OSDN Git Service

74976167f4a62491e7459283c45af93a37ec0822
[pf3gnuchains/gcc-fork.git] / gcc / tree-ssa-loop-prefetch.c
1 /* Array prefetching.
2    Copyright (C) 2005, 2007, 2008 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 "rtl.h"
26 #include "tm_p.h"
27 #include "hard-reg-set.h"
28 #include "basic-block.h"
29 #include "output.h"
30 #include "diagnostic.h"
31 #include "tree-flow.h"
32 #include "tree-dump.h"
33 #include "timevar.h"
34 #include "cfgloop.h"
35 #include "expr.h"
36 #include "tree-pass.h"
37 #include "ggc.h"
38 #include "insn-config.h"
39 #include "recog.h"
40 #include "hashtab.h"
41 #include "tree-chrec.h"
42 #include "tree-scalar-evolution.h"
43 #include "toplev.h"
44 #include "params.h"
45 #include "langhooks.h"
46 #include "tree-inline.h"
47 #include "tree-data-ref.h"
48 #include "optabs.h"
49
50 /* This pass inserts prefetch instructions to optimize cache usage during
51    accesses to arrays in loops.  It processes loops sequentially and:
52
53    1) Gathers all memory references in the single loop.
54    2) For each of the references it decides when it is profitable to prefetch
55       it.  To do it, we evaluate the reuse among the accesses, and determines
56       two values: PREFETCH_BEFORE (meaning that it only makes sense to do
57       prefetching in the first PREFETCH_BEFORE iterations of the loop) and
58       PREFETCH_MOD (meaning that it only makes sense to prefetch in the
59       iterations of the loop that are zero modulo PREFETCH_MOD).  For example
60       (assuming cache line size is 64 bytes, char has size 1 byte and there
61       is no hardware sequential prefetch):
62
63       char *a;
64       for (i = 0; i < max; i++)
65         {
66           a[255] = ...;         (0)
67           a[i] = ...;           (1)
68           a[i + 64] = ...;      (2)
69           a[16*i] = ...;        (3)
70           a[187*i] = ...;       (4)
71           a[187*i + 50] = ...;  (5)
72         }
73
74        (0) obviously has PREFETCH_BEFORE 1
75        (1) has PREFETCH_BEFORE 64, since (2) accesses the same memory
76            location 64 iterations before it, and PREFETCH_MOD 64 (since
77            it hits the same cache line otherwise).
78        (2) has PREFETCH_MOD 64
79        (3) has PREFETCH_MOD 4
80        (4) has PREFETCH_MOD 1.  We do not set PREFETCH_BEFORE here, since
81            the cache line accessed by (4) is the same with probability only
82            7/32.
83        (5) has PREFETCH_MOD 1 as well.
84
85       Additionally, we use data dependence analysis to determine for each
86       reference the distance till the first reuse; this information is used
87       to determine the temporality of the issued prefetch instruction.
88
89    3) We determine how much ahead we need to prefetch.  The number of
90       iterations needed is time to fetch / time spent in one iteration of
91       the loop.  The problem is that we do not know either of these values,
92       so we just make a heuristic guess based on a magic (possibly)
93       target-specific constant and size of the loop.
94
95    4) Determine which of the references we prefetch.  We take into account
96       that there is a maximum number of simultaneous prefetches (provided
97       by machine description).  We prefetch as many prefetches as possible
98       while still within this bound (starting with those with lowest
99       prefetch_mod, since they are responsible for most of the cache
100       misses).
101
102    5) We unroll and peel loops so that we are able to satisfy PREFETCH_MOD
103       and PREFETCH_BEFORE requirements (within some bounds), and to avoid
104       prefetching nonaccessed memory.
105       TODO -- actually implement peeling.
106
107    6) We actually emit the prefetch instructions.  ??? Perhaps emit the
108       prefetch instructions with guards in cases where 5) was not sufficient
109       to satisfy the constraints?
110
111    The function is_loop_prefetching_profitable() implements a cost model
112    to determine if prefetching is profitable for a given loop. The cost
113    model has two heuristcs:
114    1. A heuristic that determines whether the given loop has enough CPU
115       ops that can be overlapped with cache missing memory ops.
116       If not, the loop won't benefit from prefetching. This is implemented
117       by requirung the ratio between the instruction count and the mem ref
118       count to be above a certain minimum.
119    2. A heuristic that disables prefetching in a loop with an unknown trip
120       count if the prefetching cost is above a certain limit. The relative
121       prefetching cost is estimated by taking the ratio between the
122       prefetch count and the total intruction count (this models the I-cache
123       cost).
124    The limits used in these heuristics are defined as parameters with
125    reasonable default values. Machine-specific default values will be
126    added later.
127
128    Some other TODO:
129       -- write and use more general reuse analysis (that could be also used
130          in other cache aimed loop optimizations)
131       -- make it behave sanely together with the prefetches given by user
132          (now we just ignore them; at the very least we should avoid
133          optimizing loops in that user put his own prefetches)
134       -- we assume cache line size alignment of arrays; this could be
135          improved.  */
136
137 /* Magic constants follow.  These should be replaced by machine specific
138    numbers.  */
139
140 /* True if write can be prefetched by a read prefetch.  */
141
142 #ifndef WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
143 #define WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH 1
144 #endif
145
146 /* True if read can be prefetched by a write prefetch. */
147
148 #ifndef READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
149 #define READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH 0
150 #endif
151
152 /* The size of the block loaded by a single prefetch.  Usually, this is
153    the same as cache line size (at the moment, we only consider one level
154    of cache hierarchy).  */
155
156 #ifndef PREFETCH_BLOCK
157 #define PREFETCH_BLOCK L1_CACHE_LINE_SIZE
158 #endif
159
160 /* Do we have a forward hardware sequential prefetching?  */
161
162 #ifndef HAVE_FORWARD_PREFETCH
163 #define HAVE_FORWARD_PREFETCH 0
164 #endif
165
166 /* Do we have a backward hardware sequential prefetching?  */
167
168 #ifndef HAVE_BACKWARD_PREFETCH
169 #define HAVE_BACKWARD_PREFETCH 0
170 #endif
171
172 /* In some cases we are only able to determine that there is a certain
173    probability that the two accesses hit the same cache line.  In this
174    case, we issue the prefetches for both of them if this probability
175    is less then (1000 - ACCEPTABLE_MISS_RATE) per thousand.  */
176
177 #ifndef ACCEPTABLE_MISS_RATE
178 #define ACCEPTABLE_MISS_RATE 50
179 #endif
180
181 #ifndef HAVE_prefetch
182 #define HAVE_prefetch 0
183 #endif
184
185 #define L1_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L1_CACHE_SIZE * 1024))
186 #define L2_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L2_CACHE_SIZE * 1024))
187
188 /* We consider a memory access nontemporal if it is not reused sooner than
189    after L2_CACHE_SIZE_BYTES of memory are accessed.  However, we ignore
190    accesses closer than L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
191    so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory location
192    is accessed several times in a single iteration of the loop.  */
193 #define NONTEMPORAL_FRACTION 16
194
195 /* In case we have to emit a memory fence instruction after the loop that
196    uses nontemporal stores, this defines the builtin to use.  */
197
198 #ifndef FENCE_FOLLOWING_MOVNT
199 #define FENCE_FOLLOWING_MOVNT NULL_TREE
200 #endif
201
202 /* It is not profitable to prefetch when the trip count is not at
203    least TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO times the prefetch ahead distance.
