OSDN Git Service

2010-07-05 Richard Guenther <rguenther@suse.de>
[pf3gnuchains/gcc-fork.git] / gcc / tree-ssa-loop-prefetch.c
1 /* Array prefetching.
2    Copyright (C) 2005, 2007, 2008, 2009, 2010 Free Software Foundation, Inc.
3
4 This file is part of GCC.
5
6 GCC is free software; you can redistribute it and/or modify it
7 under the terms of the GNU General Public License as published by the
8 Free Software Foundation; either version 3, or (at your option) any
9 later version.
10
11 GCC is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
12 ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
13 FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License
14 for more details.
15
16 You should have received a copy of the GNU General Public License
17 along with GCC; see the file COPYING3.  If not see
18 <http://www.gnu.org/licenses/>.  */
19
20 #include "config.h"
21 #include "system.h"
22 #include "coretypes.h"
23 #include "tm.h"
24 #include "tree.h"
25 #include "tm_p.h"
26 #include "basic-block.h"
27 #include "output.h"
28 #include "tree-pretty-print.h"
29 #include "tree-flow.h"
30 #include "tree-dump.h"
31 #include "timevar.h"
32 #include "cfgloop.h"
33 #include "tree-pass.h"
34 #include "insn-config.h"
35 #include "recog.h"
36 #include "hashtab.h"
37 #include "tree-chrec.h"
38 #include "tree-scalar-evolution.h"
39 #include "toplev.h"
40 #include "params.h"
41 #include "langhooks.h"
42 #include "tree-inline.h"
43 #include "tree-data-ref.h"
44
45
46 /* FIXME: Needed for optabs, but this should all be moved to a TBD interface
47    between the GIMPLE and RTL worlds.  */
48 #include "expr.h"
49 #include "optabs.h"
50
51 /* This pass inserts prefetch instructions to optimize cache usage during
52    accesses to arrays in loops.  It processes loops sequentially and:
53
54    1) Gathers all memory references in the single loop.
55    2) For each of the references it decides when it is profitable to prefetch
56       it.  To do it, we evaluate the reuse among the accesses, and determines
57       two values: PREFETCH_BEFORE (meaning that it only makes sense to do
58       prefetching in the first PREFETCH_BEFORE iterations of the loop) and
59       PREFETCH_MOD (meaning that it only makes sense to prefetch in the
60       iterations of the loop that are zero modulo PREFETCH_MOD).  For example
61       (assuming cache line size is 64 bytes, char has size 1 byte and there
62       is no hardware sequential prefetch):
63
64       char *a;
65       for (i = 0; i < max; i++)
66         {
67           a[255] = ...;         (0)
68           a[i] = ...;           (1)
69           a[i + 64] = ...;      (2)
70           a[16*i] = ...;        (3)
71           a[187*i] = ...;       (4)
72           a[187*i + 50] = ...;  (5)
73         }
74
75        (0) obviously has PREFETCH_BEFORE 1
76        (1) has PREFETCH_BEFORE 64, since (2) accesses the same memory
77            location 64 iterations before it, and PREFETCH_MOD 64 (since
78            it hits the same cache line otherwise).
79        (2) has PREFETCH_MOD 64
80        (3) has PREFETCH_MOD 4
81        (4) has PREFETCH_MOD 1.  We do not set PREFETCH_BEFORE here, since
82            the cache line accessed by (4) is the same with probability only
83            7/32.
84        (5) has PREFETCH_MOD 1 as well.
85
86       Additionally, we use data dependence analysis to determine for each
87       reference the distance till the first reuse; this information is used
88       to determine the temporality of the issued prefetch instruction.
89
90    3) We determine how much ahead we need to prefetch.  The number of
91       iterations needed is time to fetch / time spent in one iteration of
92       the loop.  The problem is that we do not know either of these values,
93       so we just make a heuristic guess based on a magic (possibly)
94       target-specific constant and size of the loop.
95
96    4) Determine which of the references we prefetch.  We take into account
97       that there is a maximum number of simultaneous prefetches (provided
98       by machine description).  We prefetch as many prefetches as possible
99       while still within this bound (starting with those with lowest
100       prefetch_mod, since they are responsible for most of the cache
101       misses).
102
103    5) We unroll and peel loops so that we are able to satisfy PREFETCH_MOD
104       and PREFETCH_BEFORE requirements (within some bounds), and to avoid
105       prefetching nonaccessed memory.
106       TODO -- actually implement peeling.
107
108    6) We actually emit the prefetch instructions.  ??? Perhaps emit the
109       prefetch instructions with guards in cases where 5) was not sufficient
110       to satisfy the constraints?
111
112    The function is_loop_prefetching_profitable() implements a cost model
113    to determine if prefetching is profitable for a given loop. The cost
114    model has two heuristcs:
115    1. A heuristic that determines whether the given loop has enough CPU
116       ops that can be overlapped with cache missing memory ops.
117       If not, the loop won't benefit from prefetching. This is implemented
118       by requirung the ratio between the instruction count and the mem ref
119       count to be above a certain minimum.
120    2. A heuristic that disables prefetching in a loop with an unknown trip
121       count if the prefetching cost is above a certain limit. The relative
122       prefetching cost is estimated by taking the ratio between the
123       prefetch count and the total intruction count (this models the I-cache
124       cost).
125    The limits used in these heuristics are defined as parameters with
126    reasonable default values. Machine-specific default values will be
127    added later.
128
129    Some other TODO:
130       -- write and use more general reuse analysis (that could be also used
131          in other cache aimed loop optimizations)
132       -- make it behave sanely together with the prefetches given by user
133          (now we just ignore them; at the very least we should avoid
134          optimizing loops in that user put his own prefetches)
135       -- we assume cache line size alignment of arrays; this could be
136          improved.  */
137
138 /* Magic constants follow.  These should be replaced by machine specific
139    numbers.  */
140
141 /* True if write can be prefetched by a read prefetch.  */
142
143 #ifndef WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
144 #define WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH 1
145 #endif
146
147 /* True if read can be prefetched by a write prefetch. */
148
149 #ifndef READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
150 #define READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH 0
151 #endif
152
153 /* The size of the block loaded by a single prefetch.  Usually, this is
154    the same as cache line size (at the moment, we only consider one level
155    of cache hierarchy).  */
156
157 #ifndef PREFETCH_BLOCK
158 #define PREFETCH_BLOCK L1_CACHE_LINE_SIZE
159 #endif
160
161 /* Do we have a forward hardware sequential prefetching?  */
162
163 #ifndef HAVE_FORWARD_PREFETCH
164 #define HAVE_FORWARD_PREFETCH 0
165 #endif
166
167 /* Do we have a backward hardware sequential prefetching?  */
168
169 #ifndef HAVE_BACKWARD_PREFETCH
170 #define HAVE_BACKWARD_PREFETCH 0
171 #endif
172
173 /* In some cases we are only able to determine that there is a certain
174    probability that the two accesses hit the same cache line.  In this
175    case, we issue the prefetches for both of them if this probability
176    is less then (1000 - ACCEPTABLE_MISS_RATE) per thousand.  */
177
178 #ifndef ACCEPTABLE_MISS_RATE
179 #define ACCEPTABLE_MISS_RATE 50
180 #endif
181
182 #ifndef HAVE_prefetch
183 #define HAVE_prefetch 0
184 #endif
185
186 #define L1_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L1_CACHE_SIZE * 1024))
187 #define L2_CACHE_SIZE_BYTES ((unsigned) (L2_CACHE_SIZE * 1024))
188
189 /* We consider a memory access nontemporal if it is not reused sooner than
190    after L2_CACHE_SIZE_BYTES of memory are accessed.  However, we ignore
191    accesses closer than L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
192    so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory location
193    is accessed several times in a single iteration of the loop.  */
194 #define NONTEMPORAL_FRACTION 16
195
196 /* In case we have to emit a memory fence instruction after the loop that
197    uses nontemporal stores, this defines the builtin to use.  */
198
199 #ifndef FENCE_FOLLOWING_MOVNT
200 #define FENCE_FOLLOWING_MOVNT NULL_TREE
201 #endif
202
203 /* It is not profitable to prefetch when the trip count is not at
204    least TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO times the prefetch ahead distance.
