LLVM学习笔记（50）

4.1.4. DAG合并与合法化

来自SelectionDAGBuilder的SelectionDAG输出还不能进行指令选择，必须通过额外的转换——显示在上图。在指令选择前应用的遍序列如下：

• 匹配一组节点，在有利时使用更简单的构造来替换它们，DAG合并遍优化SelectionDAG的结构。例如，(add (Register X), (constant 0))可以折叠为(Register X)。类似的，目标机器的合并方法可以识别节点模式，决定是否合并以及折叠它们，提升目标机器指令选择的质量。方法setTargetDAGCombine标记目标机器希望合并的节点。例如，MIPS后端尝试合并加法——参考lib/Target/Mips/MipsISelLowering.cpp的setTargetDAGCombine(ISD::ADD)与performADDCombine()。

（注：在每个合法化阶段后运行DAG合并以尽量减少SelectionDAG冗余。另外，DAG合并知道运行到遍链（pass chain）的何处（例如，在合法化或向量合法化之后），并且可以更精确地使用这个信息。）

• 类型合法化遍确保指令选择仅需要处理合法的类型。合法类型是目标机器原生支持的类型。例如，在仅支持i32类型的目标机器上带有i64操作数的加法是非法的。在这个情形里，类型合法器执行整数扩展，将一个i64操作数分解为两个i32操作数，同时生成处理它们的合适的代码。目标机器定义每个类型与哪些寄存器类相关，明确声明支持的类型。因此，必须相应地检测与处理非法类型：标量类型可以被提升、扩展或者弱化，而向量类型可以被分裂、标量化或者加宽。同样，目标机器也可以定制类型合法化的方法。类型合法器运行两次，在第一次DAG合并后，以及向量合法化后。
• 存在后端直接支持一个向量类型的情形，这意味着对此有一个寄存器类，但在一个给定向量类型上的一个特定操作不一定。例如，有SSE2的X86支持v4i32向量类型。不过，在ISD::OR上没有支持v4i32类型的X86指令，仅支持v2i64。因此，向量合法化器使用指令的合法类型提升或扩展来处理这些情形。在上述ISD::OR情形里，操作被提升为使用v2i64类型。

（注：对某些类型，扩展将消除向量类型，使用标量类型。这会导致目标机器不支持的标量类型。不过，后续的类型合法化器将清除之。）

• DAG合法化器具有与向量合法化器相同的任务，但处理任何带有不支持类型（标量或向量）的遗留操作。它支持相同的操作：提升，扩展，处理定制节点。例如，x86节点不支持以下三个中的任意一个：i8类型有符号整数到浮点数的操作（ISD::SINT_TO_FP），要求合法化器提升该操作；i32操作数上的有符号除法，要求一个扩展，发布一个库调用来处理该除法；f32操作数上浮点绝对值（ISD::FABS），使用一个定制句柄来生成具有相同效果的代码。X86以下列方式来发布这样的行为（参考lib/Target/X86/X86ISelLowering.cpp）：

setOperationAction(ISD::SINT_TO_FP, MVT::i8, Promote);

setOperationAction(ISD::SDIV, MVT::i32, Expand);

setOperationAction(ISD::FABS, MVT::f32, Custom); 

4.1.5. DAG到DAG的指令选择

 DAG到DAG指令选择的目的是通过模式匹配，将目标机器无关的节点翻译为目标机器特定的节点。指令选择算法是局部的，一次作用在一个SelectionDAG（基本块）实例上。

作为一个例子，在指令选择后，我们的SelectionDAG结构展示如下。CopyToReg，CopyFromReg及Register节点没有触及，并一直维持到寄存器分配。事实上，指令选择阶段甚至可能生成额外的节点。在指令选择后， ISD::ADD节点被翻译为X86指令ADD32ri8，而X86ISD::RET_FLAG被翻译为RET。

（注：在同一个DAG中可能有3种指令表示共存：通用LLVM ISD节点，比如ISD::ADD；目标机器特定的<Target>ISD节点，比如X86ISD::RET_FLAG；以及目标机器的物理指令，比如X86::ADD32ri8。）

