LLVM学习笔记（52）

Posted 2023-03-01 wuhui_gdnt

3.11. GlobalISel代码的自动生成（v7.0）

3.11.1. 概述

GlobalISel是LLVM的一个新锐指令选择器。关于它的描述，首先是LLVM的在线文档：

第一部分参考v7.0的变化一节。 通用机器IR 机器IR工作在物理寄存器、寄存器类，以及（大部分情形）目标机器特定指令上。 为了填补LLVM IR的空缺，GlobalISel引入了机器IR的“通用”扩展： 通用指令 通用虚拟寄存器 寄存器组（Register Bank） 低级类型（Lower Level Type，LLT） 注意：通用MIR（GMIR）表示仍然包含了对IR构造的引用（比如GlobalValue）。消除这些将使我们写出更准确的测试，或者在构建最初的MIR后删除IR。不过，这不是GlobalISel着力之处。 通用指令 主要的扩展是对pre-isel的通用机器指令的支持（比如G_ADD）。像其他目标机器无关指令（比如COPY或PHI），在所有目标机器上可用。 TODO：虽然我们持续加入指令，一种指令特别地暴露了有趣的问题：比较以及如何表示条件码。某些目标机器（x86，ARM）有设置多个标记的通用比较，由各种预测使用。其他（IR）在比较中指明谓词，使用者仅获得一个比特。SelectionDAG分别使用SETCC/CONDBR与BR_CC（对选择类似）来表示这。 类MachineIRBuilder封装了MachineInstrBuilder，提供了创建这些通用指令的便利方法。 通用虚拟寄存器 通用指令工作在一种新寄存器上：“通用”虚拟寄存器。与非通用虚拟寄存器相反，它们没有被分配一个寄存器类。相反，通用虚拟寄存器有一个低级类型，可以分配一个寄存器组。 像处理非通用虚拟寄存器那样，MachineRegisterInfo追踪相同的信息（比如use-def链）。另外，它还追踪寄存器的低级类型，以及RegisterBank，而不是TargetRegisterClass，如果有的话。 为了简单起见，大多数通用指令仅接受通用虚拟寄存器： 不使用立即数，它们使用一个由一条指令具现的该立即数定义的通用虚拟寄存器（参考常量降级）。 不使用物理寄存器，它们使用由一个COPY定义的通用虚拟寄存器。 注意：我们以一个替代的表示开始，其中MRI追踪每个通用虚拟寄存器的大小，指令有若干组类型。这有两个缺陷：类型与大小是重复的，没有通用的方式来获取一个指定操作数的类型（因为在指令类型与操作数间没有一一映射）。我们考虑在MCInstrDesc的某个变形中加入类型：参考PR26576：[GlobalISel] Generic MachineInstrs need a type but this increases the memory footprint of the related objects 寄存器组 参考上面RegisterBank代码的自动生成（v7.0）里的描述。 低级类型 每个通用虚拟寄存器具有类型，由一个LLT类的实例表示。 类似于EVT/MVT/Type，它不区分无符号与有符号整数类型。另外，它也不区分整数与浮点类型：它主要携带绝对必需的信息，比如大小以及向量通道数： sN用于标量 pN用于指针 <N x sM>用于向量 unsized用于标签等 LLT目的在于在SelectionDAG中替换EVT。 下面是一些LLT例子，以及它们等价的EVT与Type： LLT EVT IR Type s1 i1 i1 s8 i8 i8 s32 i32 i32 s32 f32 float s17 i17 i17 s16 N/A i8, i8 s32 N/A [4 x i8] p0 iPTR i8*, i32*, %opaque* p2 iPTR i8 addrspace(2)* <4 x s32> v4f32 <4 x float> s64 v1f64 <1 x double> <3 x s32> v3i23 <3 x i32> unsized Other label 基本原理：指令已经编码了类型的一个特定解释（比如add与fadd，或者sdiv与udiv）。另外，在类型系统中编码这个信息需要对选择器而言没有益处的bitcast。 指针类型由地址空间来区分。这与IR相配，与SelectionDAG中地址空间是操作的一个属性相左。这个表示更好地支持依赖于地址空间的不同大小的指针。 注意：当前，LLT要求向量里至少2个元素，但一些目标机器有“单元素向量”的概念。把它们表示为底下的标量类型是一个良好的简化。 TODO：当前，非通用虚拟寄存器，由非pre-isel通用指令定义，不能有类型，因此不能被一条pre-isel指令使用。取而代之，使用一个COPY向它们给出一个类型。我们可以放松这个要求，允许所有虚拟寄存器有类型：在流水线早期发布目标机器特定MIR时，这将减少所要求的MI数量。