205    For example, in a loop with a prefetch ahead distance of 10,
206    supposing that TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO is equal to 4, it is
207    profitable to prefetch when the trip count is greater or equal to
208    40.  In that case, 30 out of the 40 iterations will benefit from
209    prefetching.  */
210
211 #ifndef TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO
212 #define TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO 4
213 #endif
214
215 /* The group of references between that reuse may occur.  */
216
217 struct mem_ref_group
218 {
219   tree base;                    /* Base of the reference.  */
220   tree step;                    /* Step of the reference.  */
221   struct mem_ref *refs;         /* References in the group.  */
222   struct mem_ref_group *next;   /* Next group of references.  */
223 };
224
225 /* Assigned to PREFETCH_BEFORE when all iterations are to be prefetched.  */
226
227 #define PREFETCH_ALL            (~(unsigned HOST_WIDE_INT) 0)
228
229 /* Do not generate a prefetch if the unroll factor is significantly less
230    than what is required by the prefetch.  This is to avoid redundant
231    prefetches.  For example, when prefetch_mod is 16 and unroll_factor is
232    2, prefetching requires unrolling the loop 16 times, but
233    the loop is actually unrolled twice.  In this case (ratio = 8),
234    prefetching is not likely to be beneficial.  */
235
236 #ifndef PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO
237 #define PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO 4
238 #endif
239
240 /* The memory reference.  */
241
242 struct mem_ref
243 {
244   gimple stmt;                  /* Statement in that the reference appears.  */
245   tree mem;                     /* The reference.  */
246   HOST_WIDE_INT delta;          /* Constant offset of the reference.  */
247   struct mem_ref_group *group;  /* The group of references it belongs to.  */
248   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_mod;
249                                 /* Prefetch only each PREFETCH_MOD-th
250                                    iteration.  */
251   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before;
252                                 /* Prefetch only first PREFETCH_BEFORE
253                                    iterations.  */
254   unsigned reuse_distance;      /* The amount of data accessed before the first
255                                    reuse of this value.  */
256   struct mem_ref *next;         /* The next reference in the group.  */
257   unsigned write_p : 1;         /* Is it a write?  */
258   unsigned independent_p : 1;   /* True if the reference is independent on
259                                    all other references inside the loop.  */
260   unsigned issue_prefetch_p : 1;        /* Should we really issue the prefetch?  */
261   unsigned storent_p : 1;       /* True if we changed the store to a
262                                    nontemporal one.  */
263 };
264
265 /* Dumps information about reference REF to FILE.  */
266
267 static void
268 dump_mem_ref (FILE *file, struct mem_ref *ref)
269 {
270   fprintf (file, "Reference %p:\n", (void *) ref);
271
272   fprintf (file, "  group %p (base ", (void *) ref->group);
273   print_generic_expr (file, ref->group->base, TDF_SLIM);
274   fprintf (file, ", step ");
275   if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
276     fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, int_cst_value (ref->group->step));
277   else
278     print_generic_expr (file, ref->group->step, TDF_TREE);
279   fprintf (file, ")\n");
280
281   fprintf (file, "  delta ");
282   fprintf (file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC, ref->delta);
283   fprintf (file, "\n");
284
285   fprintf (file, "  %s\n", ref->write_p ? "write" : "read");
286
287   fprintf (file, "\n");
288 }
289
290 /* Finds a group with BASE and STEP in GROUPS, or creates one if it does not
291    exist.  */
292
293 static struct mem_ref_group *
294 find_or_create_group (struct mem_ref_group **groups, tree base, tree step)
295 {
296   struct mem_ref_group *group;
297
298   for (; *groups; groups = &(*groups)->next)
299     {
300       if (operand_equal_p ((*groups)->step, step, 0)
301           && operand_equal_p ((*groups)->base, base, 0))
302         return *groups;
303
304       /* If step is an integer constant, keep the list of groups sorted
305          by decreasing step.  */
306         if (cst_and_fits_in_hwi ((*groups)->step) && cst_and_fits_in_hwi (step)
307             && int_cst_value ((*groups)->step) < int_cst_value (step))
308         break;
309     }
310
311   group = XNEW (struct mem_ref_group);
312   group->base = base;
313   group->step = step;
314   group->refs = NULL;
315   group->next = *groups;
316   *groups = group;
317
318   return group;
319 }
320
321 /* Records a memory reference MEM in GROUP with offset DELTA and write status
322    WRITE_P.  The reference occurs in statement STMT.  */
323
324 static void
325 record_ref (struct mem_ref_group *group, gimple stmt, tree mem,
326             HOST_WIDE_INT delta, bool write_p)
327 {
328   struct mem_ref **aref;
329
330   /* Do not record the same address twice.  */
331   for (aref = &group->refs; *aref; aref = &(*aref)->next)
332     {
333       /* It does not have to be possible for write reference to reuse the read
334          prefetch, or vice versa.  */
335       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
336           && write_p
337           && !(*aref)->write_p)
338         continue;
339       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
340           && !write_p
341           && (*aref)->write_p)
342         continue;
343
344       if ((*aref)->delta == delta)
345         return;
346     }
347
348   (*aref) = XNEW (struct mem_ref);
349   (*aref)->stmt = stmt;
350   (*aref)->mem = mem;
351   (*aref)->delta = delta;
352   (*aref)->write_p = write_p;
353   (*aref)->prefetch_before = PREFETCH_ALL;
354   (*aref)->prefetch_mod = 1;
355   (*aref)->reuse_distance = 0;
356   (*aref)->issue_prefetch_p = false;
357   (*aref)->group = group;
358   (*aref)->next = NULL;
359   (*aref)->independent_p = false;
360   (*aref)->storent_p = false;
361
362   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
363     dump_mem_ref (dump_file, *aref);
364 }
365
366 /* Release memory references in GROUPS.  */
367
368 static void
369 release_mem_refs (struct mem_ref_group *groups)
370 {
371   struct mem_ref_group *next_g;
372   struct mem_ref *ref, *next_r;
373
374   for (; groups; groups = next_g)
375     {
376       next_g = groups->next;
377       for (ref = groups->refs; ref; ref = next_r)
378         {
379           next_r = ref->next;
380           free (ref);
381         }
382       free (groups);
383     }
384 }
385
386 /* A structure used to pass arguments to idx_analyze_ref.  */
387
388 struct ar_data
389 {
390   struct loop *loop;                    /* Loop of the reference.  */
391   gimple stmt;                          /* Statement of the reference.  */
392   tree *step;                           /* Step of the memory reference.  */
393   HOST_WIDE_INT *delta;                 /* Offset of the memory reference.  */
394 };
395
396 /* Analyzes a single INDEX of a memory reference to obtain information
397    described at analyze_ref.  Callback for for_each_index.  */
398
399 static bool
400 idx_analyze_ref (tree base, tree *index, void *data)
401 {
402   struct ar_data *ar_data = (struct ar_data *) data;
403   tree ibase, step, stepsize;
404   HOST_WIDE_INT idelta = 0, imult = 1;
405   affine_iv iv;
406
407   if (TREE_CODE (base) == MISALIGNED_INDIRECT_REF)
408     return false;
409
410   if (!simple_iv (ar_data->loop, loop_containing_stmt (ar_data->stmt),
411                   *index, &iv, true))
412     return false;
413   ibase = iv.base;
414   step = iv.step;
415
416   if (TREE_CODE (ibase) == POINTER_PLUS_EXPR
417       && cst_and_fits_in_hwi (TREE_OPERAND (ibase, 1)))
418     {
419       idelta = int_cst_value (TREE_OPERAND (ibase, 1));
420       ibase = TREE_OPERAND (ibase, 0);
421     }
422   if (cst_and_fits_in_hwi (ibase))
423     {
424       idelta += int_cst_value (ibase);
425       ibase = build_int_cst (TREE_TYPE (ibase), 0);
426     }
427
428   if (TREE_CODE (base) == ARRAY_REF)
429     {
430       stepsize = array_ref_element_size (base);
431       if (!cst_and_fits_in_hwi (stepsize))
432         return false;
