 }
1280
1281 /* Determine the coefficient by that unroll LOOP, from the information
1282    contained in the list of memory references REFS.  Description of
1283    umber of iterations of LOOP is stored to DESC.  NINSNS is the number of
1284    insns of the LOOP.  EST_NITER is the estimated number of iterations of
1285    the loop, or -1 if no estimate is available.  */
1286
1287 static unsigned
1288 determine_unroll_factor (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1289                          unsigned ninsns, struct tree_niter_desc *desc,
1290                          HOST_WIDE_INT est_niter)
1291 {
1292   unsigned upper_bound;
1293   unsigned nfactor, factor, mod_constraint;
1294   struct mem_ref_group *agp;
1295   struct mem_ref *ref;
1296
1297   /* First check whether the loop is not too large to unroll.  We ignore
1298      PARAM_MAX_UNROLL_TIMES, because for small loops, it prevented us
1299      from unrolling them enough to make exactly one cache line covered by each
1300      iteration.  Also, the goal of PARAM_MAX_UNROLL_TIMES is to prevent
1301      us from unrolling the loops too many times in cases where we only expect
1302      gains from better scheduling and decreasing loop overhead, which is not
1303      the case here.  */
1304   upper_bound = PARAM_VALUE (PARAM_MAX_UNROLLED_INSNS) / ninsns;
1305
1306   /* If we unrolled the loop more times than it iterates, the unrolled version
1307      of the loop would be never entered.  */
1308   if (est_niter >= 0 && est_niter < (HOST_WIDE_INT) upper_bound)
1309     upper_bound = est_niter;
1310
1311   if (upper_bound <= 1)
1312     return 1;
1313
1314   /* Choose the factor so that we may prefetch each cache just once,
1315      but bound the unrolling by UPPER_BOUND.  */
1316   factor = 1;
1317   for (agp = refs; agp; agp = agp->next)
1318     for (ref = agp->refs; ref; ref = ref->next)
1319       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1320         {
1321           mod_constraint = ref->prefetch_mod;
1322           nfactor = least_common_multiple (mod_constraint, factor);
1323           if (nfactor <= upper_bound)
1324             factor = nfactor;
1325         }
1326
1327   if (!should_unroll_loop_p (loop, desc, factor))
1328     return 1;
1329
1330   return factor;
1331 }
1332
1333 /* Returns the total volume of the memory references REFS, taking into account
1334    reuses in the innermost loop and cache line size.  TODO -- we should also
1335    take into account reuses across the iterations of the loops in the loop
1336    nest.  */
1337
1338 static unsigned
1339 volume_of_references (struct mem_ref_group *refs)
1340 {
1341   unsigned volume = 0;
1342   struct mem_ref_group *gr;
1343   struct mem_ref *ref;
1344
1345   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1346     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1347       {
1348         /* Almost always reuses another value?  */
1349         if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
1350           continue;
1351
1352         /* If several iterations access the same cache line, use the size of
1353            the line divided by this number.  Otherwise, a cache line is
1354            accessed in each iteration.  TODO -- in the latter case, we should
1355            take the size of the reference into account, rounding it up on cache
1356            line size multiple.  */
1357         volume += L1_CACHE_LINE_SIZE / ref->prefetch_mod;
1358       }
1359   return volume;
1360 }
1361
1362 /* Returns the volume of memory references accessed across VEC iterations of
1363    loops, whose sizes are described in the LOOP_SIZES array.  N is the number
1364    of the loops in the nest (length of VEC and LOOP_SIZES vectors).  */
1365
1366 static unsigned
1367 volume_of_dist_vector (lambda_vector vec, unsigned *loop_sizes, unsigned n)
1368 {
1369   unsigned i;
1370
1371   for (i = 0; i < n; i++)
1372     if (vec[i] != 0)
1373       break;
1374
1375   if (i == n)
1376     return 0;
1377
1378   gcc_assert (vec[i] > 0);
1379
1380   /* We ignore the parts of the distance vector in subloops, since usually
1381      the numbers of iterations are much smaller.  */
1382   return loop_sizes[i] * vec[i];
1383 }
1384
1385 /* Add the steps of ACCESS_FN multiplied by STRIDE to the array STRIDE
1386    at the position corresponding to the loop of the step.  N is the depth
1387    of the considered loop nest, and, LOOP is its innermost loop.  */
1388
1389 static void
1390 add_subscript_strides (tree access_fn, unsigned stride,
1391                        HOST_WIDE_INT *strides, unsigned n, struct loop *loop)
1392 {