204    For example, in a loop with a prefetch ahead distance of 10,
205    supposing that TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO is equal to 4, it is
206    profitable to prefetch when the trip count is greater or equal to
207    40.  In that case, 30 out of the 40 iterations will benefit from
208    prefetching.  */
209
210 #ifndef TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO
211 #define TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO 4
212 #endif
213
214 /* The group of references between that reuse may occur.  */
215
216 struct mem_ref_group
217 {
218   tree base;                    /* Base of the reference.  */
219   HOST_WIDE_INT step;           /* Step of the reference.  */
220   struct mem_ref *refs;         /* References in the group.  */
221   struct mem_ref_group *next;   /* Next group of references.  */
222 };
223
224 /* Assigned to PREFETCH_BEFORE when all iterations are to be prefetched.  */
225
226 #define PREFETCH_ALL            (~(unsigned HOST_WIDE_INT) 0)
227
228 /* The memory reference.  */
229
230 struct mem_ref
231 {
232   gimple stmt;                  /* Statement in that the reference appears.  */
233   tree mem;                     /* The reference.  */
234   HOST_WIDE_INT delta;          /* Constant offset of the reference.  */
235   struct mem_ref_group *group;  /* The group of references it belongs to.  */
236   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_mod;
237                                 /* Prefetch only each PREFETCH_MOD-th
238                                    iteration.  */
239   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before;
240                                 /* Prefetch only first PREFETCH_BEFORE
241                                    iterations.  */
242   unsigned reuse_distance;      /* The amount of data accessed before the first
243                                    reuse of this value.  */
244   struct mem_ref *next;         /* The next reference in the group.  */
245   unsigned write_p : 1;         /* Is it a write?  */
246   unsigned independent_p : 1;   /* True if the reference is independent on
247                                    all other references inside the loop.  */
248   unsigned issue_prefetch_p : 1;        /* Should we really issue the prefetch?  */
249   unsigned storent_p : 1;       /* True if we changed the store to a
250                                    nontemporal one.  */
251 };
252
253 /* Dumps information about reference REF to FILE.  */
254
255 static void
256 dump_mem_ref (FILE *file, struct mem_ref *ref)
257 {
258   fprintf (file, "Reference %p:\n", (void *) ref);
259
260   fprintf (file, "  group %p (base ", (void *) ref->group);
261   print_generic_expr (file, ref->group->base, TDF_SLIM);
262   fprintf (file, ", step ");
263   fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, ref->group->step);
264   fprintf (file, ")\n");
265
266   fprintf (file, "  delta ");
267   fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, ref->delta);
268   fprintf (file, "\n");
269
270   fprintf (file, "  %s\n", ref->write_p ? "write" : "read");
271
272   fprintf (file, "\n");
273 }
274
275 /* Finds a group with BASE and STEP in GROUPS, or creates one if it does not
276    exist.  */
277
278 static struct mem_ref_group *
279 find_or_create_group (struct mem_ref_group **groups, tree base,
280                       HOST_WIDE_INT step)
281 {
282   struct mem_ref_group *group;
283
284   for (; *groups; groups = &(*groups)->next)
285     {
286       if ((*groups)->step == step
287           && operand_equal_p ((*groups)->base, base, 0))
288         return *groups;
289
290       /* Keep the list of groups sorted by decreasing step.  */
291       if ((*groups)->step < step)
292         break;
293     }
294
295   group = XNEW (struct mem_ref_group);
296   group->base = base;
297   group->step = step;
298   group->refs = NULL;
299   group->next = *groups;
300   *groups = group;
301
302   return group;
303 }
304
305 /* Records a memory reference MEM in GROUP with offset DELTA and write status
306    WRITE_P.  The reference occurs in statement STMT.  */
307
308 static void
309 record_ref (struct mem_ref_group *group, gimple stmt, tree mem,
310             HOST_WIDE_INT delta, bool write_p)
311 {
312   struct mem_ref **aref;
313
314   /* Do not record the same address twice.  */
315   for (aref = &group->refs; *aref; aref = &(*aref)->next)
316     {
317       /* It does not have to be possible for write reference to reuse the read
318          prefetch, or vice versa.  */
319       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
320           && write_p
321           && !(*aref)->write_p)
322         continue;
323       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
324           && !write_p
325           && (*aref)->write_p)
326         continue;
327
328       if ((*aref)->delta == delta)
329         return;
330     }
331
332   (*aref) = XNEW (struct mem_ref);
333   (*aref)->stmt = stmt;
334   (*aref)->mem = mem;
335   (*aref)->delta = delta;
336   (*aref)->write_p = write_p;
337   (*aref)->prefetch_before = PREFETCH_ALL;
338   (*aref)->prefetch_mod = 1;
339   (*aref)->reuse_distance = 0;
340   (*aref)->issue_prefetch_p = false;
341   (*aref)->group = group;
342   (*aref)->next = NULL;
343   (*aref)->independent_p = false;
344   (*aref)->storent_p = false;
345
346   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
347     dump_mem_ref (dump_file, *aref);
348 }
349
350 /* Release memory references in GROUPS.  */
351
352 static void
353 release_mem_refs (struct mem_ref_group *groups)
354 {
355   struct mem_ref_group *next_g;
356   struct mem_ref *ref, *next_r;
357
358   for (; groups; groups = next_g)
359     {
360       next_g = groups->next;
361       for (ref = groups->refs; ref; ref = next_r)
362         {
363           next_r = ref->next;
364           free (ref);
365         }
366       free (groups);
367     }
368 }
369
370 /* A structure used to pass arguments to idx_analyze_ref.  */
371
372 struct ar_data
373 {
374   struct loop *loop;                    /* Loop of the reference.  */
375   gimple stmt;                          /* Statement of the reference.  */
376   HOST_WIDE_INT *step;                  /* Step of the memory reference.  */
377   HOST_WIDE_INT *delta;                 /* Offset of the memory reference.  */
378 };
379
380 /* Analyzes a single INDEX of a memory reference to obtain information
381    described at analyze_ref.  Callback for for_each_index.  */
382
383 static bool
384 idx_analyze_ref (tree base, tree *index, void *data)
385 {
386   struct ar_data *ar_data = (struct ar_data *) data;
387   tree ibase, step, stepsize;
388   HOST_WIDE_INT istep, idelta = 0, imult = 1;
389   affine_iv iv;
390
391   if (TREE_CODE (base) == MISALIGNED_INDIRECT_REF
392       || TREE_CODE (base) == ALIGN_INDIRECT_REF)
393     return false;
394
395   if (!simple_iv (ar_data->loop, loop_containing_stmt (ar_data->stmt),
396                   *index, &iv, false))
397     return false;
398   ibase = iv.base;
399   step = iv.step;
400
401   if (!cst_and_fits_in_hwi (step))
402     return false;
403   istep = int_cst_value (step);
404
405   if (TREE_CODE (ibase) == POINTER_PLUS_EXPR
406       && cst_and_fits_in_hwi (TREE_OPERAND (ibase, 1)))
407     {
408       idelta = int_cst_value (TREE_OPERAND (ibase, 1));
409       ibase = TREE_OPERAND (ibase, 0);
410     }
411   if (cst_and_fits_in_hwi (ibase))
412     {