433       imult = int_cst_value (stepsize);
434       step = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
435                           fold_convert (sizetype, step),
436                           fold_convert (sizetype, stepsize));
437       idelta *= imult;
438     }
439
440   if (*ar_data->step == NULL_TREE)
441     *ar_data->step = step;
442   else
443     *ar_data->step = fold_build2 (PLUS_EXPR, sizetype,
444                                   fold_convert (sizetype, *ar_data->step),
445                                   fold_convert (sizetype, step));
446   *ar_data->delta += idelta;
447   *index = ibase;
448
449   return true;
450 }
451
452 /* Tries to express REF_P in shape &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and
453    STEP are integer constants and iter is number of iterations of LOOP.  The
454    reference occurs in statement STMT.  Strips nonaddressable component
455    references from REF_P.  */
456
457 static bool
458 analyze_ref (struct loop *loop, tree *ref_p, tree *base,
459              tree *step, HOST_WIDE_INT *delta,
460              gimple stmt)
461 {
462   struct ar_data ar_data;
463   tree off;
464   HOST_WIDE_INT bit_offset;
465   tree ref = *ref_p;
466
467   *step = NULL_TREE;
468   *delta = 0;
469
470   /* First strip off the component references.  Ignore bitfields.  */
471   if (TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF
472       && DECL_NONADDRESSABLE_P (TREE_OPERAND (ref, 1)))
473     ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
474
475   *ref_p = ref;
476
477   for (; TREE_CODE (ref) == COMPONENT_REF; ref = TREE_OPERAND (ref, 0))
478     {
479       off = DECL_FIELD_BIT_OFFSET (TREE_OPERAND (ref, 1));
480       bit_offset = TREE_INT_CST_LOW (off);
481       gcc_assert (bit_offset % BITS_PER_UNIT == 0);
482
483       *delta += bit_offset / BITS_PER_UNIT;
484     }
485
486   *base = unshare_expr (ref);
487   ar_data.loop = loop;
488   ar_data.stmt = stmt;
489   ar_data.step = step;
490   ar_data.delta = delta;
491   return for_each_index (base, idx_analyze_ref, &ar_data);
492 }
493
494 /* Record a memory reference REF to the list REFS.  The reference occurs in
495    LOOP in statement STMT and it is write if WRITE_P.  Returns true if the
496    reference was recorded, false otherwise.  */
497
498 static bool
499 gather_memory_references_ref (struct loop *loop, struct mem_ref_group **refs,
500                               tree ref, bool write_p, gimple stmt)
501 {
502   tree base, step;
503   HOST_WIDE_INT delta;
504   struct mem_ref_group *agrp;
505
506   if (get_base_address (ref) == NULL)
507     return false;
508
509   if (!analyze_ref (loop, &ref, &base, &step, &delta, stmt))
510     return false;
511   /* If analyze_ref fails the default is a NULL_TREE.  We can stop here.  */
512   if (step == NULL_TREE)
513     return false;
514
515   /* Limit non-constant step prefetching only to the innermost loops.  */
516   if (!cst_and_fits_in_hwi (step) && loop->inner != NULL)
517     return false;
518
519   /* Now we know that REF = &BASE + STEP * iter + DELTA, where DELTA and STEP
520      are integer constants.  */
521   agrp = find_or_create_group (refs, base, step);
522   record_ref (agrp, stmt, ref, delta, write_p);
523
524   return true;
525 }
526
527 /* Record the suitable memory references in LOOP.  NO_OTHER_REFS is set to
528    true if there are no other memory references inside the loop.  */
529
530 static struct mem_ref_group *
531 gather_memory_references (struct loop *loop, bool *no_other_refs, unsigned *ref_count)
532 {
533   basic_block *body = get_loop_body_in_dom_order (loop);
534   basic_block bb;
535   unsigned i;
536   gimple_stmt_iterator bsi;
537   gimple stmt;
538   tree lhs, rhs;
539   struct mem_ref_group *refs = NULL;
540
541   *no_other_refs = true;
542   *ref_count = 0;
543
544   /* Scan the loop body in order, so that the former references precede the
545      later ones.  */
546   for (i = 0; i < loop->num_nodes; i++)
547     {
548       bb = body[i];
549       if (bb->loop_father != loop)
550         continue;
551
552       for (bsi = gsi_start_bb (bb); !gsi_end_p (bsi); gsi_next (&bsi))
553         {
554           stmt = gsi_stmt (bsi);
555
556           if (gimple_code (stmt) != GIMPLE_ASSIGN)
557             {
558               if (gimple_vuse (stmt)
559                   || (is_gimple_call (stmt)
560                       && !(gimple_call_flags (stmt) & ECF_CONST)))
561                 *no_other_refs = false;
562               continue;
563             }
564
565           lhs = gimple_assign_lhs (stmt);
566           rhs = gimple_assign_rhs1 (stmt);
567
568           if (REFERENCE_CLASS_P (rhs))
569             {
570             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
571                                                             rhs, false, stmt);
572             *ref_count += 1;
573             }
574           if (REFERENCE_CLASS_P (lhs))
575             {
576             *no_other_refs &= gather_memory_references_ref (loop, &refs,
577                                                             lhs, true, stmt);
578             *ref_count += 1;
579             }
580         }
581     }
582   free (body);
583
584   return refs;
585 }
586
587 /* Prune the prefetch candidate REF using the self-reuse.  */
588
589 static void
590 prune_ref_by_self_reuse (struct mem_ref *ref)
591 {
592   HOST_WIDE_INT step;
593   bool backward;
594
595   /* If the step size is non constant, we cannot calculate prefetch_mod.  */
596   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
597     return;
598
599   step = int_cst_value (ref->group->step);
600
601   backward = step < 0;
602
603   if (step == 0)
604     {
605       /* Prefetch references to invariant address just once.  */
606       ref->prefetch_before = 1;
607       return;
608     }
609
610   if (backward)
611     step = -step;
612
613   if (step > PREFETCH_BLOCK)
614     return;
615
616   if ((backward && HAVE_BACKWARD_PREFETCH)
617       || (!backward && HAVE_FORWARD_PREFETCH))
618     {
619       ref->prefetch_before = 1;
620       return;
621     }
622
623   ref->prefetch_mod = PREFETCH_BLOCK / step;
624 }
625
626 /* Divides X by BY, rounding down.  */
627
628 static HOST_WIDE_INT
629 ddown (HOST_WIDE_INT x, unsigned HOST_WIDE_INT by)
630 {
631   gcc_assert (by > 0);
632
633   if (x >= 0)
634     return x / by;
635   else
636     return (x + by - 1) / by;
637 }
638
639 /* Given a CACHE_LINE_SIZE and two inductive memory references
640    with a common STEP greater than CACHE_LINE_SIZE and an address
641    difference DELTA, compute the probability that they will fall
642    in different cache lines.  Return true if the computed miss rate
643    is not greater than the ACCEPTABLE_MISS_RATE.  DISTINCT_ITERS is the
644    number of distinct iterations after which the pattern repeats itself.
645    ALIGN_UNIT is the unit of alignment in bytes.  */
646
647 static bool
648 is_miss_rate_acceptable (unsigned HOST_WIDE_INT cache_line_size,
649                    HOST_WIDE_INT step, HOST_WIDE_INT delta,
650                    unsigned HOST_WIDE_INT distinct_iters,
651                    int align_unit)
652 {
653   unsigned align, iter;
654   int total_positions, miss_positions, max_allowed_miss_positions;
655   int address1, address2, cache_line1, cache_line2;
656
657   /* It always misses if delta is greater than or equal to the cache
658      line size.  */
659   if (delta >= (HOST_WIDE_INT) cache_line_size)
660     return false;
661
662   miss_positions = 0;
663   total_positions = (cache_line_size / align_unit) * distinct_iters;
664   max_allowed_miss_positions = (ACCEPTABLE_MISS_RATE * total_positions) / 1000;
665
666   /* Iterate through all possible alignments of the first
667      memory reference within its cache line.  */
668   for (align = 0; align < cache_line_size; align += align_unit)
669
670     /* Iterate through all distinct iterations.  */
671     for (iter = 0; iter < distinct_iters; iter++)
672       {
673         address1 = align + step * iter;
674         address2 = address1 + delta;
675         cache_line1 = address1 / cache_line_size;
676         cache_line2 = address2 / cache_line_size;
677         if (cache_line1 != cache_line2)
678           {
679             miss_positions += 1;
680             if (miss_positions > max_allowed_miss_positions)
681               return false;
682           }
683       }
684   return true;
685 }
686
687 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuse with BY.