这应该纯粹是一个编译时优化。 核心流水线 有4个所要求的遍，与优化模式无关： IRTranslator API：CallLowering 聚集类型 常量降级 Legalizer API：LegalizerInfo 非2次幂类型 向量类型 RegBankSelect API：RegisterBankInfo RegBankSelect模式 InstructionSelect API：InstructionSelector SelectionDAG规则导入 PatLeaf谓词 定制SDNode ComplexPattern 可以在更高的优化层次或者对特定目标机器插入额外的遍。例如，匹配当前SelectionDAG转换集合：MachineCSE与每个遍之间一个更好的MachineCombiner。 注意：理论上，不是所有的遍都是必需的。作为一个额外的编译时优化，通过设置相关的MachineFunction属性，我们可以跳过某些遍。例如，如果IRTranslator没有遇到任何非法指令，它将设置legalized属性来避免运行Legalizer。类似的，我们考虑在每目标机器基础上特化IRTranslator来直接发布目标机器特定的MI。不过，我们决定保持核心流水线简单，集中精力在no-op情形里尽可能减小遍的开销。 IRTranslator 这个遍将输入的LLVM IR Function翻译为一个GMIR MachineFunction。 TODO：当前这不支持更复杂的指令，特别是涉及控制流的那些（switch，invoke，……）。特别对于switch，我们可以一开始使用LowerSwitch遍。 API：CallLowering IRTranslator（使用目标机器提供的CallLowering）通过将调用、返回及实参降级（lowering）到合适的寄存器使用以及指令序列，也实现了该ABI的调用惯例。 聚集类型 聚集类型被降级为单个标量虚拟寄存器。这不同于通过GetValueVTs得到的SelectionDAG的多虚拟寄存器。 TODO：因为某些比特位是未定义的（填充位），我们应该考虑以额外的元数据扩展该表示（实际上，虚拟寄存器上缓存了computeKnownBits信息）。参考PR26161：[GlobalISel] Value to vreg during IR to MachineInstr translation for aggregate type 常量降级 IRTranslator将常量操作数降级到由G_CONSTANT或G_FCONSTANT指令定义的通用虚拟寄存器的使用。当前这些指令总是发布在入口基本块。在一个MachineFunction中，每个常量由单个通用虚拟寄存器具现。 这是有利的，因为它允许我们在指令选择期间将常量折叠为立即数操作数，同时仍然避免了对高代价非可折叠常量重复具现。不过，在一个-O流水线中，这会导致不必要的溅出与重载，因为这些虚拟寄存器可以有长的生命期。 TODO：我们正在调查，以快速以及优化的模式，放置这些指令更好的地方。 Legalizer 这个遍转换通用机器指令，使之合法。 合法指令被定义为： 可选择——目标机器后面能够把它选择为目标机器特定（非通用）指令。 工作在可以载入及保存的虚拟寄存器上——如果必要，对每个通用虚拟寄存器操作数，目标机器可以选择一个G_LOAD/G_STORE。 与SelectionDAG相反，不存在合法化遍。特别的，‘类型’与‘操作’合法化不是分开的。 合法化是迭代的，所有的状态包含在GMIR中。为了维护中间代码的有效性，引入指令： G_MERGE_VALUES——将多个相同大小的寄存器合并为单个更大的寄存器。 G_UNMERGE_VALUES——从单个更大的寄存器获取多个相同大小的寄存器。 G_EXTRACT——从单个更大的寄存器获取一个简单寄存器（作为连续比特序列）。 因为预期为合法化过程的副产品，它们在Legalizer遍的末尾合并。如果有任何遗留，它们预期总是可选择的，必要时使用载入及保存。 API：LegalizerInfo 当前，这个API大体上类似于SelectionDAG/TargetLowering，但以两个方式扩展： 可用活动的集合更宽泛，避免了当前过分重载的Expand（这可以涵盖从libcall到依赖于节点操作码的标量化）。 因为没有独立的类型合法化，一条指令上单独变化的类型可以有独立的活动。例如，G_ICMP有2个独立的类型：结果与输入；我们需要能够表达比较2个32s是OK的，但必须以另一个方式处理s1的结果。 这样，在决定做什么时的关键是InstrAspect，本质上一个包含(Opcode, TypeIdx, Type)并映射到一个建议的行动方针的元组。 