413       idelta += int_cst_value (ibase);
414       ibase = build_int_cst (TREE_TYPE (ibase), 0);
415     }
416
417   if (TREE_CODE (base) == ARRAY_REF)
418     {
419       stepsize = array_ref_element_size (base);
420       if (!cst_and_fits_in_hwi (stepsize))
421         return false;
422       imult = int_cst_value (stepsize);
423
424       istep *= imult;
425       idelta *= imult;
426     }
427
428   *ar_data->step += istep;
429   *ar_data->delta += idelta;
430   *index = ibase;
431
432   return true;
433 }
434
435 /* Tries to express REF_P in shape &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and
436    STEP are integer constants and iter is number of iterations of LOOP.  The
437    reference occurs in statement STMT.  Strips nonaddressable component
438    references from REF_P.  */
439
440 static bool
441 analyze_ref (struct loop *loop, tree *ref_p, tree *base,
442              HOST_WIDE_INT *step, HOST_WIDE_INT *delta,
443              gimple stmt)
444 {
445   struct ar_data ar_data;
446   tree off;
447   HOST_WIDE_INT bit_offset;
448   tree ref = *ref_p;
449
450   *step = 0;
451   *delta = 0;
452
453   /* First strip off the component references.  Ignore bitfields.  */
454   if (TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF
455       && DECL_NONADDRESSABLE_P (TREE_OPERAND (ref, 1)))
456     ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
457
458   *ref_p = ref;
459
460   for (; TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF; ref = TREE_OPERAND (ref, 0))
461     {
462       off = DECL_FIELD_BIT_OFFSET (TREE_OPERAND (ref, 1));
463       bit_offset = TREE_INT_CST_LOW (off);
464       gcc_assert (bit_offset % BITS_PER_UNIT == 0);
465
466       *delta += bit_offset / BITS_PER_UNIT;
467     }
468
469   *base = unshare_expr (ref);
470   ar_data.loop = loop;
471   ar_data.stmt = stmt;
472   ar_data.step = step;
473   ar_data.delta = delta;
474   return for_each_index (base, idx_analyze_ref, &ar_data);
475 }
476
477 /* Record a memory reference REF to the list REFS.  The reference occurs in
478    LOOP in statement STMT and it is write if WRITE_P.  Returns true if the
479    reference was recorded, false otherwise.  */
480
481 static bool
482 gather_memory_references_ref (struct loop *loop, struct mem_ref_group **refs,
483                               tree ref, bool write_p, gimple stmt)
484 {
485   tree base;
486   HOST_WIDE_INT step, delta;
487   struct mem_ref_group *agrp;
488
489   if (get_base_address (ref) == NULL)
490     return false;
491
492   if (!analyze_ref (loop, &ref, &base, &step, &delta, stmt))
493     return false;
494
495   /* Now we know that REF = &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and STEP
496      are integer constants.  */
497   agrp = find_or_create_group (refs, base, step);
498   record_ref (agrp, stmt, ref, delta, write_p);
499
500   return true;
501 }
502
503 /* Record the suitable memory references in LOOP.  NO_OTHER_REFS is set to
504    true if there are no other memory references inside the loop.  */
505
506 static struct mem_ref_group *
507 gather_memory_references (struct loop *loop, bool *no_other_refs, unsigned *ref_count)
508 {
509   basic_block *body = get_loop_body_in_dom_order (loop);
510   basic_block bb;
511   unsigned i;
512   gimple_stmt_iterator bsi;
513   gimple stmt;
514   tree lhs, rhs;
515   struct mem_ref_group *refs = NULL;
516
517   *no_other_refs = true;
518   *ref_count = 0;
519
520   /* Scan the loop body in order, so that the former references precede the
521      later ones.  */
522   for (i = 0; i < loop->num_nodes; i++)
523     {
524       bb = body[i];
525       if (bb->loop_father != loop)
526         continue;
527
528       for (bsi = gsi_start_bb (bb); !gsi_end_p (bsi); gsi_next (&bsi))
529         {
530           stmt = gsi_stmt (bsi);
531
532           if (gimple_code (stmt) != GIMPLE_ASSIGN)
533             {
534               if (gimple_vuse (stmt)
535                   || (is_gimple_call (stmt)
536                       && !(gimple_call_flags (stmt) & ECF_CONST)))
537                 *no_other_refs = false;
538               continue;
539             }
540
541           lhs = gimple_assign_lhs (stmt);
542           rhs = gimple_assign_rhs1 (stmt);
543
544           if (REFERENCE_CLASS_P (rhs))
545             {
546             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
547                                                             rhs, false, stmt);
548             *ref_count += 1;
549             }
550           if (REFERENCE_CLASS_P (lhs))
551             {
552             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
553                                                             lhs, true, stmt);
554             *ref_count += 1;
555             }
556         }
557     }
558   free (body);
559
560   return refs;
561 }
562
563 /* Prune the prefetch candidate REF using the self-reuse.  */
564
565 static void
566 prune_ref_by_self_reuse (struct mem_ref *ref)
567 {
568   HOST_WIDE_INT step = ref->group->step;
569   bool backward = step < 0;
570
571   if (step == 0)
572     {
573       /* Prefetch references to invariant address just once.  */
574       ref->prefetch_before = 1;
575       return;
576     }
577
578   if (backward)
579     step = -step;
580
581   if (step > PREFETCH_BLOCK)
582     return;
583
584   if ((backward && HAVE_BACKWARD_PREFETCH)
585       || (!backward && HAVE_FORWARD_PREFETCH))
586     {
587       ref->prefetch_before = 1;
588       return;
589     }
590
591   ref->prefetch_mod = PREFETCH_BLOCK / step;
592 }
593
594 /* Divides X by BY, rounding down.  */
595
596 static HOST_WIDE_INT
597 ddown (HOST_WIDE_INT x, unsigned HOST_WIDE_INT by)
598 {
599   gcc_assert (by > 0);
600
601   if (x >= 0)
602     return x / by;
603   else
604     return (x + by - 1) / by;
605 }
606
607 /* Given a CACHE_LINE_SIZE and two inductive memory references
608    with a common STEP greater than CACHE_LINE_SIZE and an address
609    difference DELTA, compute the probability that they will fall
610    in different cache lines.  DISTINCT_ITERS is the number of
611    distinct iterations after which the pattern repeats itself.
612    ALIGN_UNIT is the unit of alignment in bytes.  */
613
614 static int
615 compute_miss_rate (unsigned HOST_WIDE_INT cache_line_size,
616                    HOST_WIDE_INT step, HOST_WIDE_INT delta,
617                    unsigned HOST_WIDE_INT distinct_iters,
618                    int align_unit)
619 {
620   unsigned align, iter;
621   int total_positions, miss_positions, miss_rate;
622   int address1, address2, cache_line1, cache_line2;
623
624   total_positions = 0;
625   miss_positions = 0;
626
627   /* Iterate through all possible alignments of the first
628      memory reference within its cache line.  */
629   for (align = 0; align < cache_line_size; align += align_unit)
630
631     /* Iterate through all distinct iterations.  */
632     for (iter = 0; iter < distinct_iters; iter++)
633       {
634         address1 = align + step * iter;
635         address2 = address1 + delta;
636         cache_line1 = address1 / cache_line_size;
637         cache_line2 = address2 / cache_line_size;
638         total_positions += 1;
639         if (cache_line1 != cache_line2)
640           miss_positions += 1;
641       }
642   miss_rate = 1000 * miss_positions / total_positions;
643   return miss_rate;
644 }
645
646 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuse with BY.