688    If BY_IS_BEFORE is true, BY is before REF in the loop.  */
689
690 static void
691 prune_ref_by_group_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *by,
692                           bool by_is_before)
693 {
694   HOST_WIDE_INT step;
695   bool backward;
696   HOST_WIDE_INT delta_r = ref->delta, delta_b = by->delta;
697   HOST_WIDE_INT delta = delta_b - delta_r;
698   HOST_WIDE_INT hit_from;
699   unsigned HOST_WIDE_INT prefetch_before, prefetch_block;
700   HOST_WIDE_INT reduced_step;
701   unsigned HOST_WIDE_INT reduced_prefetch_block;
702   tree ref_type;
703   int align_unit;
704
705   /* If the step is non constant we cannot calculate prefetch_before.  */
706   if (!cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step)) {
707     return;
708   }
709
710   step = int_cst_value (ref->group->step);
711
712   backward = step < 0;
713
714
715   if (delta == 0)
716     {
717       /* If the references has the same address, only prefetch the
718          former.  */
719       if (by_is_before)
720         ref->prefetch_before = 0;
721
722       return;
723     }
724
725   if (!step)
726     {
727       /* If the reference addresses are invariant and fall into the
728          same cache line, prefetch just the first one.  */
729       if (!by_is_before)
730         return;
731
732       if (ddown (ref->delta, PREFETCH_BLOCK)
733           != ddown (by->delta, PREFETCH_BLOCK))
734         return;
735
736       ref->prefetch_before = 0;
737       return;
738     }
739
740   /* Only prune the reference that is behind in the array.  */
741   if (backward)
742     {
743       if (delta > 0)
744         return;
745
746       /* Transform the data so that we may assume that the accesses
747          are forward.  */
748       delta = - delta;
749       step = -step;
750       delta_r = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_r;
751       delta_b = PREFETCH_BLOCK - 1 - delta_b;
752     }
753   else
754     {
755       if (delta < 0)
756         return;
757     }
758
759   /* Check whether the two references are likely to hit the same cache
760      line, and how distant the iterations in that it occurs are from
761      each other.  */
762
763   if (step <= PREFETCH_BLOCK)
764     {
765       /* The accesses are sure to meet.  Let us check when.  */
766       hit_from = ddown (delta_b, PREFETCH_BLOCK) * PREFETCH_BLOCK;
767       prefetch_before = (hit_from - delta_r + step - 1) / step;
768
769       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
770       if (prefetch_before > (unsigned) abs (L2_CACHE_SIZE_BYTES / step))
771         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
772       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
773         ref->prefetch_before = prefetch_before;
774
775       return;
776     }
777
778   /* A more complicated case with step > prefetch_block.  First reduce
779      the ratio between the step and the cache line size to its simplest
780      terms.  The resulting denominator will then represent the number of
781      distinct iterations after which each address will go back to its
782      initial location within the cache line.  This computation assumes
783      that PREFETCH_BLOCK is a power of two.  */
784   prefetch_block = PREFETCH_BLOCK;
785   reduced_prefetch_block = prefetch_block;
786   reduced_step = step;
787   while ((reduced_step & 1) == 0
788          && reduced_prefetch_block > 1)
789     {
790       reduced_step >>= 1;
791       reduced_prefetch_block >>= 1;
792     }
793
794   prefetch_before = delta / step;
795   delta %= step;
796   ref_type = TREE_TYPE (ref->mem);
797   align_unit = TYPE_ALIGN (ref_type) / 8;
798   if (is_miss_rate_acceptable (prefetch_block, step, delta,
799                                reduced_prefetch_block, align_unit))
800     {
801       /* Do not reduce prefetch_before if we meet beyond cache size.  */
802       if (prefetch_before > L2_CACHE_SIZE_BYTES / PREFETCH_BLOCK)
803         prefetch_before = PREFETCH_ALL;
804       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
805         ref->prefetch_before = prefetch_before;
806
807       return;
808     }
809
810   /* Try also the following iteration.  */
811   prefetch_before++;
812   delta = step - delta;
813   if (is_miss_rate_acceptable (prefetch_block, step, delta,
814                                reduced_prefetch_block, align_unit))
815     {
816       if (prefetch_before < ref->prefetch_before)
817         ref->prefetch_before = prefetch_before;
818
819       return;
820     }
821
822   /* The ref probably does not reuse by.  */
823   return;
824 }
825
826 /* Prune the prefetch candidate REF using the reuses with other references
827    in REFS.  */
828
829 static void
830 prune_ref_by_reuse (struct mem_ref *ref, struct mem_ref *refs)
831 {
832   struct mem_ref *prune_by;
833   bool before = true;
834
835   prune_ref_by_self_reuse (ref);
836
837   for (prune_by = refs; prune_by; prune_by = prune_by->next)
838     {
839       if (prune_by == ref)
840         {
841           before = false;
842           continue;
843         }
844
845       if (!WRITE_CAN_USE_READ_PREFETCH
846           && ref->write_p
847           && !prune_by->write_p)
848         continue;
849       if (!READ_CAN_USE_WRITE_PREFETCH
850           && !ref->write_p
851           && prune_by->write_p)
852         continue;
853
854       prune_ref_by_group_reuse (ref, prune_by, before);
855     }
856 }
857
858 /* Prune the prefetch candidates in GROUP using the reuse analysis.  */
859
860 static void
861 prune_group_by_reuse (struct mem_ref_group *group)
862 {
863   struct mem_ref *ref_pruned;
864
865   for (ref_pruned = group->refs; ref_pruned; ref_pruned = ref_pruned->next)
866     {
867       prune_ref_by_reuse (ref_pruned, group->refs);
868
869       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
870         {
871           fprintf (dump_file, "Reference %p:", (void *) ref_pruned);
872
873           if (ref_pruned->prefetch_before == PREFETCH_ALL
874               && ref_pruned->prefetch_mod == 1)
875             fprintf (dump_file, " no restrictions");
876           else if (ref_pruned->prefetch_before == 0)
877             fprintf (dump_file, " do not prefetch");
878           else if (ref_pruned->prefetch_before <= ref_pruned->prefetch_mod)
879             fprintf (dump_file, " prefetch once");
880           else
881             {
882               if (ref_pruned->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
883                 {
884                   fprintf (dump_file, " prefetch before ");
885                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
886                            ref_pruned->prefetch_before);
887                 }
888               if (ref_pruned->prefetch_mod != 1)
889                 {
890                   fprintf (dump_file, " prefetch mod ");
891                   fprintf (dump_file, HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC,
892                            ref_pruned->prefetch_mod);
893                 }
894             }
895           fprintf (dump_file, "\n");
896         }
897     }
898 }
899
900 /* Prune the list of prefetch candidates GROUPS using the reuse analysis.  */
901
902 static void
903 prune_by_reuse (struct mem_ref_group *groups)
904 {
905   for (; groups; groups = groups->next)
906     prune_group_by_reuse (groups);
907 }
908
909 /* Returns true if we should issue prefetch for REF.  */
910
911 static bool
912 should_issue_prefetch_p (struct mem_ref *ref)
913 {
914   /* For now do not issue prefetches for only first few of the
915      iterations.  */
916   if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
917     {
918       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
919         fprintf (dump_file, "Ignoring %p due to prefetch_before\n",
920                  (void *) ref);
921       return false;
922     }
923
924   /* Do not prefetch nontemporal stores.  */
925   if (ref->storent_p)
926     {
927       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
928         fprintf (dump_file, "Ignoring nontemporal store %p\n", (void *) ref);
929       return false;
930     }
931
932   return true;
933 }
934
935 /* Decide which of the prefetch candidates in GROUPS to prefetch.
936    AHEAD is the number of iterations to prefetch ahead (which corresponds
937    to the number of simultaneous instances of one prefetch running at a
938    time).  UNROLL_FACTOR is the factor by that the loop is going to be
939    unrolled.  Returns true if there is anything to prefetch.  */
940
941 static bool
942 schedule_prefetches (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor,
943                      unsigned ahead)
944 {
945   unsigned remaining_prefetch_slots, n_prefetches, prefetch_slots;
946   unsigned slots_per_prefetch;
947   struct mem_ref *ref;
948   bool any = false;
949
950   /* At most SIMULTANEOUS_PREFETCHES should be running at the same time.  */
951   remaining_prefetch_slots = SIMULTANEOUS_PREFETCHES;
952
953   /* The prefetch will run for AHEAD iterations of the original loop, i.e.,
954      AHEAD / UNROLL_FACTOR iterations of the unrolled loop.  In each iteration,
955      it will need a prefetch slot.  */
956   slots_per_prefetch = (ahead + unroll_factor / 2) / unroll_factor;
957   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
958     fprintf (dump_file, "Each prefetch instruction takes %u prefetch slots.\n",
959              slots_per_prefetch);
960
961   /* For now we just take memory references one by one and issue
962      prefetches for as many as possible.  The groups are sorted
963      starting with the largest step, since the references with
964      large step are more likely to cause many cache misses.  */
965
966   for (; groups; groups = groups->next)
967     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
968       {
969         if (!should_issue_prefetch_p (ref))
970           continue;
971
972         /* The loop is far from being sufficiently unrolled for this
973            prefetch.  Do not generate prefetch to avoid many redudant
974            prefetches.  */
975         if (ref->prefetch_mod / unroll_factor > PREFETCH_MOD_TO_UNROLL_FACTOR_RATIO)
976           continue;
977
978         /* If we need to prefetch the reference each PREFETCH_MOD iterations,
979            and we unroll the loop UNROLL_FACTOR times, we need to insert
980            ceil (UNROLL_FACTOR / PREFETCH_MOD) instructions in each
981            iteration.  */
982         n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
983                         / ref->prefetch_mod);
984         prefetch_slots = n_prefetches * slots_per_prefetch;
985
986         /* If more than half of the prefetches would be lost anyway, do not
987            issue the prefetch.  */
988         if (2 * remaining_prefetch_slots < prefetch_slots)
989           continue;
990
991         ref->issue_prefetch_p = true;
992
993         if (remaining_prefetch_slots <= prefetch_slots)
994           return true;
995         remaining_prefetch_slots -= prefetch_slots;
996         any = true;
997       }
998
999   return any;
1000 }
1001
1002 /* Return TRUE if no prefetch is going to be generated in the given
1003    GROUPS.  */
1004
1005 static bool
1006 nothing_to_prefetch_p (struct mem_ref_group *groups)
1007 {
1008   struct mem_ref *ref;
1009
1010   for (; groups; groups = groups->next)
1011     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1012       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1013         return false;
1014
1015   return true;
1016 }
1017
1018 /* Estimate the number of prefetches in the given GROUPS.