1393   struct loop *aloop;
1394   tree step;
1395   HOST_WIDE_INT astep;
1396   unsigned min_depth = loop_depth (loop) - n;
1397
1398   while (TREE_CODE (access_fn) == POLYNOMIAL_CHREC)
1399     {
1400       aloop = get_chrec_loop (access_fn);
1401       step = CHREC_RIGHT (access_fn);
1402       access_fn = CHREC_LEFT (access_fn);
1403
1404       if ((unsigned) loop_depth (aloop) <= min_depth)
1405         continue;
1406
1407       if (host_integerp (step, 0))
1408         astep = tree_low_cst (step, 0);
1409       else
1410         astep = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1411
1412       strides[n - 1 - loop_depth (loop) + loop_depth (aloop)] += astep * stride;
1413
1414     }
1415 }
1416
1417 /* Returns the volume of memory references accessed between two consecutive
1418    self-reuses of the reference DR.  We consider the subscripts of DR in N
1419    loops, and LOOP_SIZES contains the volumes of accesses in each of the
1420    loops.  LOOP is the innermost loop of the current loop nest.  */
1421
1422 static unsigned
1423 self_reuse_distance (data_reference_p dr, unsigned *loop_sizes, unsigned n,
1424                      struct loop *loop)
1425 {
1426   tree stride, access_fn;
1427   HOST_WIDE_INT *strides, astride;
1428   VEC (tree, heap) *access_fns;
1429   tree ref = DR_REF (dr);
1430   unsigned i, ret = ~0u;
1431
1432   /* In the following example:
1433
1434      for (i = 0; i < N; i++)
1435        for (j = 0; j < N; j++)
1436          use (a[j][i]);
1437      the same cache line is accessed each N steps (except if the change from
1438      i to i + 1 crosses the boundary of the cache line).  Thus, for self-reuse,
1439      we cannot rely purely on the results of the data dependence analysis.
1440
1441      Instead, we compute the stride of the reference in each loop, and consider
1442      the innermost loop in that the stride is less than cache size.  */
1443
1444   strides = XCNEWVEC (HOST_WIDE_INT, n);
1445   access_fns = DR_ACCESS_FNS (dr);
1446
1447   for (i = 0; VEC_iterate (tree, access_fns, i, access_fn); i++)
1448     {
1449       /* Keep track of the reference corresponding to the subscript, so that we
1450          know its stride.  */
1451       while (handled_component_p (ref) && TREE_CODE (ref) != ARRAY_REF)
1452         ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1453
1454       if (TREE_CODE (ref) == ARRAY_REF)
1455         {
1456           stride = TYPE_SIZE_UNIT (TREE_TYPE (ref));
1457           if (host_integerp (stride, 1))
1458             astride = tree_low_cst (stride, 1);
1459           else
1460             astride = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1461
1462           ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1463         }
1464       else
1465         astride = 1;
1466
1467       add_subscript_strides (access_fn, astride, strides, n, loop);
1468     }
1469
1470   for (i = n; i-- > 0; )
1471     {
1472       unsigned HOST_WIDE_INT s;
1473
1474       s = strides[i] < 0 ?  -strides[i] : strides[i];
1475
1476       if (s < (unsigned) L1_CACHE_LINE_SIZE
1477           && (loop_sizes[i]
1478               > (unsigned) (L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)))
1479         {
1480           ret = loop_sizes[i];
1481           break;
1482         }
1483     }
1484
1485   free (strides);
1486   return ret;
1487 }
1488
1489 /* Determines the distance till the first reuse of each reference in REFS
1490    in the loop nest of LOOP.  NO_OTHER_REFS is true if there are no other
1491    memory references in the loop.  */
1492
1493 static void
1494 determine_loop_nest_reuse (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1495                            bool no_other_refs)
1496 {
1497   struct loop *nest, *aloop;
1498   VEC (data_reference_p, heap) *datarefs = NULL;
1499   VEC (ddr_p, heap) *dependences = NULL;
1500   struct mem_ref_group *gr;
1501   struct mem_ref *ref, *refb;
1502   VEC (loop_p, heap) *vloops = NULL;
1503   unsigned *loop_data_size;
1504   unsigned i, j, n;
1505   unsigned volume, dist, adist;
1506   HOST_WIDE_INT vol;
1507   data_reference_p dr;
1508   ddr_p dep;
1509
1510   if (loop->inner)
1511     return;
1512
1513   /* Find the outermost loop of the loop nest of loop (we require that
1514      there are no sibling loops inside the nest).  */
1515   nest = loop;
1516   while (1)
1517     {
1518       aloop = loop_outer (nest);
1519
1520       if (aloop == current_loops->tree_root
1521           || aloop->inner->next)
1522         break;
1523
1524       nest = aloop;
1525     }
1526
1527   /* For each loop, determine the amount of data accessed in each iteration.