647    If BY_IS_BEFORE is true, BY is before REF in the loop.  */
648
649 static void
650 prune_ref_by_group_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *by,
651                           bool by_is_before)
652 {
653   HOST_WIDE_INT step = ref->group->step;
654   bool backward = step < 0;
655   HOST_WIDE_INT delta_r = ref->delta, delta_b = by->delta;
656   HOST_WIDE_INT delta = delta_b - delta_r;
657   HOST_WIDE_INT hit_from;
658   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before, prefetch_block;
659   int miss_rate;
660   HOST_WIDE_INT reduced_step;
661   unsigned HOST_WIDE_INT reduced_prefetch_block;
662   tree ref_type;
663   int align_unit;
664
665   if (delta == 0)
666     {
667       /* If the references has the same address, only prefetch the
668          former.  */
669       if (by_is_before)
670         ref->prefetch_before = 0;
671
672       return;
673     }
674
675   if (!step)
676     {
677       /* If the reference addresses are invariant and fall into the
678          same cache line, prefetch just the first one.  */
679       if (!by_is_before)
680         return;
681
682       if (ddown (ref->delta, PREFETCH_BLOCK)
683           != ddown (by->delta, PREFETCH_BLOCK))
684         return;
685
686       ref->prefetch_before = 0;
687       return;
688     }
689
690   /* Only prune the reference that is behind in the array.  */
691   if (backward)
692     {
693       if (delta > 0)
694         return;
695
696       /* Transform the data so that we may assume that the accesses
697          are forward.  */
698       delta = - delta;
699       step = -step;
700       delta_r = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_r;
701       delta_b = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_b;
702     }
703   else
704     {
705       if (delta < 0)
706         return;
707     }
708
709   /* Check whether the two references are likely to hit the same cache
710      line, and how distant the iterations in that it occurs are from
711      each other.  */
712
713   if (step <= PREFETCH_BLOCK)
714     {
715       /* The accesses are sure to meet.  Let us check when.  */
716       hit_from = ddown (delta_b, PREFETCH_BLOCK) * PREFETCH_BLOCK;
717       prefetch_before = (hit_from - delta_r + step - 1) / step;
718
719       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
720         ref->prefetch_before = prefetch_before;
721
722       return;
723     }
724
725   /* A more complicated case with step > prefetch_block.  First reduce
726      the ratio between the step and the cache line size to its simplest
727      terms.  The resulting denominator will then represent the number of
728      distinct iterations after which each address will go back to its
729      initial location within the cache line.  This computation assumes
730      that PREFETCH_BLOCK is a power of two.  */
731   prefetch_block = PREFETCH_BLOCK;
732   reduced_prefetch_block = prefetch_block;
733   reduced_step = step;
734   while ((reduced_step & 1) == 0
735          && reduced_prefetch_block > 1)
736     {
737       reduced_step >>= 1;
738       reduced_prefetch_block >>= 1;
739     }
740
741   prefetch_before = delta / step;
742   delta %= step;
743   ref_type = TREE_TYPE (ref->mem);
744   align_unit = TYPE_ALIGN (ref_type) / 8;
745   miss_rate = compute_miss_rate(prefetch_block, step, delta,
746                                 reduced_prefetch_block, align_unit);
747   if (miss_rate <= ACCEPTABLE_MISS_RATE)
748     {
749       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
750         ref->prefetch_before = prefetch_before;
751
752       return;
753     }
754
755   /* Try also the following iteration.  */
756   prefetch_before++;
757   delta = step - delta;
758   miss_rate = compute_miss_rate(prefetch_block, step, delta,
759                                 reduced_prefetch_block, align_unit);
760   if (miss_rate <= ACCEPTABLE_MISS_RATE)
761     {
762       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
763         ref->prefetch_before = prefetch_before;
764
765       return;
766     }
767
768   /* The ref probably does not reuse by.  */
769   return;
770 }
771
772 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuses with other references
773    in REFS.  */
774
775 static void
776 prune_ref_by_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *refs)
777 {
778   struct mem_ref *prune_by;
779   bool before = true;
780
781   prune_ref_by_self_reuse (ref);
782
783   for (prune_by = refs; prune_by; prune_by = prune_by->next)
784     {
785       if (prune_by == ref)
786         {
787           before = false;
788           continue;
789         }
790
791       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
792           && ref->write_p
793           && !prune_by->write_p)
794         continue;
795       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
796           && !ref->write_p
797           && prune_by->write_p)
798         continue;
799
800       prune_ref_by_group_reuse (ref, prune_by, before);
801     }
802 }
803
804 /* Prune the prefetch candidates in GROUP using the reuse analysis.  */
805
806 static void
807 prune_group_by_reuse (struct mem_ref_group *group)
808 {
809   struct mem_ref *ref_pruned;
810
811   for (ref_pruned = group->refs; ref_pruned; ref_pruned = ref_pruned->next)
812     {
813       prune_ref_by_reuse (ref_pruned, group->refs);
814
815       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
816         {
817           fprintf (dump_file, "Reference %p:", (void *) ref_pruned);
818
819           if (ref_pruned->prefetch_before == PREFETCH_ALL
820               && ref_pruned->prefetch_mod == 1)
821             fprintf (dump_file, " no restrictions");
822           else if (ref_pruned->prefetch_before == 0)
823             fprintf (dump_file, " do not prefetch");
824           else if (ref_pruned->prefetch_before <= ref_pruned->prefetch_mod)
825             fprintf (dump_file, " prefetch once");
826           else
827             {
828               if (ref_pruned->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
829                 {
830                   fprintf (dump_file, " prefetch before ");
831                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
832                            ref_pruned->prefetch_before);
833                 }
834               if (ref_pruned->prefetch_mod != 1)
835                 {
836                   fprintf (dump_file, " prefetch mod ");
837                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
838                            ref_pruned->prefetch_mod);
839                 }
840             }
841           fprintf (dump_file, "\n");
842         }
843     }
844 }
845
846 /* Prune the list of prefetch candidates GROUPS using the reuse analysis.  */
847
848 static void
849 prune_by_reuse (struct mem_ref_group *groups)
850 {
851   for (; groups; groups = groups->next)
852     prune_group_by_reuse (groups);
853 }
854
855 /* Returns true if we should issue prefetch for REF.  */
856
857 static bool
858 should_issue_prefetch_p (struct mem_ref *ref)
859 {
860   /* For now do not issue prefetches for only first few of the
861      iterations.  */
862   if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
863     return false;
864
865   /* Do not prefetch nontemporal stores.  */
866   if (ref->storent_p)
867     return false;
868
869   return true;
870 }
871
872 /* Decide which of the prefetch candidates in GROUPS to prefetch.
873    AHEAD is the number of iterations to prefetch ahead (which corresponds
874    to the number of simultaneous instances of one prefetch running at a
875    time).  UNROLL_FACTOR is the factor by that the loop is going to be
876    unrolled.  Returns true if there is anything to prefetch.  */
877
878 static bool
879 schedule_prefetches (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor,
880                      unsigned ahead)
881 {
882   unsigned remaining_prefetch_slots, n_prefetches, prefetch_slots;
883   unsigned slots_per_prefetch;
884   struct mem_ref *ref;
885   bool any = false;
886
887   /* At most SIMULTANEOUS_PREFETCHES should be running at the same time.  */
888   remaining_prefetch_slots = SIMULTANEOUS_PREFETCHES;
889
890   /* The prefetch will run for AHEAD iterations of the original loop, i.e.,
891      AHEAD / UNROLL_FACTOR iterations of the unrolled loop.  In each iteration,
892      it will need a prefetch slot.  */
893   slots_per_prefetch = (ahead + unroll_factor / 2) / unroll_factor;
894   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
895     fprintf (dump_file, "Each prefetch instruction takes %u prefetch slots.\n",
896              slots_per_prefetch);
897
898   /* For now we just take memory references one by one and issue
899      prefetches for as many as possible.  The groups are sorted
900      starting with the largest step, since the references with
901      large step are more likely to cause many cache misses.  */
902
903   for (; groups; groups = groups->next)
904     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
905       {
906         if (!should_issue_prefetch_p (ref))
907           continue;
908
909         /* If we need to prefetch the reference each PREFETCH_MOD iterations,
910            and we unroll the loop UNROLL_FACTOR times, we need to insert
911            ceil (UNROLL_FACTOR / PREFETCH_MOD) instructions in each
912            iteration.  */
913         n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
914                         / ref->prefetch_mod);
915         prefetch_slots = n_prefetches * slots_per_prefetch;
916
917         /* If more than half of the prefetches would be lost anyway, do not
918            issue the prefetch.  */
919         if (2 * remaining_prefetch_slots < prefetch_slots)
920           continue;
921
922         ref->issue_prefetch_p = true;
923
924         if (remaining_prefetch_slots <= prefetch_slots)
925           return true;
926         remaining_prefetch_slots -= prefetch_slots;
927         any = true;
928       }
929
930   return any;
931 }
932
933 /* Estimate the number of prefetches in the given GROUPS.  */
934
935 static int
936 estimate_prefetch_count (struct mem_ref_group *groups)
937 {
938   struct mem_ref *ref;
939   int prefetch_count = 0;
940
941   for (; groups; groups = groups->next)
942     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
943       if (should_issue_prefetch_p (ref))
944           prefetch_count++;
945
946   return prefetch_count;
947 }
948
949 /* Issue prefetches for the reference REF into loop as decided before.