一个样例使用可以是： // The CPU can't deal with an s1 result, do something about it. setAction(G_ICMP, 0, s1, WidenScalar); // An s32 input (the second type) is fine though. setAction(G_ICMP, 1, s32, Legal); TODO：一个值得调查的替代方案是推广这个API来表示活动，使用实现这个活动的std:: function，而不是显式的enum符号（Legal，WidenScalar，……）。【作者注：V7.0里已经实现了这一点，并在进一步完善中，参考后面有关LegalizeRule的章节】 TODO：另外，我们可以使用TableGen从现有的模式一开始推导操作的合法性（因为任何我们可以选择的模式根据定义是合法的）。扩展这来描述合法化活动，是一个大得多，但潜在有用的项目。 非2次幂类型 TODO：当前不支持大小不是2次幂的类型。可能要求改变setAction API来支持它们。即使名义上明确地说明操作也仅给出像“加宽”或“收窄”的建议。最终类型仍然没有指明，通过重复加倍/减半类型大小来执行一个检索。对不是2次幂的类型这是不对的。有理由期望我们可以构造一组高效的旁表（side-tables），编码一个从整数（如当前类型大小）到类型（合法大小）的映射，用于更通用的查找。 向量类型 向量首先合法化它们的元素类型：<A x sB>变成<A x sC>使至少一个使用sC的操作成为合法。 当前，这通过函数setScalarInVectorAction来说明，例如调用为： setScalarVectorAcction(G_ICMP, s1, WidenScalar); 接着选择元素数，使得整个操作合法。这时这方面是不可控的，但可能应该可以（你可以想象在一个<2 x s8>操作是否应该被向量化或扩展为<8 x s8>上的分歧）。 RegBankSelect 这个遍把通用指令的通用虚拟寄存器限制在某个寄存器组。 它迭代地将指令映射到一组每操作数的组分配。可能的映射由目标机器提供的RegisterBankInfo确定。然后应用这个映射，如果必要可以引入COPY指令。 它自顶向下遍历MachineFunction，使得在分析一条指令时，所有的操作数都已经被映射。 在有利时，这个遍也可以重新映射目标机器特定的指令。在将来，这可以替代ExeDepsFix遍，因为对在多个组上可用的一条指令，我们可以直接选择最好的变种。 API：RegisterBankInfo 类RegisterBankInfo描述了寄存器组的多个方面。 组：addRegBankCoverage——哪个寄存器组覆盖每个寄存器类。 跨组拷贝：copyCost——从一个组到另一个COPY的代价。 缺省映射：getInstrMapping——对一条给定指令，缺省的组分配。 替代映射：getInstrAlternativeMapping——对一条给定指令，其他可能的组分配。 TODO：所有这些信息最终应该是静态的，且由TableGen生成，主要使用由组描述扩展的现有信息。 TODO：getInstrMapping当前与getInstrAlternativeMapping分开，因为后者代价更高：随着我们迁移到静态映射信息，这两个方法都将是没有代价的，且我们应该合并它们。 RegBankSelect模式 当前RegBankSelect有两个模式： 快速——对每条指令，挑选一个目标机器提供的“缺省”组分配。这是-O0的缺省。 贪婪——对每条指令，挑选几个目标机器提供的组分配候选方案中代价最低的。 我们目的在于最终引入一个额外的优化模式： 全局——跨过多条指令，挑选代价最低的组分配组合。 注意：在AArch64上，我们正在考虑在-O0使用贪婪模式（或者可能在后端-O1）：因为低级类型不区分浮点与整形标量，对载入及保存的缺省分配是整形组，在大多数浮点操作上引入跨组拷贝。 InstructionSelect 这个遍将通用机器指令转换为等价的目标机器特定的指令。它自顶向下遍历MachineFunction，选择定义前（before definition）的使用，启用平凡的死代码消除。 API：InstructionSelector 目标机器实现类InstructionSelector，包含目标机器特定的选择逻辑。 实例由子目标机器提供，使得可以根据子目标机器特性特化选择器（比如，一个重载一个通用公共选择器部分的向量选择器）。我们还可能希望通过MachineFunction参数化它，启用基于像optsize的函数属性的选择器变形。 样例API包含： virtual bool select(MachineInstr &MI) 这个目标机器提供的方法负责将一个可能通用的MI突变（mutating）（或替换）为一个完全目标机器特定的等价对象。