1528      We use this to estimate whether the reference is evicted from the
1529      cache before its reuse.  */
1530   find_loop_nest (nest, &vloops);
1531   n = VEC_length (loop_p, vloops);
1532   loop_data_size = XNEWVEC (unsigned, n);
1533   volume = volume_of_references (refs);
1534   i = n;
1535   while (i-- != 0)
1536     {
1537       loop_data_size[i] = volume;
1538       /* Bound the volume by the L2 cache size, since above this bound,
1539          all dependence distances are equivalent.  */
1540       if (volume > L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1541         continue;
1542
1543       aloop = VEC_index (loop_p, vloops, i);
1544       vol = estimated_loop_iterations_int (aloop, false);
1545       if (vol < 0)
1546         vol = expected_loop_iterations (aloop);
1547       volume *= vol;
1548     }
1549
1550   /* Prepare the references in the form suitable for data dependence
1551      analysis.  We ignore unanalyzable data references (the results
1552      are used just as a heuristics to estimate temporality of the
1553      references, hence we do not need to worry about correctness).  */
1554   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1555     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1556       {
1557         dr = create_data_ref (nest, ref->mem, ref->stmt, !ref->write_p);
1558
1559         if (dr)
1560           {
1561             ref->reuse_distance = volume;
1562             dr->aux = ref;
1563             VEC_safe_push (data_reference_p, heap, datarefs, dr);
1564           }
1565         else
1566           no_other_refs = false;
1567       }
1568
1569   for (i = 0; VEC_iterate (data_reference_p, datarefs, i, dr); i++)
1570     {
1571       dist = self_reuse_distance (dr, loop_data_size, n, loop);
1572       ref = (struct mem_ref *) dr->aux;
1573       if (ref->reuse_distance > dist)
1574         ref->reuse_distance = dist;
1575
1576       if (no_other_refs)
1577         ref->independent_p = true;
1578     }
1579
1580   compute_all_dependences (datarefs, &dependences, vloops, true);
1581
1582   for (i = 0; VEC_iterate (ddr_p, dependences, i, dep); i++)
1583     {
1584       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_known)
1585         continue;
1586
1587       ref = (struct mem_ref *) DDR_A (dep)->aux;
1588       refb = (struct mem_ref *) DDR_B (dep)->aux;
1589
1590       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_dont_know
1591           || DDR_NUM_DIST_VECTS (dep) == 0)
1592         {
1593           /* If the dependence cannot be analyzed, assume that there might be
1594              a reuse.  */
1595           dist = 0;
1596
1597           ref->independent_p = false;
1598           refb->independent_p = false;
1599         }
1600       else
1601         {
1602           /* The distance vectors are normalized to be always lexicographically
1603              positive, hence we cannot tell just from them whether DDR_A comes
1604              before DDR_B or vice versa.  However, it is not important,
1605              anyway -- if DDR_A is close to DDR_B, then it is either reused in
1606              DDR_B (and it is not nontemporal), or it reuses the value of DDR_B
1607              in cache (and marking it as nontemporal would not affect
1608              anything).  */
1609
1610           dist = volume;
1611           for (j = 0; j < DDR_NUM_DIST_VECTS (dep); j++)
1612             {
1613               adist = volume_of_dist_vector (DDR_DIST_VECT (dep, j),
1614                                              loop_data_size, n);
1615
1616               /* If this is a dependence in the innermost loop (i.e., the
1617                  distances in all superloops are zero) and it is not
1618                  the trivial self-dependence with distance zero, record that
1619                  the references are not completely independent.  */
1620               if (lambda_vector_zerop (DDR_DIST_VECT (dep, j), n - 1)
1621                   && (ref != refb
1622                       || DDR_DIST_VECT (dep, j)[n-1] != 0))
1623                 {
1624                   ref->independent_p = false;
1625                   refb->independent_p = false;
1626                 }
1627
1628               /* Ignore accesses closer than