1019    UNROLL_FACTOR is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1020
1021 static int
1022 estimate_prefetch_count (struct mem_ref_group *groups, unsigned unroll_factor)
1023 {
1024   struct mem_ref *ref;
1025   unsigned n_prefetches;
1026   int prefetch_count = 0;
1027
1028   for (; groups; groups = groups->next)
1029     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1030       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1031         {
1032           n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1033                           / ref->prefetch_mod);
1034           prefetch_count += n_prefetches;
1035         }
1036
1037   return prefetch_count;
1038 }
1039
1040 /* Issue prefetches for the reference REF into loop as decided before.
1041    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR
1042    is the factor by which LOOP was unrolled.  */
1043
1044 static void
1045 issue_prefetch_ref (struct mem_ref *ref, unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1046 {
1047   HOST_WIDE_INT delta;
1048   tree addr, addr_base, write_p, local, forward;
1049   gimple prefetch;
1050   gimple_stmt_iterator bsi;
1051   unsigned n_prefetches, ap;
1052   bool nontemporal = ref->reuse_distance >= L2_CACHE_SIZE_BYTES;
1053
1054   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1055     fprintf (dump_file, "Issued%s prefetch for %p.\n",
1056              nontemporal ? " nontemporal" : "",
1057              (void *) ref);
1058
1059   bsi = gsi_for_stmt (ref->stmt);
1060
1061   n_prefetches = ((unroll_factor + ref->prefetch_mod - 1)
1062                   / ref->prefetch_mod);
1063   addr_base = build_fold_addr_expr_with_type (ref->mem, ptr_type_node);
1064   addr_base = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr_base),
1065                                         true, NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1066   write_p = ref->write_p ? integer_one_node : integer_zero_node;
1067   local = build_int_cst (integer_type_node, nontemporal ? 0 : 3);
1068
1069   for (ap = 0; ap < n_prefetches; ap++)
1070     {
1071       if (cst_and_fits_in_hwi (ref->group->step))
1072         {
1073           /* Determine the address to prefetch.  */
1074           delta = (ahead + ap * ref->prefetch_mod) *
1075                    int_cst_value (ref->group->step);
1076           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node,
1077                               addr_base, size_int (delta));
1078           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true, NULL,
1079                                            true, GSI_SAME_STMT);
1080         }
1081       else
1082         {
1083           /* The step size is non-constant but loop-invariant.  We use the
1084              heuristic to simply prefetch ahead iterations ahead.  */
1085           forward = fold_build2 (MULT_EXPR, sizetype,
1086                                  fold_convert (sizetype, ref->group->step),
1087                                  fold_convert (sizetype, size_int (ahead)));
1088           addr = fold_build2 (POINTER_PLUS_EXPR, ptr_type_node, addr_base,
1089                               forward);
1090           addr = force_gimple_operand_gsi (&bsi, unshare_expr (addr), true,
1091                                            NULL, true, GSI_SAME_STMT);
1092       }
1093       /* Create the prefetch instruction.  */
1094       prefetch = gimple_build_call (built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH],
1095                                     3, addr, write_p, local);
1096       gsi_insert_before (&bsi, prefetch, GSI_SAME_STMT);
1097     }
1098 }
1099
1100 /* Issue prefetches for the references in GROUPS into loop as decided before.
1101    HEAD is the number of iterations to prefetch ahead.  UNROLL_FACTOR is the
1102    factor by that LOOP was unrolled.  */
1103
1104 static void
1105 issue_prefetches (struct mem_ref_group *groups,
1106                   unsigned unroll_factor, unsigned ahead)
1107 {
1108   struct mem_ref *ref;
1109
1110   for (; groups; groups = groups->next)
1111     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1112       if (ref->issue_prefetch_p)
1113         issue_prefetch_ref (ref, unroll_factor, ahead);
1114 }
1115
1116 /* Returns true if REF is a memory write for that a nontemporal store insn
1117    can be used.  */
1118
1119 static bool
1120 nontemporal_store_p (struct mem_ref *ref)
1121 {
1122   enum machine_mode mode;
1123   enum insn_code code;
1124
1125   /* REF must be a write that is not reused.  We require it to be independent
1126      on all other memory references in the loop, as the nontemporal stores may
1127      be reordered with respect to other memory references.  */
1128   if (!ref->write_p
1129       || !ref->independent_p
1130       || ref->reuse_distance < L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1131     return false;
1132
1133   /* Check that we have the storent instruction for the mode.  */
1134   mode = TYPE_MODE (TREE_TYPE (ref->mem));
1135   if (mode == BLKmode)
1136     return false;
1137
1138   code = optab_handler (storent_optab, mode);
1139   return code != CODE_FOR_nothing;
1140 }
1141
1142 /* If REF is a nontemporal store, we mark the corresponding modify statement
1143    and return true.  Otherwise, we return false.  */
1144
1145 static bool
1146 mark_nontemporal_store (struct mem_ref *ref)
1147 {
1148   if (!nontemporal_store_p (ref))
1149     return false;
1150
1151   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1152     fprintf (dump_file, "Marked reference %p as a nontemporal store.\n",
1153              (void *) ref);
1154
1155   gimple_assign_set_nontemporal_move (ref->stmt, true);
1156   ref->storent_p = true;
1157
1158   return true;
1159 }
1160
1161 /* Issue a memory fence instruction after LOOP.  */
1162
1163 static void
1164 emit_mfence_after_loop (struct loop *loop)
1165 {
1166   VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1167   edge exit;
1168   gimple call;
1169   gimple_stmt_iterator bsi;
1170   unsigned i;
1171
1172   for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1173     {
1174       call = gimple_build_call (FENCE_FOLLOWING_MOVNT, 0);
1175
1176       if (!single_pred_p (exit->dest)
1177           /* If possible, we prefer not to insert the fence on other paths
1178              in cfg.  */
1179           && !(exit->flags & EDGE_ABNORMAL))
1180         split_loop_exit_edge (exit);
1181       bsi = gsi_after_labels (exit->dest);
1182
1183       gsi_insert_before (&bsi, call, GSI_NEW_STMT);
1184       mark_virtual_ops_for_renaming (call);
1185     }
1186
1187   VEC_free (edge, heap, exits);
1188   update_ssa (TODO_update_ssa_only_virtuals);
1189 }
1190
1191 /* Returns true if we can use storent in loop, false otherwise.  */
1192
1193 static bool
1194 may_use_storent_in_loop_p (struct loop *loop)
1195 {
1196   bool ret = true;
1197
1198   if (loop->inner != NULL)
1199     return false;
1200
1201   /* If we must issue a mfence insn after using storent, check that there
1202      is a suitable place for it at each of the loop exits.  */
1203   if (FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1204     {
1205       VEC (edge, heap) *exits = get_loop_exit_edges (loop);
1206       unsigned i;
1207       edge exit;
1208
1209       for (i = 0; VEC_iterate (edge, exits, i, exit); i++)
1210         if ((exit->flags & EDGE_ABNORMAL)
1211             && exit->dest == EXIT_BLOCK_PTR)
1212           ret = false;
1213
1214       VEC_free (edge, heap, exits);
1215     }
1216
1217   return ret;
1218 }
1219
1220 /* Marks nontemporal stores in LOOP.  GROUPS contains the description of memory
1221    references in the loop.  */