950    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR
951    is the factor by which LOOP was unrolled.  */
952
953 static void
954 issue_prefetch_ref (struct mem_ref *ref, unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
955 {
956   HOST_WIDE_INT delta;
957   tree addr, addr_base, write_p, local;
958   gimple prefetch;
959   gimple_stmt_iterator bsi;
960   unsigned n_prefetches, ap;
961   bool nontemporal = ref->reuse_distance >= L2_CACHE_SIZE_BYTES;
962
963   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
964     fprintf (dump_file, "Issued%s prefetch for %p.\n",
965              nontemporal ? " nontemporal" : "",
966              (void *) ref);
967
968   bsi = gsi_for_stmt (ref->stmt);
969
970   n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
971                   / ref->prefetch_mod);
972   addr_base = build_fold_addr_expr_with_type (ref->mem, ptr_type_node);
973   addr_base = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr_base),
974                                         true, NULL, true, GSI_SAME_STMT);
975   write_p = ref->write_p ? integer_one_node : integer_zero_node;
976   local = build_int_cst (integer_type_node, nontemporal ? 0 : 3);
977
978   for (ap = 0; ap < n_prefetches; ap++)
979     {
980       /* Determine the address to prefetch.  */
981       delta = (ahead + ap * ref->prefetch_mod) * ref->group->step;
982       addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node,
983                           addr_base, size_int (delta));
984       addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true, NULL,
985                                        true, GSI_SAME_STMT);
986
987       /* Create the prefetch instruction.  */
988       prefetch = gimple_build_call (built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH],
989                                     3, addr, write_p, local);
990       gsi_insert_before (&bsi, prefetch, GSI_SAME_STMT);
991     }
992 }
993
994 /* Issue prefetches for the references in GROUPS into loop as decided before.
995    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR is the
996    factor by that LOOP was unrolled.  */
997
998 static void
999 issue_prefetches (struct mem_ref_group *groups,
1000                   unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1001 {
1002   struct mem_ref *ref;
1003
1004   for (; groups; groups = groups->next)
1005     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1006       if (ref->issue_prefetch_p)
1007         issue_prefetch_ref (ref, unroll_factor, ahead);
1008 }
1009
1010 /* Returns true if REF is a memory write for that a nontemporal store insn
1011    can be used.  */
1012
1013 static bool
1014 nontemporal_store_p (struct mem_ref *ref)
1015 {
1016   enum machine_mode mode;
1017   enum insn_code code;
1018
1019   /* REF must be a write that is not reused.  We require it to be independent
1020      on all other memory references in the loop, as the nontemporal stores may
1021      be reordered with respect to other memory references.  */
1022   if (!ref->write_p
1023       || !ref->independent_p
1024       || ref->reuse_distance < L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1025     return false;
1026
1027   /* Check that we have the storent instruction for the mode.  */
1028   mode = TYPE_MODE (TREE_TYPE (ref->mem));
1029   if (mode == BLKmode)
1030     return false;
1031
1032   code = optab_handler (storent_optab, mode)->insn_code;
1033   return code != CODE_FOR_nothing;
1034 }
1035
1036 /* If REF is a nontemporal store, we mark the corresponding modify statement
1037    and return true.  Otherwise, we return false.  */
1038
1039 static bool
1040 mark_nontemporal_store (struct mem_ref *ref)
1041 {
1042   if (!nontemporal_store_p (ref))
1043     return false;
1044
1045   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1046     fprintf (dump_file, "Marked reference %p as a nontemporal store.\n",
1047              (void *) ref);
1048
1049   gimple_assign_set_nontemporal_move (ref->stmt, true);
1050   ref->storent_p = true;
1051
1052   return true;
1053 }
1054
1055 /* Issue a memory fence instruction after LOOP.  */
1056
1057 static void
1058 emit_mfence_after_loop (struct loop *loop)
1059 {
1060   VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1061   edge exit;
1062   gimple call;
1063   gimple_stmt_iterator bsi;
1064   unsigned i;
1065
1066   for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1067     {
1068       call = gimple_build_call (FENCE_FOLLOWING_MOVNT, 0);
1069
1070       if (!single_pred_p (exit->dest)
1071           /* If possible, we prefer not to insert the fence on other paths
1072              in cfg.  */
1073           && !(exit->flags & EDGE_ABNORMAL))
1074         split_loop_exit_edge (exit);
1075       bsi = gsi_after_labels (exit->dest);
1076
1077       gsi_insert_before (&bsi, call, GSI_NEW_STMT);
1078       mark_virtual_ops_for_renaming (call);
1079     }
1080
1081   VEC_free (edge, heap, exits);
1082   update_ssa (TODO_update_ssa_only_virtuals);
1083 }
1084
1085 /* Returns true if we can use storent in loop, false otherwise.  */
1086
1087 static bool
1088 may_use_storent_in_loop_p (struct loop *loop)
1089 {
1090   bool ret = true;
1091
1092   if (loop->inner != NULL)
1093     return false;
1094
1095   /* If we must issue a mfence insn after using storent, check that there
1096      is a suitable place for it at each of the loop exits.  */
1097   if (FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1098     {
1099       VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1100       unsigned i;
1101       edge exit;
1102
1103       for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1104         if ((exit->flags & EDGE_ABNORMAL)
1105             && exit->dest == EXIT_BLOCK_PTR)
1106           ret = false;
1107
1108       VEC_free (edge, heap, exits);
1109     }
1110
1111   return ret;
1112 }
1113
1114 /* Marks nontemporal stores in LOOP.  GROUPS contains the description of memory
1115    references in the loop.  */
1116
1117 static void
1118 mark_nontemporal_stores (struct loop *loop, struct mem_ref_group *groups)
1119 {
1120   struct mem_ref *ref;
1121   bool any = false;
1122
1123   if (!may_use_storent_in_loop_p (loop))
1124     return;
1125
1126   for (; groups; groups = groups->next)
1127     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1128       any |= mark_nontemporal_store (ref);
1129
1130   if (any && FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1131     emit_mfence_after_loop (loop);
1132 }
1133
1134 /* Determines whether we can profitably unroll LOOP FACTOR times, and if
1135    this is the case, fill in DESC by the description of number of
1136    iterations.  */
1137
1138 static bool
1139 should_unroll_loop_p (struct loop *loop, struct tree_niter_desc *desc,
1140                       unsigned factor)
1141 {
1142   if (!can_unroll_loop_p (loop, factor, desc))
1143     return false;
1144
1145   /* We only consider loops without control flow for unrolling.  This is not
1146      a hard restriction -- tree_unroll_loop works with arbitrary loops
1147      as well; but the unrolling/prefetching is usually more profitable for
1148      loops consisting of a single basic block, and we want to limit the
1149      code growth.  */
1150   if (loop->num_nodes > 2)
1151     return false;
1152
1153   return true;
1154 }
1155
1156 /* Determine the coefficient by that unroll LOOP, from the information
1157    contained in the list of memory references REFS.  Description of
1158    umber of iterations of LOOP is stored to DESC.  NINSNS is the number of
1159    insns of the LOOP.  EST_NITER is the estimated number of iterations of
1160    the loop, or -1 if no estimate is available.  */
1161
1162 static unsigned
1163 determine_unroll_factor (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1164                          unsigned ninsns, struct tree_niter_desc *desc,
1165                          HOST_WIDE_INT est_niter)
1166 {
1167   unsigned upper_bound;
1168   unsigned nfactor, factor, mod_constraint;
1169   struct mem_ref_group *agp;
1170   struct mem_ref *ref;
1171
1172   /* First check whether the loop is not too large to unroll.  We ignore
1173      PARAM_MAX_UNROLL_TIMES, because for small loops, it prevented us
1174      from unrolling them enough to make exactly one cache line covered by each