1629                  L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
1630                  so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory
1631                  location is accessed several times in a single iteration of
1632                  the loop.  */
1633               if (adist < L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)
1634                 continue;
1635
1636               if (adist < dist)
1637                 dist = adist;
1638             }
1639         }
1640
1641       if (ref->reuse_distance > dist)
1642         ref->reuse_distance = dist;
1643       if (refb->reuse_distance > dist)
1644         refb->reuse_distance = dist;
1645     }
1646
1647   free_dependence_relations (dependences);
1648   free_data_refs (datarefs);
1649   free (loop_data_size);
1650
1651   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1652     {
1653       fprintf (dump_file, "Reuse distances:\n");
1654       for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1655         for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1656           fprintf (dump_file, " ref %p distance %u\n",
1657                    (void *) ref, ref->reuse_distance);
1658     }
1659 }
1660
1661 /* Determine whether or not the trip count to ahead ratio is too small based
1662    on prefitablility consideration.
1663    AHEAD: the iteration ahead distance,
1664    EST_NITER: the estimated trip count.  */
1665
1666 static bool
1667 trip_count_to_ahead_ratio_too_small_p (unsigned ahead, HOST_WIDE_INT est_niter)
1668 {
1669   /* Assume trip count to ahead ratio is big enough if the trip count could not
1670      be estimated at compile time.  */
1671   if (est_niter < 0)
1672     return false;
1673
1674   if (est_niter < (HOST_WIDE_INT) (TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO * ahead))
1675     {
1676       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1677         fprintf (dump_file,
1678                  "Not prefetching -- loop estimated to roll only %d times\n",
1679                  (int) est_niter);
1680       return true;
1681     }
1682
1683   return false;
1684 }
1685
1686 /* Determine whether or not the number of memory references in the loop is
1687    reasonable based on the profitablity and compilation time considerations.
1688    NINSNS: estimated number of instructions in the loop,
1689    MEM_REF_COUNT: total number of memory references in the loop.  */
1690
1691 static bool
1692 mem_ref_count_reasonable_p (unsigned ninsns, unsigned mem_ref_count)
1693 {
1694   int insn_to_mem_ratio;
1695
1696   if (mem_ref_count == 0)
1697     return false;
1698
1699   /* Miss rate computation (is_miss_rate_acceptable) and dependence analysis
1700      (compute_all_dependences) have high costs based on quadratic complexity.
1701      To avoid huge compilation time, we give up prefetching if mem_ref_count
1702      is too large.  */
1703   if (mem_ref_count > PREFETCH_MAX_MEM_REFS_PER_LOOP)
1704     return false;
1705
1706   /* Prefetching improves performance by overlapping cache missing
1707      memory accesses with CPU operations.  If the loop does not have
1708      enough CPU operations to overlap with memory operations, prefetching
1709      won't give a significant benefit.  One approximate way of checking
1710      this is to require the ratio of instructions to memory references to
1711      be above a certain limit.  This approximation works well in practice.
1712      TODO: Implement a more precise computation by estimating the time
1713      for each CPU or memory op in the loop. Time estimates for memory ops
1714      should account for cache misses.  */
1715   insn_to_mem_ratio = ninsns / mem_ref_count;
1716
1717   if (insn_to_mem_ratio < PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO)
1718     {
1719       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1720         fprintf (dump_file,
1721                  "Not prefetching -- instruction to memory reference ratio (%d) too small\n",
1722                  insn_to_mem_ratio);
1723       return false;
1724     }
1725
1726   return true;
1727 }
1728
1729 /* Determine whether or not the instruction to prefetch ratio in the loop is
1730    too small based on the profitablity consideration.