1222
1223 static void
1224 mark_nontemporal_stores (struct loop *loop, struct mem_ref_group *groups)
1225 {
1226   struct mem_ref *ref;
1227   bool any = false;
1228
1229   if (!may_use_storent_in_loop_p (loop))
1230     return;
1231
1232   for (; groups; groups = groups->next)
1233     for (ref = groups->refs; ref; ref = ref->next)
1234       any |= mark_nontemporal_store (ref);
1235
1236   if (any && FENCE_FOLLOWING_MOVNT != NULL_TREE)
1237     emit_mfence_after_loop (loop);
1238 }
1239
1240 /* Determines whether we can profitably unroll LOOP FACTOR times, and if
1241    this is the case, fill in DESC by the description of number of
1242    iterations.  */
1243
1244 static bool
1245 should_unroll_loop_p (struct loop *loop, struct tree_niter_desc *desc,
1246                       unsigned factor)
1247 {
1248   if (!can_unroll_loop_p (loop, factor, desc))
1249     return false;
1250
1251   /* We only consider loops without control flow for unrolling.  This is not
1252      a hard restriction -- tree_unroll_loop works with arbitrary loops
1253      as well; but the unrolling/prefetching is usually more profitable for
1254      loops consisting of a single basic block, and we want to limit the
1255      code growth.  */
1256   if (loop->num_nodes > 2)
1257     return false;
1258
1259   return true;
1260 }
1261
1262 /* Determine the coefficient by that unroll LOOP, from the information
1263    contained in the list of memory references REFS.  Description of
1264    umber of iterations of LOOP is stored to DESC.  NINSNS is the number of
1265    insns of the LOOP.  EST_NITER is the estimated number of iterations of
1266    the loop, or -1 if no estimate is available.  */
1267
1268 static unsigned
1269 determine_unroll_factor (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1270                          unsigned ninsns, struct tree_niter_desc *desc,
1271                          HOST_WIDE_INT est_niter)
1272 {
1273   unsigned upper_bound;
1274   unsigned nfactor, factor, mod_constraint;
1275   struct mem_ref_group *agp;
1276   struct mem_ref *ref;
1277
1278   /* First check whether the loop is not too large to unroll.  We ignore
1279      PARAM_MAX_UNROLL_TIMES, because for small loops, it prevented us
1280      from unrolling them enough to make exactly one cache line covered by each
1281      iteration.  Also, the goal of PARAM_MAX_UNROLL_TIMES is to prevent
1282      us from unrolling the loops too many times in cases where we only expect
1283      gains from better scheduling and decreasing loop overhead, which is not
1284      the case here.  */
1285   upper_bound = PARAM_VALUE (PARAM_MAX_UNROLLED_INSNS) / ninsns;
1286
1287   /* If we unrolled the loop more times than it iterates, the unrolled version
1288      of the loop would be never entered.  */
1289   if (est_niter >= 0 && est_niter < (HOST_WIDE_INT) upper_bound)
1290     upper_bound = est_niter;
1291
1292   if (upper_bound <= 1)
1293     return 1;
1294
1295   /* Choose the factor so that we may prefetch each cache just once,
1296      but bound the unrolling by UPPER_BOUND.  */
1297   factor = 1;
1298   for (agp = refs; agp; agp = agp->next)
1299     for (ref = agp->refs; ref; ref = ref->next)
1300       if (should_issue_prefetch_p (ref))
1301         {
1302           mod_constraint = ref->prefetch_mod;
1303           nfactor = least_common_multiple (mod_constraint, factor);
1304           if (nfactor <= upper_bound)
1305             factor = nfactor;
1306         }
1307
1308   if (!should_unroll_loop_p (loop, desc, factor))
1309     return 1;
1310
1311   return factor;
1312 }
1313
1314 /* Returns the total volume of the memory references REFS, taking into account
1315    reuses in the innermost loop and cache line size.  TODO -- we should also
1316    take into account reuses across the iterations of the loops in the loop
1317    nest.  */
1318
1319 static unsigned
1320 volume_of_references (struct mem_ref_group *refs)
1321 {
1322   unsigned volume = 0;
1323   struct mem_ref_group *gr;
1324   struct mem_ref *ref;
1325
1326   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1327     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1328       {
1329         /* Almost always reuses another value?  */
1330         if (ref->prefetch_before != PREFETCH_ALL)
1331           continue;
1332
1333         /* If several iterations access the same cache line, use the size of
1334            the line divided by this number.  Otherwise, a cache line is
1335            accessed in each iteration.  TODO -- in the latter case, we should
1336            take the size of the reference into account, rounding it up on cache
1337            line size multiple.  */
1338         volume += L1_CACHE_LINE_SIZE / ref->prefetch_mod;
1339       }
1340   return volume;
1341 }
1342
1343 /* Returns the volume of memory references accessed across VEC iterations of
1344    loops, whose sizes are described in the LOOP_SIZES array.  N is the number
1345    of the loops in the nest (length of VEC and LOOP_SIZES vectors).  */
1346
1347 static unsigned
1348 volume_of_dist_vector (lambda_vector vec, unsigned *loop_sizes, unsigned n)
1349 {
1350   unsigned i;
1351
1352   for (i = 0; i < n; i++)
1353     if (vec[i] != 0)
1354       break;
1355
1356   if (i == n)
1357     return 0;
1358
1359   gcc_assert (vec[i] > 0);
1360
1361   /* We ignore the parts of the distance vector in subloops, since usually
1362      the numbers of iterations are much smaller.  */
1363   return loop_sizes[i] * vec[i];
1364 }
1365
1366 /* Add the steps of ACCESS_FN multiplied by STRIDE to the array STRIDE
1367    at the position corresponding to the loop of the step.  N is the depth
1368    of the considered loop nest, and, LOOP is its innermost loop.  */
1369
1370 static void
1371 add_subscript_strides (tree access_fn, unsigned stride,
1372                        HOST_WIDE_INT *strides, unsigned n, struct loop *loop)
1373 {
1374   struct loop *aloop;
1375   tree step;
1376   HOST_WIDE_INT astep;
1377   unsigned min_depth = loop_depth (loop) - n;
1378
1379   while (TREE_CODE (access_fn) == POLYNOMIAL_CHREC)
1380     {
1381       aloop = get_chrec_loop (access_fn);
1382       step = CHREC_RIGHT (access_fn);
1383       access_fn = CHREC_LEFT (access_fn);
1384
1385       if ((unsigned) loop_depth (aloop) <= min_depth)
1386         continue;
1387
1388       if (host_integerp (step, 0))
1389         astep = tree_low_cst (step, 0);
1390       else
1391         astep = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1392
1393       strides[n - 1 - loop_depth (loop) + loop_depth (aloop)] += astep * stride;
1394
1395     }
1396 }
1397
1398 /* Returns the volume of memory references accessed between two consecutive
1399    self-reuses of the reference DR.  We consider the subscripts of DR in N
1400    loops, and LOOP_SIZES contains the volumes of accesses in each of the
1401    loops.  LOOP is the innermost loop of the current loop nest.  */
1402
1403 static unsigned
1404 self_reuse_distance (data_reference_p dr, unsigned *loop_sizes, unsigned n,
1405                      struct loop *loop)
1406 {
1407   tree stride, access_fn;
1408   HOST_WIDE_INT *strides, astride;
1409   VEC (tree, heap) *access_fns;
1410   tree ref = DR_REF (dr);
1411   unsigned i, ret = ~0u;
1412
1413   /* In the following example:
1414
1415      for (i = 0; i < N; i++)
1416        for (j = 0; j < N; j++)
1417          use (a[j][i]);
1418      the same cache line is accessed each N steps (except if the change from
1419      i to i + 1 crosses the boundary of the cache line).  Thus, for self-reuse,
1420      we cannot rely purely on the results of the data dependence analysis.