1175      iteration.  Also, the goal of PARAM_MAX_UNROLL_TIMES is to prevent
1176      us from unrolling the loops too many times in cases where we only expect
1177      gains from better scheduling and decreasing loop overhead, which is not
1178      the case here.  */
1179   upper_bound = PARAM_VALUE (PARAM_MAX_UNROLLED_INSNS) / ninsns;
1180
1181   /* If we unrolled the loop more times than it iterates, the unrolled version
1182      of the loop would be never entered.  */
1183   if (est_niter >= 0 && est_niter < (HOST_WIDE_INT) upper_bound)
1184     upper_bound = est_niter;
1185
1186   if (upper_bound <= 1)
1187     return 1;
1188
1189   /* Choose the factor so that we may prefetch each cache just once,
1190      but bound the unrolling by UPPER_BOUND.  */
1191   factor = 1;
1192   for (agp = refs; agp; agp = agp->next)
1193     for (ref = agp->refs; ref; ref = ref->next)
1194       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1195         {
1196           mod_constraint = ref->prefetch_mod;
1197           nfactor = least_common_multiple (mod_constraint, factor);
1198           if (nfactor <= upper_bound)
1199             factor = nfactor;
1200         }
1201
1202   if (!should_unroll_loop_p (loop, desc, factor))
1203     return 1;
1204
1205   return factor;
1206 }
1207
1208 /* Returns the total volume of the memory references REFS, taking into account
1209    reuses in the innermost loop and cache line size.  TODO -- we should also
1210    take into account reuses across the iterations of the loops in the loop
1211    nest.  */
1212
1213 static unsigned
1214 volume_of_references (struct mem_ref_group *refs)
1215 {
1216   unsigned volume = 0;
1217   struct mem_ref_group *gr;
1218   struct mem_ref *ref;
1219
1220   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1221     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1222       {
1223         /* Almost always reuses another value?  */
1224         if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
1225           continue;
1226
1227         /* If several iterations access the same cache line, use the size of
1228            the line divided by this number.  Otherwise, a cache line is
1229            accessed in each iteration.  TODO -- in the latter case, we should
1230            take the size of the reference into account, rounding it up on cache
1231            line size multiple.  */
1232         volume += L1_CACHE_LINE_SIZE / ref->prefetch_mod;
1233       }
1234   return volume;
1235 }
1236
1237 /* Returns the volume of memory references accessed across VEC iterations of
1238    loops, whose sizes are described in the LOOP_SIZES array.  N is the number
1239    of the loops in the nest (length of VEC and LOOP_SIZES vectors).  */
1240
1241 static unsigned
1242 volume_of_dist_vector (lambda_vector vec, unsigned *loop_sizes, unsigned n)
1243 {
1244   unsigned i;
1245
1246   for (i = 0; i < n; i++)
1247     if (vec[i] != 0)
1248       break;
1249
1250   if (i == n)
1251     return 0;
1252
1253   gcc_assert (vec[i] > 0);
1254
1255   /* We ignore the parts of the distance vector in subloops, since usually
1256      the numbers of iterations are much smaller.  */
1257   return loop_sizes[i] * vec[i];
1258 }
1259
1260 /* Add the steps of ACCESS_FN multiplied by STRIDE to the array STRIDE
1261    at the position corresponding to the loop of the step.  N is the depth
1262    of the considered loop nest, and, LOOP is its innermost loop.  */
1263
1264 static void
1265 add_subscript_strides (tree access_fn, unsigned stride,
1266                        HOST_WIDE_INT *strides, unsigned n, struct loop *loop)
1267 {
1268   struct loop *aloop;
1269   tree step;
1270   HOST_WIDE_INT astep;
1271   unsigned min_depth = loop_depth (loop) - n;
1272
1273   while (TREE_CODE (access_fn) == POLYNOMIAL_CHREC)
1274     {
1275       aloop = get_chrec_loop (access_fn);
1276       step = CHREC_RIGHT (access_fn);
1277       access_fn = CHREC_LEFT (access_fn);
1278
1279       if ((unsigned) loop_depth (aloop) <= min_depth)
1280         continue;
1281
1282       if (host_integerp (step, 0))
1283         astep = tree_low_cst (step, 0);
1284       else
1285         astep = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1286
1287       strides[n - 1 - loop_depth (loop) + loop_depth (aloop)] += astep * stride;
1288
1289     }
1290 }
1291
1292 /* Returns the volume of memory references accessed between two consecutive
1293    self-reuses of the reference DR.  We consider the subscripts of DR in N
1294    loops, and LOOP_SIZES contains the volumes of accesses in each of the
1295    loops.  LOOP is the innermost loop of the current loop nest.  */
1296
1297 static unsigned
1298 self_reuse_distance (data_reference_p dr, unsigned *loop_sizes, unsigned n,
1299                      struct loop *loop)
1300 {
1301   tree stride, access_fn;
1302   HOST_WIDE_INT *strides, astride;
1303   VEC (tree, heap) *access_fns;
1304   tree ref = DR_REF (dr);
1305   unsigned i, ret = ~0u;
1306
1307   /* In the following example:
1308
1309      for (i = 0; i < N; i++)
1310        for (j = 0; j < N; j++)
1311          use (a[j][i]);
1312      the same cache line is accessed each N steps (except if the change from
1313      i to i + 1 crosses the boundary of the cache line).  Thus, for self-reuse,
1314      we cannot rely purely on the results of the data dependence analysis.
1315
1316      Instead, we compute the stride of the reference in each loop, and consider
1317      the innermost loop in that the stride is less than cache size.  */
1318
1319   strides = XCNEWVEC (HOST_WIDE_INT, n);
1320   access_fns = DR_ACCESS_FNS (dr);
1321
1322   for (i = 0; VEC_iterate (tree, access_fns, i, access_fn); i++)
1323     {
1324       /* Keep track of the reference corresponding to the subscript, so that we
1325          know its stride.  */
1326       while (handled_component_p (ref) && TREE_CODE (ref) != ARRAY_REF)
1327         ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1328
1329       if (TREE_CODE (ref) == ARRAY_REF)
1330         {
1331           stride = TYPE_SIZE_UNIT (TREE_TYPE (ref));
1332           if (host_integerp (stride, 1))
1333             astride = tree_low_cst (stride, 1);
1334           else
1335             astride = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1336
1337           ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1338         }
1339       else
1340         astride = 1;
1341
1342       add_subscript_strides (access_fn, astride, strides, n, loop);
1343     }
1344
1345   for (i = n; i-- > 0; )
1346     {
1347       unsigned HOST_WIDE_INT s;
1348
1349       s = strides[i] < 0 ?  -strides[i] : strides[i];
1350
1351       if (s < (unsigned) L1_CACHE_LINE_SIZE
1352           && (loop_sizes[i]
1353               > (unsigned) (L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)))
1354         {
1355           ret = loop_sizes[i];
1356           break;
1357         }
1358     }
1359
1360   free (strides);
1361   return ret;
1362 }
1363
1364 /* Determines the distance till the first reuse of each reference in REFS
1365    in the loop nest of LOOP.  NO_OTHER_REFS is true if there are no other
1366    memory references in the loop.  */
1367
1368 static void
1369 determine_loop_nest_reuse (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1370                            bool no_other_refs)
1371 {
1372   struct loop *nest, *aloop;
1373   VEC (data_reference_p, heap) *datarefs = NULL;
1374   VEC (ddr_p, heap) *dependences = NULL;
1375   struct mem_ref_group *gr;
1376   struct mem_ref *ref, *refb;
1377   VEC (loop_p, heap) *vloops = NULL;
1378   unsigned *loop_data_size;
1379   unsigned i, j, n;
1380   unsigned volume, dist, adist;
1381   HOST_WIDE_INT vol;
1382   data_reference_p dr;
1383   ddr_p dep;
1384
1385   if (loop->inner)
1386     return;
1387
1388   /* Find the outermost loop of the loop nest of loop (we require that
1389      there are no sibling loops inside the nest).  */
1390   nest = loop;
1391   while (1)
1392     {
1393       aloop = loop_outer (nest);
1394
1395       if (aloop == current_loops->tree_root
1396           || aloop->inner->next)
1397         break;
1398
1399       nest = aloop;
1400     }
1401
1402   /* For each loop, determine the amount of data accessed in each iteration.