它还负责执行把通用虚拟寄存器的必要限制翻译成合适的寄存器类，以及向寄存器分配器传递COPY指令。 通过遍历虚拟寄存器操作数的use-def链，InstructionSelector可以将其他指令折叠为被选中的MI。因为GlobalISel是全局的，这个折叠可以跨基本块出现。 SelectionDAG规则导入 TableGen将导入SelectionDAG规则，并提供以下函数来执行它们： bool selectImpl(MachineInstr &MI) 选项-stats可用于确定规则的多大比例被成功导入。使用这最简单的方式是从ninja -v拷贝-gen-globalisel TableGen命令并修改它。 类似地，选项-warn-on-skipped-patterns可用于获取规则没被导入的原因。这可用于关注最重要的拒绝理由。 PatLeaf谓词 PatLeaf不能导入，因为它们的C++实现是SDNode对象的形式。处理立即数谓词的PatLeaf应该视情况被ImmLeaf，IntImmLeaf或FPImmLeaf替换。 对其他PatLeaf没有标准答案。某些标准的谓词已经被构造进TableGen，但一般不应该这样做。 定制SDNode 应该使用GINodeEquiv将定制SDNode映射到目标机器伪指令（target pseduo）。这会导致指令选择器导入它们，但你还需要确保这些目标机器伪指令在这个指令选择器之前被加入MIR。 任何之前的遍都是合适的，但合法化器将是特别常见的选择。 ComplexPattern ComplexPattern不能导入，因为它们的C++实现是SDNode对象的形式。GlobalISel版本应该通过GIComplexOperandMatcher定义，并通过GIComplexPatternEquiv映射到ComplexPattern。 对移植ComplexPattern，以下谓词是有用的： isBaseWithConstantOffset()——检查基址+偏移结构体 isOperandImmEqual()——检查一个特定的常量 isObviouslySafeToFold()——检查一条指令不能下移并折叠入另一条指令的原因。 对C++实现这些是重点： 不要在谓词里修改MIR 渲染器lambda应该由值捕捉，以避免使用后释放。它们将在谓词返回后被使用。 仅在渲染器lambda中创建指令。GlobalISel将不能清除你创建但不使用的东西。 维护性 迭代性转换 遍被分解为小的、迭代性的转换，所有的状态以MIR表示。 这不同于使用各种内存中旁表的SelectionDAG（特别是合法化器）。 MIR序列化 通用机器IR是可序列化的（参考Machine IR (MIR) Format Reference Manual）。结合迭代式转换，这使得更细致的测试成为可能，而不是要求大的且脆弱的IR到汇编的测试。 在核心流水线中当前“阶段”由一组MachineFunctionProperties来表示： legalized regBankSelected selected MachineVerifier 遍做法让我们使用MachineVerifier来强制不变量。例如，regBankSelected方法可能没有不附属组的通用虚拟寄存器。 TODO：MachineVerifier是整体的，我们希望执行的某些检查不能整合进去：GlobalISel是独立的库，因此我们不能直接从CodeGen引用它。例如，合法性检查当前在恰当的RegBankSelect/ InstructionSelect中完成。我们可以在检查外添加#ifdef，或添加某种验证器API。 进展与将来的工作 最初的目标是在AArch64上替代FastISel。下一步将是作为优化的ISel替换SelectionDAG。 注意：在遍历GlobalISel时，我们努力避免影响SelectionDAG、FastISel或其他MIR遍的性能。例如，通用虚拟寄存器的类型保存在MachineRegisterInfo中的一张独立表里，在InstructionSelect后被销毁。 FastISel替换 对最初的FastISel替换，我们的目的是在选择失败时，回退到SelectionDAG。 当前，快速流水线的编译时间在FastISel的1.5倍之内。我们对达到1.1/1.2倍以内感到乐观，但鉴于多遍的做法，击败FastISel将是极有挑战性的。不过，支持所有的IR（通过一个完整的合法化器），避免在最坏情形里回退到SelectionDAG，将比SelectionDAG+FastISel，能更好地分摊性能。 注意：我们考虑从不回退到SelectionDAG，相反及早决定给定的函数GlobalISel是否支持。这个决定将基于合法化器的查询。我们因为两个原因放弃回退：1）在IR输入上，我们需要模拟IRTranslator；2）对没有预见的失败变得健壮，并使得迭代改进成为可能。