1421
1422      Instead, we compute the stride of the reference in each loop, and consider
1423      the innermost loop in that the stride is less than cache size.  */
1424
1425   strides = XCNEWVEC (HOST_WIDE_INT, n);
1426   access_fns = DR_ACCESS_FNS (dr);
1427
1428   for (i = 0; VEC_iterate (tree, access_fns, i, access_fn); i++)
1429     {
1430       /* Keep track of the reference corresponding to the subscript, so that we
1431          know its stride.  */
1432       while (handled_component_p (ref) && TREE_CODE (ref) != ARRAY_REF)
1433         ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1434
1435       if (TREE_CODE (ref) == ARRAY_REF)
1436         {
1437           stride = TYPE_SIZE_UNIT (TREE_TYPE (ref));
1438           if (host_integerp (stride, 1))
1439             astride = tree_low_cst (stride, 1);
1440           else
1441             astride = L1_CACHE_LINE_SIZE;
1442
1443           ref = TREE_OPERAND (ref, 0);
1444         }
1445       else
1446         astride = 1;
1447
1448       add_subscript_strides (access_fn, astride, strides, n, loop);
1449     }
1450
1451   for (i = n; i-- > 0; )
1452     {
1453       unsigned HOST_WIDE_INT s;
1454
1455       s = strides[i] < 0 ?  -strides[i] : strides[i];
1456
1457       if (s < (unsigned) L1_CACHE_LINE_SIZE
1458           && (loop_sizes[i]
1459               > (unsigned) (L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)))
1460         {
1461           ret = loop_sizes[i];
1462           break;
1463         }
1464     }
1465
1466   free (strides);
1467   return ret;
1468 }
1469
1470 /* Determines the distance till the first reuse of each reference in REFS
1471    in the loop nest of LOOP.  NO_OTHER_REFS is true if there are no other
1472    memory references in the loop.  */
1473
1474 static void
1475 determine_loop_nest_reuse (struct loop *loop, struct mem_ref_group *refs,
1476                            bool no_other_refs)
1477 {
1478   struct loop *nest, *aloop;
1479   VEC (data_reference_p, heap) *datarefs = NULL;
1480   VEC (ddr_p, heap) *dependences = NULL;
1481   struct mem_ref_group *gr;
1482   struct mem_ref *ref, *refb;
1483   VEC (loop_p, heap) *vloops = NULL;
1484   unsigned *loop_data_size;
1485   unsigned i, j, n;
1486   unsigned volume, dist, adist;
1487   HOST_WIDE_INT vol;
1488   data_reference_p dr;
1489   ddr_p dep;
1490
1491   if (loop->inner)
1492     return;
1493
1494   /* Find the outermost loop of the loop nest of loop (we require that
1495      there are no sibling loops inside the nest).  */
1496   nest = loop;
1497   while (1)
1498     {
1499       aloop = loop_outer (nest);
1500
1501       if (aloop == current_loops->tree_root
1502           || aloop->inner->next)
1503         break;
1504
1505       nest = aloop;
1506     }
1507
1508   /* For each loop, determine the amount of data accessed in each iteration.
1509      We use this to estimate whether the reference is evicted from the
1510      cache before its reuse.  */
1511   find_loop_nest (nest, &vloops);
1512   n = VEC_length (loop_p, vloops);
1513   loop_data_size = XNEWVEC (unsigned, n);
1514   volume = volume_of_references (refs);
1515   i = n;
1516   while (i-- != 0)
1517     {
1518       loop_data_size[i] = volume;
1519       /* Bound the volume by the L2 cache size, since above this bound,
1520          all dependence distances are equivalent.  */
1521       if (volume > L2_CACHE_SIZE_BYTES)
1522         continue;
1523
1524       aloop = VEC_index (loop_p, vloops, i);
1525       vol = estimated_loop_iterations_int (aloop, false);
1526       if (vol < 0)
1527         vol = expected_loop_iterations (aloop);
1528       volume *= vol;
1529     }
1530
1531   /* Prepare the references in the form suitable for data dependence
1532      analysis.  We ignore unanalyzable data references (the results
1533      are used just as a heuristics to estimate temporality of the
1534      references, hence we do not need to worry about correctness).  */
1535   for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1536     for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1537       {
1538         dr = create_data_ref (nest, ref->mem, ref->stmt, !ref->write_p);
1539
1540         if (dr)
1541           {
1542             ref->reuse_distance = volume;
1543             dr->aux = ref;
1544             VEC_safe_push (data_reference_p, heap, datarefs, dr);
1545           }
1546         else
1547           no_other_refs = false;
1548       }
1549
1550   for (i = 0; VEC_iterate (data_reference_p, datarefs, i, dr); i++)
1551     {
1552       dist = self_reuse_distance (dr, loop_data_size, n, loop);
1553       ref = (struct mem_ref *) dr->aux;
1554       if (ref->reuse_distance > dist)
1555         ref->reuse_distance = dist;
1556
1557       if (no_other_refs)
1558         ref->independent_p = true;
1559     }
1560
1561   compute_all_dependences (datarefs, &dependences, vloops, true);
1562
1563   for (i = 0; VEC_iterate (ddr_p, dependences, i, dep); i++)
1564     {
1565       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_known)
1566         continue;
1567
1568       ref = (struct mem_ref *) DDR_A (dep)->aux;
1569       refb = (struct mem_ref *) DDR_B (dep)->aux;
1570
1571       if (DDR_ARE_DEPENDENT (dep) == chrec_dont_know
1572           || DDR_NUM_DIST_VECTS (dep) == 0)
1573         {
1574           /* If the dependence cannot be analyzed, assume that there might be
1575              a reuse.  */
1576           dist = 0;
1577
1578           ref->independent_p = false;
1579           refb->independent_p = false;
1580         }
1581       else
1582         {
1583           /* The distance vectors are normalized to be always lexicographically
1584              positive, hence we cannot tell just from them whether DDR_A comes
1585              before DDR_B or vice versa.  However, it is not important,
1586              anyway -- if DDR_A is close to DDR_B, then it is either reused in
1587              DDR_B (and it is not nontemporal), or it reuses the value of DDR_B
1588              in cache (and marking it as nontemporal would not affect
1589              anything).  */
1590
1591           dist = volume;
1592           for (j = 0; j < DDR_NUM_DIST_VECTS (dep); j++)
1593             {
1594               adist = volume_of_dist_vector (DDR_DIST_VECT (dep, j),
1595                                              loop_data_size, n);
1596
1597               /* If this is a dependence in the innermost loop (i.e., the
1598                  distances in all superloops are zero) and it is not
1599                  the trivial self-dependence with distance zero, record that
1600                  the references are not completely independent.  */
1601               if (lambda_vector_zerop (DDR_DIST_VECT (dep, j), n - 1)
1602                   && (ref != refb
1603                       || DDR_DIST_VECT (dep, j)[n-1] != 0))
1604                 {
1605                   ref->independent_p = false;
1606                   refb->independent_p = false;
1607                 }
1608
1609               /* Ignore accesses closer than
1610                  L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION,
1611                  so that we use nontemporal prefetches e.g. if single memory
1612                  location is accessed several times in a single iteration of
1613                  the loop.  */
1614               if (adist < L1_CACHE_SIZE_BYTES / NONTEMPORAL_FRACTION)
1615                 continue;
1616
1617               if (adist < dist)
1618                 dist = adist;
1619             }
1620         }
1621
1622       if (ref->reuse_distance > dist)
1623         ref->reuse_distance = dist;
1624       if (refb->reuse_distance > dist)
1625         refb->reuse_distance = dist;
1626     }
1627
1628   free_dependence_relations (dependences);
1629   free_data_refs (datarefs);
1630   free (loop_data_size);
1631
1632   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1633     {
1634       fprintf (dump_file, "Reuse distances:\n");
1635       for (gr = refs; gr; gr = gr->next)
1636         for (ref = gr->refs; ref; ref = ref->next)
1637           fprintf (dump_file, " ref %p distance %u\n",
1638                    (void *) ref, ref->reuse_distance);
1639     }
1640 }
1641
1642 /* Do a cost-benefit analysis to determine if prefetching is profitable
1643    for the current loop given the following parameters:
1644    AHEAD: the iteration ahead distance,
1645    EST_NITER: the estimated trip count,
1646    NINSNS: estimated number of instructions in the loop,
1647    PREFETCH_COUNT: an estimate of the number of prefetches
1648    MEM_REF_COUNT: total number of memory references in the loop.  */
1649
1650 static bool
1651 is_loop_prefetching_profitable (unsigned ahead, HOST_WIDE_INT est_niter,
1652                                 unsigned ninsns, unsigned prefetch_count,
1653                                 unsigned mem_ref_count, unsigned unroll_factor)
1654 {
1655   int insn_to_mem_ratio, insn_to_prefetch_ratio;
1656
1657   if (mem_ref_count == 0)
1658     return false;
1659
1660   /* Prefetching improves performance by overlapping cache missing
1661      memory accesses with CPU operations.  If the loop does not have
1662      enough CPU operations to overlap with memory operations, prefetching
1663      won't give a significant benefit.  One approximate way of checking
1664      this is to require the ratio of instructions to memory references to
1665      be above a certain limit.  This approximation works well in practice.
