OSDN Git Service

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