事实上，SelectionDAG是在SDNode上执行选择，生成MachineSDNode对象，在这些对象上进行若干处理后，再转换为MachineInstr对象。GlobIalISel则工作在MachineInstr上（严格地说，这个系统也工作在SDNode上，不过先通过IRTranslator将SDNode翻译为MachineInstr），执行MachineInstr到MachineInstr的选择。

后面我们可以看到，GlobalISel与SelectionDAG共用指令、目标机器的TD描述和处理，它们都是从PatternToMatch对象开始构建关键的匹配表，它们匹配表的构造也是类似的。因为GlobalISel在MachineFunction、MachineBasicBlock及MachineInstr上工作，可以使用它们的方法对MachineInstr进行处理，这提高了代码的重用性，也加速了指令的处理。

3.11.1.1. 指令的定义

在.td文件层面，GlobalISel使用的指令定义的基类是StandardPseudoInstruction（Target.td）：

915     class StandardPseudoInstruction : Instruction

916       let mayLoad = 0;

917       let mayStore = 0;

918       let isCodeGenOnly = 1;

919       let isPseudo = 1;

920       let hasNoSchedulingInfo = 1;

921       let Namespace = "TargetOpcode";

922    

从StandardPseudoInstruction可以派生出目标机器无关的指令定义，如PHI。这些指令也在文件TargetOpcodes.def中描述。另外，GenericInstruction直接从StandardPseudoInstruction派生：

19       class GenericInstruction : StandardPseudoInstruction

从GenericInstruction派生出G_ANYEXT等这些GlobalISel的指令定义。如：

23       def G_ANYEXT : GenericInstruction

24         let OutOperandList = (outs type0:$dst);

25         let InOperandList = (ins type1:$src);

26         let hasSideEffects = 0;

27      

其中OutOperandList指定的输出类型是下面的type0（类似的还有type1~type5），这就是所谓的Generic类型。GlobalISel指令使用这些类型并没有指定具体的类型，后面合法化的配置过程里，会给出具体类型以及合法化方案。这里，type0~type5只是用于表示不同的类型，也就是说一个指令定义可以最多使用6个不同类型。

这样的好处是无需再为使用具体不同的类型的指令给出各自的定义，像这里定义的G_ANYEXT就不依赖任何具体类型。

813     def type0 : TypedOperand<"OPERAND_GENERIC_0">;

注意在下面TypedOperand的定义中，基类Operand的参数是untyped，即对GlobalISel而言，这些操作数被视为无类型（其实是所谓的低级类型，LLT）。

808     class TypedOperand<string Ty> : Operand<untyped>

809       let OperandType = Ty;

810       bit IsPointer = 0;

811    

不过813行的TypedOperand的参数字符串”OPERAND_GENERIC_0”会导出到X86GenInstrInfo.inc中，它是MCInstrDesc.h里枚举类型OperandType的其中一个字面量。MCOperandInfo用它们来识别通用指令（参考MCOperandInfo:: isGenericType()）。

GlobalISel的其他通用指令定义也出现在TD文件GenericOpcodes.td中。注意，这些指令定义都是目标机器无关的。同样，GlobalIS