1666      TODO: Implement a more precise computation by estimating the time
1667      for each CPU or memory op in the loop. Time estimates for memory ops
1668      should account for cache misses.  */
1669   insn_to_mem_ratio = ninsns / mem_ref_count;
1670
1671   if (insn_to_mem_ratio < PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO)
1672     {
1673       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1674         fprintf (dump_file,
1675                  "Not prefetching -- instruction to memory reference ratio (%d) too small\n",
1676                  insn_to_mem_ratio);
1677       return false;
1678     }
1679
1680   /* Prefetching most likely causes performance degradation when the instruction
1681      to prefetch ratio is too small.  Too many prefetch instructions in a loop
1682      may reduce the I-cache performance.
1683      (unroll_factor * ninsns) is used to estimate the number of instructions in
1684      the unrolled loop.  This implementation is a bit simplistic -- the number
1685      of issued prefetch instructions is also affected by unrolling.  So,
1686      prefetch_mod and the unroll factor should be taken into account when
1687      determining prefetch_count.  Also, the number of insns of the unrolled
1688      loop will usually be significantly smaller than the number of insns of the
1689      original loop * unroll_factor (at least the induction variable increases
1690      and the exit branches will get eliminated), so it might be better to use
1691      tree_estimate_loop_size + estimated_unrolled_size.  */
1692   insn_to_prefetch_ratio = (unroll_factor * ninsns) / prefetch_count;
1693   if (insn_to_prefetch_ratio < MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO)
1694     {
1695       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1696         fprintf (dump_file,
1697                  "Not prefetching -- instruction to prefetch ratio (%d) too small\n",
1698                  insn_to_prefetch_ratio);
1699       return false;
1700     }
1701
1702   /* Could not do further estimation if the trip count is unknown.  Just assume
1703      prefetching is profitable. Too aggressive???  */
1704   if (est_niter < 0)
1705     return true;
1706
1707   if (est_niter < (HOST_WIDE_INT) (TRIP_COUNT_TO_AHEAD_RATIO * ahead))
1708     {
1709       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1710         fprintf (dump_file,
1711                  "Not prefetching -- loop estimated to roll only %d times\n",
1712                  (int) est_niter);
1713       return false;
1714     }
1715   return true;
1716 }
1717
1718
1719 /* Issue prefetch instructions for array references in LOOP.  Returns
1720    true if the LOOP was unrolled.  */
1721
1722 static bool
1723 loop_prefetch_arrays (struct loop *loop)
1724 {
1725   struct mem_ref_group *refs;
1726   unsigned ahead, ninsns, time, unroll_factor;
1727   HOST_WIDE_INT est_niter;
1728   struct tree_niter_desc desc;
1729   bool unrolled = false, no_other_refs;
1730   unsigned prefetch_count;
1731   unsigned mem_ref_count;
1732
1733   if (optimize_loop_nest_for_size_p (loop))
1734     {
1735       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1736         fprintf (dump_file, "  ignored (cold area)\n");
1737       return false;
1738     }
1739
1740   /* Step 1: gather the memory references.  */
1741   refs = gather_memory_references (loop, &no_other_refs, &mem_ref_count);
1742
1743   /* Step 2: estimate the reuse effects.  */
1744   prune_by_reuse (refs);
1745
1746   if (nothing_to_prefetch_p (refs))
1747     goto fail;
1748
1749   determine_loop_nest_reuse (loop, refs, no_other_refs);
1750
1751   /* Step 3: determine the ahead and unroll factor.  */
1752
1753   /* FIXME: the time should be weighted by the probabilities of the blocks in
1754      the loop body.  */
1755   time = tree_num_loop_insns (loop, &eni_time_weights);
1756   ahead = (PREFETCH_LATENCY + time - 1) / time;
1757   est_niter = estimated_loop_iterations_int (loop, false);
1758
1759   ninsns = tree_num_loop_insns (loop, &eni_size_weights);
1760   unroll_factor = determine_unroll_factor (loop, refs, ninsns, &desc,
1761                                            est_niter);
1762
1763   /* Estimate prefetch count for the unrolled loop.  */
1764   prefetch_count = estimate_prefetch_count (refs, unroll_factor);
1765   if (prefetch_count == 0)
1766     goto fail;
1767
1768   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1769     fprintf (dump_file, "Ahead %d, unroll factor %d, trip count "
1770              HOST_WIDE_INT_PRINT_DEC "\n"
1771              "insn count %d, mem ref count %d, prefetch count %d\n",
1772              ahead, unroll_factor, est_niter,
1773              ninsns, mem_ref_count, prefetch_count);
1774
1775   if (!is_loop_prefetching_profitable (ahead, est_niter, ninsns, prefetch_count,
1776                                        mem_ref_count, unroll_factor))
1777     goto fail;
1778
1779   mark_nontemporal_stores (loop, refs);
1780
1781   /* Step 4: what to prefetch?  */
1782   if (!schedule_prefetches (refs, unroll_factor, ahead))
1783     goto fail;
1784
1785   /* Step 5: unroll the loop.  TODO -- peeling of first and last few
1786      iterations so that we do not issue superfluous prefetches.  */
1787   if (unroll_factor != 1)
1788     {
1789       tree_unroll_loop (loop, unroll_factor,
1790                         single_dom_exit (loop), &desc);
1791       unrolled = true;
1792     }
1793
1794   /* Step 6: issue the prefetches.  */
1795   issue_prefetches (refs, unroll_factor, ahead);
1796
1797 fail:
1798   release_mem_refs (refs);
1799   return unrolled;
1800 }
1801
1802 /* Issue prefetch instructions for array references in loops.  */
1803
1804 unsigned int
1805 tree_ssa_prefetch_arrays (void)
1806 {
1807   loop_iterator li;
1808   struct loop *loop;
1809   bool unrolled = false;
1810   int todo_flags = 0;
1811
1812   if (!HAVE_prefetch
1813       /* It is possible to ask compiler for say -mtune=i486 -march=pentium4.
1814          -mtune=i486 causes us having PREFETCH_BLOCK 0, since this is part
1815          of processor costs and i486 does not have prefetch, but
1816          -march=pentium4 causes HAVE_prefetch to be true.  Ugh.  */
1817       || PREFETCH_BLOCK == 0)
1818     return 0;
1819
1820   if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1821     {
1822       fprintf (dump_file, "Prefetching parameters:\n");
1823       fprintf (dump_file, "    simultaneous prefetches: %d\n",
1824                SIMULTANEOUS_PREFETCHES);
1825       fprintf (dump_file, "    prefetch latency: %d\n", PREFETCH_LATENCY);
1826       fprintf (dump_file, "    prefetch block size: %d\n", PREFETCH_BLOCK);
1827       fprintf (dump_file, "    L1 cache size: %d lines, %d kB\n",
1828                L1_CACHE_SIZE_BYTES / L1_CACHE_LINE_SIZE, L1_CACHE_SIZE);
1829       fprintf (dump_file, "    L1 cache line size: %d\n", L1_CACHE_LINE_SIZE);
1830       fprintf (dump_file, "    L2 cache size: %d kB\n", L2_CACHE_SIZE);
1831       fprintf (dump_file, "    min insn-to-prefetch ratio: %d \n",
1832                MIN_INSN_TO_PREFETCH_RATIO);
1833       fprintf (dump_file, "    min insn-to-mem ratio: %d \n",
1834                PREFETCH_MIN_INSN_TO_MEM_RATIO);
1835       fprintf (dump_file, "\n");
1836     }
1837
1838   initialize_original_copy_tables ();
1839
1840   if (!built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH])
1841     {
1842       tree type = build_function_type (void_type_node,
1843                                        tree_cons (NULL_TREE,
1844                                                   const_ptr_type_node,
1845                                                   NULL_TREE));
1846       tree decl = add_builtin_function ("__builtin_prefetch", type,
1847                                         BUILT_IN_PREFETCH, BUILT_IN_NORMAL,
1848                                         NULL, NULL_TREE);
1849       DECL_IS_NOVOPS (decl) = true;
1850       built_in_decls[BUILT_IN_PREFETCH] = decl;
1851     }
1852
1853   /* We assume that size of cache line is a power of two, so verify this
1854      here.  */
1855   gcc_assert ((PREFETCH_BLOCK & (PREFETCH_BLOCK - 1)) == 0);
1856
1857   FOR_EACH_LOOP (li, loop, LI_FROM_INNERMOST)
1858     {
1859       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1860         fprintf (dump_file, "Processing loop %d:\n", loop->num);
1861
1862       unrolled |= loop_prefetch_arrays (loop);
1863
1864       if (dump_file && (dump_flags & TDF_DETAILS))
1865         fprintf (dump_file, "\n\n");
1866     }
1867
1868   if (unrolled)
1869     {
1870       scev_reset ();
1871       todo_flags |= TODO_cleanup_cfg;
1872     }
1873
1874   free_original_copy_tables ();
1875   return todo_flags;
1876 }