1403      We use this to estimate whether the reference is evicted from the
1404      cache before its reuse.  */
1405   find_loop_nest (nest, &vloops);
1406   n = VEC_length (loop_p, vloops);
1407   loop_data_size = XNEWVEC (unsigned, n);
1408   volume = volume_of_references (refs);
1409   i = n;
1410   while (i-- != 0)
1411     {
1412       loop_data_size[i] = volume;
1413       /* Bound the volume by the L2 cache size, since above this bound,
1414          all dependence distances are equivalent.  */
1415       if (volume > L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1416         continue;
1417
1418       aloop = VEC_index (loop_p, vloops, i);
1419       vol = estimated_loop_iterations_int (aloop, false);
1420       if (vol < 0)
1421         vol = expected_loop_iterations (aloop);
1422       volume *= vol;
1423     }
1424
1425   /* Prepare the references in the form suitable for data dependence
1426      analysis.  We ignore unanalyzable data references (the results
1427      are used just as a heuristics to estimate temporality of the
1428      references, hence we do not need to worry about correctness).  */
1429   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1430     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1431       {
1432         dr = create_data_ref (nest, ref->mem, ref->stmt, !ref->write_p);
1433
1434         if (dr)
1435           {
1436             ref->reuse_distance = volume;
1437             dr->aux = ref;
1438             VEC_safe_push (data_reference_p, heap, datarefs, dr);
1439           }
1440         else
1441           no_other_refs = false;
1442       }
1443
1444   for (i = 0; VEC_iterate (data_reference_p, datarefs, i, dr); i++)
1445     {
1446       dist = self_reuse_distance (dr, loop_data_size, n, loop);
1447       ref = (struct mem_ref *) dr->aux;
1448       if (ref->reuse_distance > dist)
1449         ref->reuse_distance = dist;
1450
1451       if (no_other_refs)
1452         ref->independent_p = true;
1453     }
1454
1455   compute_all_dependences (datarefs, &dependences, vloops, true);
1456
1457   for (i = 0; VEC_iterate (ddr_p, dependences, i, dep); i++)
1458     {
1459       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_known)
1460         continue;
1461
1462       ref = (struct mem_ref *) DDR_A (dep)->aux;
1463       refb = (struct mem_ref *) DDR_B (dep)->aux;
1464
1465       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_dont_know
1466           || DDR_NUM_DIST_VECTS (dep) == 0)
1467         {
1468           /* If the dependence cannot be analyzed, assume that there might be
1469              a reuse.  */
1470           dist = 0;
1471
1472           ref->independent_p = false;
1473           refb->independent_p = false;
1474         }
1475       else
1476         {
1477           /* The distance vectors are normalized to be always lexicographically
1478              positive, hence we cannot tell just from them whether DDR_A comes
1479              before DDR_B or vice versa.  However, it is not important,
1480              anyway -- if DDR_A is close to DDR_B, then it is either reused in
1481              DDR_B (and it is not nontemporal), or it reuses the value of DDR_B
1482              in cache (and marking it as nontemporal would not affect
1483              anything).  */
1484
1485           dist = volume;
1486           for (j = 0; j < DDR_NUM_DIST_VECTS (dep); j++)
1487             {
1488               adist = volume_of_dist_vector (DDR_DIST_VECT (dep, j),
1489                                              loop_data_size, n);
1490
1491               /* If this is a dependence in the innermost loop (i.e., the
1492                  distances in all superloops are zero) and it is not
1493                  the trivial self-dependence with distance zero, record that
1494                  the references are not completely independent.  */
1495               if (lambda_vector_zerop (DDR_DIST_VECT (dep, j), n - 1)
1496                   && (ref != refb
1497                       || DDR_DIST_VECT (dep, j)[n-1] != 0))
1498                 {
1499                   ref->independent_p = false;
1500                   refb->independent_p = false;
1501                 }
1502
1503               /* Ignore accesses closer than
1504                  L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
1505                  so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory
1506                  location is accessed several times in a single iteration of
1507                  the loop.  */
1508               if (adist < L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)
1509                 continue;
1510
1511               if (adist < dist)
1512                 dist = adist;
1513             }
1514         }
1515
1516       if (ref->reuse_distance > dist)
1517         ref->reuse_distance = dist;
1518       if (refb->reuse_distance > dist)
1519         refb->reuse_distance = dist;
1520     }
1521
1522   free_dependence_relations (dependences);
1523   free_data_refs (datarefs);
1524   free (loop_data_size);
1525
1526   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1527     {
1528       fprintf (dump_file, "Reuse distances:\n");
1529       for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1530         for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1531           fprintf (dump_file, " ref %p distance %u\n",
1532                    (void *) ref, ref->reuse_distance);
1533     }
1534 }
1535
1536 /* Do a cost-benefit analysis to determine if prefetching is profitable
1537    for the current loop given the following parameters:
1538    AHEAD: the iteration ahead distance,
1539    EST_NITER: the estimated trip count,
1540    NINSNS: estimated number of instructions in the loop,
1541    PREFETCH_COUNT: an estimate of the number of prefetches
1542    MEM_REF_COUNT: total number of memory references in the loop.  */
1543
1544 static bool
1545 is_loop_prefetching_profitable (unsigned ahead, HOST_WIDE_INT est_niter,
1546                                 unsigned ninsns, unsigned prefetch_count,
1547                                 unsigned mem_ref_count, unsigned unroll_factor)
1548 {
1549   int insn_to_mem_ratio, insn_to_prefetch_ratio;
1550
1551   if (mem_ref_count == 0)
1552     return false;
1553
1554   /* Prefetching improves performance by overlapping cache missing
1555      memory accesses with CPU operations.  If the loop does not have
1556      enough CPU operations to overlap with memory operations, prefetching
1557      won't give a significant benefit.  One approximate way of checking
1558      this is to require the ratio of instructions to memory references to
1559      be above a certain limit.  This approximation works well in practice.
1560      TODO: Implement a more precise computation by estimating the time
1561      for each CPU or memory op in the loop. Time estimates for memory ops
1562      should account for cache misses.  */
1563   insn_to_mem_ratio = ninsns / mem_ref_count;
1564
1565   if (insn_to_mem_ratio < PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO)
1566     {
1567       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1568         fprintf (dump_file,
1569                  "Not prefetching -- instruction to memory reference ratio (%d) too small\n",
1570                  insn_to_mem_ratio);
1571       return false;
1572     }
1573
1574   /* Profitability of prefetching is highly dependent on the trip count.