1731    NINSNS: estimated number of instructions in the loop,
1732    PREFETCH_COUNT: an estimate of the number of prefetches,
1733    UNROLL_FACTOR:  the factor to unroll the loop if prefetching.  */
1734
1735 static bool
1736 insn_to_prefetch_ratio_too_small_p (unsigned ninsns, unsigned prefetch_count,
1737                                      unsigned unroll_factor)
1738 {
1739   int insn_to_prefetch_ratio;
1740
1741   /* Prefetching most likely causes performance degradation when the instruction
1742      to prefetch ratio is too small.  Too many prefetch instructions in a loop
1743      may reduce the I-cache performance.
1744      (unroll_factor * ninsns) is used to estimate the number of instructions in
1745      the unrolled loop.  This implementation is a bit simplistic -- the number
1746      of issued prefetch instructions is also affected by unrolling.  So,
1747      prefetch_mod and the unroll factor should be taken into account when
1748      determining prefetch_count.  Also, the number of insns of the unrolled
1749      loop will usually be significantly smaller than the number of insns of the
1750      original loop * unroll_factor (at least the induction variable increases
1751      and the exit branches will get eliminated), so it might be better to use
1752      tree_estimate_loop_size + estimated_unrolled_size.  */
1753   insn_to_prefetch_ratio = (unroll_factor * ninsns) / prefetch_count;
1754   if (insn_to_prefetch_ratio < MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO)
1755     {
1756       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1757         fprintf (dump_file,
1758                  "Not prefetching -- instruction to prefetch ratio (%d) too small\n",
1759                  insn_to_prefetch_ratio);
1760       return true;
1761     }
1762
1763   return false;
1764 }
1765
1766
1767 /* Issue prefetch instructions for array references in LOOP.  Returns
1768    true if the LOOP was unrolled.  */
1769
1770 static bool
1771 loop_prefetch_arrays (struct loop *loop)
1772 {
1773   struct mem_ref_group *refs;
1774   unsigned ahead, ninsns, time, unroll_factor;
1775   HOST_WIDE_INT est_niter;
1776   struct tree_niter_desc desc;
1777   bool unrolled = false, no_other_refs;
1778   unsigned prefetch_count;
1779   unsigned mem_ref_count;
1780
1781   if (optimize_loop_nest_for_size_p (loop))
1782     {
1783       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1784         fprintf (dump_file, "  ignored (cold area)\n");
1785       return false;
1786     }
1787
1788   /* FIXME: the time should be weighted by the probabilities of the blocks in
1789      the loop body.  */
1790   time = tree_num_loop_insns (loop, &eni_time_weights);
1791   if (time == 0)
1792     return false;
1793
1794   ahead = (PREFETCH_LATENCY + time - 1) / time;
1795   est_niter = estimated_loop_iterations_int (loop, false);
1796
1797   /* Prefetching is not likely to be profitable if the trip count to ahead
1798      ratio is too small.  */
1799   if (trip_count_to_ahead_ratio_too_small_p (ahead, est_niter))
1800     return false;
1801
1802   ninsns = tree_num_loop_insns (loop, &eni_size_weights);
1803
1804   /* Step 1: gather the memory references.  */
1805   refs = gather_memory_references (loop, &no_other_refs, &mem_ref_count);
1806
1807   /* Give up prefetching if the number of memory references in the
1808      loop is not reasonable based on profitablity and compilation time
1809      considerations.  */
1810   if (!mem_ref_count_reasonable_p (ninsns, mem_ref_count))
1811     goto fail;
1812
1813   /* Step 2: estimate the reuse effects.  */
1814   prune_by_reuse (refs);
1815
1816   if (nothing_to_prefetch_p (refs))
1817     goto fail;
1818
1819   determine_loop_nest_reuse (loop, refs, no_other_refs);
1820
1821   /* Step 3: determine unroll factor.  */
1822   unroll_factor = determine_unroll_factor (loop, refs, ninsns, &desc,
1823                                            est_niter);
1824
1825   /* Estimate prefetch count for the unrolled loop.  */
1826   prefetch_count = estimate_prefetch_count (refs, unroll_factor);
1827   if (prefetch_count == 0)
1828     goto fail;
1829
1830   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1831     fprintf (dump_file, "Ahead %d, unroll factor %d, trip count "