1575      For a given AHEAD distance, the first AHEAD iterations do not benefit
1576      from prefetching, and the last AHEAD iterations execute useless
1577      prefetches.  So, if the trip count is not large enough relative to AHEAD,
1578      prefetching may cause serious performance degradation.  To avoid this
1579      problem when the trip count is not known at compile time, we
1580      conservatively skip loops with high prefetching costs.  For now, only
1581      the I-cache cost is considered.  The relative I-cache cost is estimated
1582      by taking the ratio between the number of prefetches and the total
1583      number of instructions.  Since we are using integer arithmetic, we
1584      compute the reciprocal of this ratio.
1585      (unroll_factor * ninsns) is used to estimate the number of instructions in
1586      the unrolled loop.  This implementation is a bit simplistic -- the number
1587      of issued prefetch instructions is also affected by unrolling.  So,
1588      prefetch_mod and the unroll factor should be taken into account when
1589      determining prefetch_count.  Also, the number of insns of the unrolled
1590      loop will usually be significantly smaller than the number of insns of the
1591      original loop * unroll_factor (at least the induction variable increases
1592      and the exit branches will get eliminated), so it might be better to use
1593      tree_estimate_loop_size + estimated_unrolled_size.  */
1594   if (est_niter < 0)
1595     {
1596       insn_to_prefetch_ratio = (unroll_factor * ninsns) / prefetch_count;
1597       return insn_to_prefetch_ratio >= MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO;
1598     }
1599
1600   if (est_niter < (HOST_WIDE_INT) (TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO * ahead))
1601     {
1602       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1603         fprintf (dump_file,
1604                  "Not prefetching -- loop estimated to roll only %d times\n",
1605                  (int) est_niter);
1606       return false;
1607     }
1608   return true;
1609 }
1610
1611
1612 /* Issue prefetch instructions for array references in LOOP.  Returns
1613    true if the LOOP was unrolled.  */
1614
1615 static bool
1616 loop_prefetch_arrays (struct loop *loop)
1617 {
1618   struct mem_ref_group *refs;
1619   unsigned ahead, ninsns, time, unroll_factor;
1620   HOST_WIDE_INT est_niter;
1621   struct tree_niter_desc desc;
1622   bool unrolled = false, no_other_refs;
1623   unsigned prefetch_count;
1624   unsigned mem_ref_count;
1625
1626   if (optimize_loop_nest_for_size_p (loop))
1627     {
1628       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1629         fprintf (dump_file, "  ignored (cold area)\n");
1630       return false;
1631     }
1632
1633   /* Step 1: gather the memory references.  */
1634   refs = gather_memory_references (loop, &no_other_refs, &mem_ref_count);
1635
1636   /* Step 2: estimate the reuse effects.  */
1637   prune_by_reuse (refs);
1638
1639   prefetch_count = estimate_prefetch_count (refs);
1640   if (prefetch_count == 0)
1641     goto fail;
1642
1643   determine_loop_nest_reuse (loop, refs, no_other_refs);
1644
1645   /* Step 3: determine the ahead and unroll factor.  */
1646
1647   /* FIXME: the time should be weighted by the probabilities of the blocks in
1648      the loop body.  */
1649   time = tree_num_loop_insns (loop, &eni_time_weights);
1650   ahead = (PREFETCH_LATENCY + time - 1) / time;
1651   est_niter = estimated_loop_iterations_int (loop, false);
1652
1653   ninsns = tree_num_loop_insns (loop, &eni_size_weights);
1654   unroll_factor = determine_unroll_factor (loop, refs, ninsns, &desc,
1655                                            est_niter);
1656   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1657     fprintf (dump_file, "Ahead %d, unroll factor %d, trip count "
1658              HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC "\n"
1659              "insn count %d, mem ref count %d, prefetch count %d\n",
1660              ahead, unroll_factor, est_niter,
1661              ninsns, mem_ref_count, prefetch_count);
1662
1663   if (!is_loop_prefetching_profitable (ahead, est_niter, ninsns, prefetch_count,
1664                                        mem_ref_count, unroll_factor))
1665     goto fail;
1666
1667   mark_nontemporal_stores (loop, refs);
1668
1669   /* Step 4: what to prefetch?  */
1670   if (!schedule_prefetches (refs, unroll_factor, ahead))
1671     goto fail;
1672
1673   /* Step 5: unroll the loop.  TODO -- peeling of first and last few
1674      iterations so that we do not issue superfluous prefetches.  */
1675   if (unroll_factor != 1)
1676     {
1677       tree_unroll_loop (loop, unroll_factor,
1678                         single_dom_exit (loop), &desc);
1679       unrolled = true;
1680     }
1681
1682   /* Step 6: issue the prefetches.  */
1683   issue_prefetches (refs, unroll_factor, ahead);
1684
1685 fail:
1686   release_mem_refs (refs);
1687   return unrolled;
1688 }
1689
1690 /* Issue prefetch instructions for array references in loops.  */
1691
1692 unsigned int
1693 tree_ssa_prefetch_arrays (void)
1694 {
1695   loop_iterator li;
1696   struct loop *loop;
1697   bool unrolled = false;
1698   int todo_flags = 0;
1699
1700   if (!HAVE_prefetch
1701       /* It is possible to ask compiler for say -mtune=i486 -march=pentium4.
1702          -mtune=i486 causes us having PREFETCH_BLOCK 0, since this is part
1703          of processor costs and i486 does not have prefetch, but
1704          -march=pentium4 causes HAVE_prefetch to be true.  Ugh.  */
1705       || PREFETCH_BLOCK == 0)
1706     return 0;
1707
1708   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1709     {
1710       fprintf (dump_file, "Prefetching parameters:\n");
1711       fprintf (dump_file, "    simultaneous prefetches: %d\n",
1712                SIMULTANEOUS_PREFETCHES);
1713       fprintf (dump_file, "    prefetch latency: %d\n", PREFETCH_LATENCY);
1714       fprintf (dump_file, "    prefetch block size: %d\n", PREFETCH_BLOCK);
1715       fprintf (dump_file, "    L1 cache size: %d lines, %d kB\n",
1716                L1_CACHE_SIZE_BYTES / L1_CACHE_LINE_SIZE, L1_CACHE_SIZE);
1717       fprintf (dump_file, "    L1 cache line size: %d\n", L1_CACHE_LINE_SIZE);
1718       fprintf (dump_file, "    L2 cache size: %d kB\n", L2_CACHE_SIZE);
1719       fprintf (dump_file, "    min insn-to-prefetch ratio: %d \n",
1720                MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO);
1721       fprintf (dump_file, "    min insn-to-mem ratio: %d \n",
1722                PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO);
1723       fprintf (dump_file, "\n");
1724     }
1725
1726   initialize_original_copy_tables ();
1727
1728   if (!built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH])
1729     {
1730       tree type = build_function_type (void_type_node,
1731                                        tree_cons (NULL_TREE,
1732                                                   const_ptr_type_node,
1733                                                   NULL_TREE));
1734       tree decl = add_builtin_function ("__builtin_prefetch", type,
1735                                         BUILT_IN_PREFETCH, BUILT_IN_NORMAL,
1736                                         NULL, NULL_TREE);
1737       DECL_IS_NOVOPS (decl) = true;
1738       built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH] = decl;
1739     }
1740
1741   /* We assume that size of cache line is a power of two, so verify this
1742      here.  */
1743   gcc_assert ((PREFETCH_BLOCK & (PREFETCH_BLOCK - 1)) == 0);
1744
1745   FOR_EACH_LOOP (li, loop, LI_FROM_INNERMOST)
1746     {
1747       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1748         fprintf (dump_file, "Processing loop %d:\n", loop->num);
1749
1750       unrolled |= loop_prefetch_arrays (loop);
1751
1752       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1753         fprintf (dump_file, "\n\n");
1754     }
1755
1756   if (unrolled)
1757     {
1758       scev_reset ();
1759       todo_flags |= TODO_cleanup_cfg;
1760     }
1761
1762   free_original_copy_tables ();
1763   return todo_flags;
1764 }