1832              HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC "\n"
1833              "insn count %d, mem ref count %d, prefetch count %d\n",
1834              ahead, unroll_factor, est_niter,
1835              ninsns, mem_ref_count, prefetch_count);
1836
1837   /* Prefetching is not likely to be profitable if the instruction to prefetch
1838      ratio is too small.  */
1839   if (insn_to_prefetch_ratio_too_small_p (ninsns, prefetch_count,
1840                                           unroll_factor))
1841     goto fail;
1842
1843   mark_nontemporal_stores (loop, refs);
1844
1845   /* Step 4: what to prefetch?  */
1846   if (!schedule_prefetches (refs, unroll_factor, ahead))
1847     goto fail;
1848
1849   /* Step 5: unroll the loop.  TODO -- peeling of first and last few
1850      iterations so that we do not issue superfluous prefetches.  */
1851   if (unroll_factor != 1)
1852     {
1853       tree_unroll_loop (loop, unroll_factor,
1854                         single_dom_exit (loop), &desc);
1855       unrolled = true;
1856     }
1857
1858   /* Step 6: issue the prefetches.  */
1859   issue_prefetches (refs, unroll_factor, ahead);
1860
1861 fail:
1862   release_mem_refs (refs);
1863   return unrolled;
1864 }
1865
1866 /* Issue prefetch instructions for array references in loops.  */
1867
1868 unsigned int
1869 tree_ssa_prefetch_arrays (void)
1870 {
1871   loop_iterator li;
1872   struct loop *loop;
1873   bool unrolled = false;
1874   int todo_flags = 0;
1875
1876   if (!HAVE_prefetch
1877       /* It is possible to ask compiler for say -mtune=i486 -march=pentium4.
1878          -mtune=i486 causes us having PREFETCH_BLOCK 0, since this is part
1879          of processor costs and i486 does not have prefetch, but
1880          -march=pentium4 causes HAVE_prefetch to be true.  Ugh.  */
1881       || PREFETCH_BLOCK == 0)
1882     return 0;
1883
1884   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1885     {
1886       fprintf (dump_file, "Prefetching parameters:\n");
1887       fprintf (dump_file, "    simultaneous prefetches: %d\n",
1888                SIMULTANEOUS_PREFETCHES);
1889       fprintf (dump_file, "    prefetch latency: %d\n", PREFETCH_LATENCY);
1890       fprintf (dump_file, "    prefetch block size: %d\n", PREFETCH_BLOCK);
1891       fprintf (dump_file, "    L1 cache size: %d lines, %d kB\n",
1892                L1_CACHE_SIZE_BYTES / L1_CACHE_LINE_SIZE, L1_CACHE_SIZE);
1893       fprintf (dump_file, "    L1 cache line size: %d\n", L1_CACHE_LINE_SIZE);
1894       fprintf (dump_file, "    L2 cache size: %d kB\n", L2_CACHE_SIZE);
1895       fprintf (dump_file, "    min insn-to-prefetch ratio: %d \n",
1896                MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO);
1897       fprintf (dump_file, "    min insn-to-mem ratio: %d \n",
1898                PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO);
1899       fprintf (dump_file, "\n");
1900     }
1901
1902   initialize_original_copy_tables ();
1903
1904   if (!built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH])
1905     {
1906       tree type = build_function_type_list (void_type_node,
1907                                             const_ptr_type_node, NULL_TREE);
1908       tree decl = add_builtin_function ("__builtin_prefetch", type,
1909                                         BUILT_IN_PREFETCH, BUILT_IN_NORMAL,
1910                                         NULL, NULL_TREE);
1911       DECL_IS_NOVOPS (decl) = true;
1912       built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH] = decl;
1913     }
1914
1915   /* We assume that size of cache line is a power of two, so verify this
1916      here.  */
1917   gcc_assert ((PREFETCH_BLOCK & (PREFETCH_BLOCK - 1)) == 0);
1918
1919   FOR_EACH_LOOP (li, loop, LI_FROM_INNERMOST)
1920     {
1921       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1922         fprintf (dump_file, "Processing loop %d:\n", loop->num);
1923
1924       unrolled |= loop_prefetch_arrays (loop);
1925
1926       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1927         fprintf (dump_file, "\n\n");
1928     }
1929
1930   if (unrolled)
1931     {
1932       scev_reset ();
1933       todo_flags |= TODO_cleanup_cfg;
1934     }
1935
1936   free_original_copy_tables ();
1937   return todo_flags;
1938 }