4.1.6. 模式匹配

每个目标机器通过在名为<Target_Name>DAGToDAGISel的SelectionDAGISel子类中实现Select()方法来处理指令选择，例如，SPARC中的SparcDAGToDAGISel::Select()。这个方法接受一个要匹配的SDNode参数，返回代表一条物理指令的一个SDNode值；否则出错。

Select()方法允许两个方式来匹配物理指令。最直接的方式是通过调用从TableGen模式生成的匹配代码，就像下面列表中的第一步。不过，模式表达能力可能不足以处理某些指令的古怪行为。在这种情形下，必须在这个方法里编写定制的C++匹配逻辑的实现，就像下面列表的第二步。这个做法的细节如下：

1. Select()方法调用SelectCode。TableGen为每个目标机器生成SelectCode()方法，在这个代码里，TableGen还生成了MatcherTable，将ISD及<Target>ISD节点映射到物理指令节点。这个匹配者表从.td文件（通常是<Target>InstrInfo.td）里的指令定义生成。SelectCode()方法以调用使用该目标机器匹配者表来匹配节点的目标机器无关方法SelectCodeCommon()结束。TableGen有一个专用的指令选择后端来生成这些方法即这个表

$ cd <llvm_source>/lib/Target/Sparc

$ llvm-tblgen -gen-dag-isel Sparc.td -I ../../../include

对每个目标机器，在C++生成文件<build_dir>/lib/Target/<Target>/<Target>GenDAGISel.inc中有相同的输出；例如，SPARC的方法与表在<build_dir>/lib/Target/Sparc/SparcGenDAGISel.inc文件里。

2. 在调用SelectCode()之前提供定制的匹配代码。例如，i32节点ISD::MULHU执行两个i32的乘法，产生一个i64结果，并返回高i32部分。在32位SPARC里，乘法指令SP::UMULrr在特殊寄存器Y中返回高部分，这要求使用SP::RDY指令读出。TableGen不能体现这个逻辑，我们使用下述代码来解决之：

case ISD::MULHU: {

   SDValue MulLHS = N->getOperand(0);

   SDValue MulRHS = N->getOperand(1);

   SDNode *Mul = CurDAG->getMachineNode(SP::UMULrr, dl,

            MVT::i32, MVT::Glue, MulLHS, MulRHS);

   return CurDAG->SelectNodeTo(N, SP::RDY, MVT::i32,

            SDValue(Mul, 1));

}
这里，在这个上下文中，N是要匹配的SDNode实参，它等于ISD::MULHU。因为在这个case语句之前已经执行过完备性检查，我们着手生成SPARC特定的操作码来替换ISD::MULHU。为此，我们调用CurDAG->getMachineNode()创建一个带有物理指令SP::UMULrr的节点。其次，通过使用CurDAG- >SelectNodeTo()，我们创建一个SP::RDY指令节点，然后将所有使用ISD::MULHU节点的地方改为指向SP::RDY的结果。下图展示了这个例子指令选择前后SelectionDAG结构。上述的C++代码片段是lib/Target/Sparc/SparcISelDAGToDAG.cpp代码的简化版。

 

4.1.7. 指令选择过程的可视化

有几个llc选项允许在指令选择的不同阶段可视化SelectionDAG。如果你使用这些选项，llc将生成一个类似于之前展示图的.dot图，不过你需要使用dot程序来显示它，或使用dotty来编辑它，两者都能在www.graphviz.org的Graphviz包里找到。下表以执行序展示了各个选项：

Llc选项	阶段
-view-dag-combine1-dags	在DAG合并1之前
-view-legalize-types-dags	在类型合法化之前
-view-dag-combine-lt-dags	类型合法化2之后，DAG合并之前
-view-legalize-dags	合法化之前
-view-dag-combine2-dags	DAG合并2之前
-view-isel-dags	在指令选择之前
-view-sched-dags	指令选择之后，调度之前

44.1.8. 快速指令选择

LLVM还支持另一个称为快速指令选择的实现。快速指令选择的目的是，以代码质量为代价，提供快速的代码生成，它适合于-O0级别优化过程的哲学。速度提升归因于避免复杂的折叠与降级逻辑。TableGen描述也用于简单的操作，但指令更复杂的匹配要求目标机器特定的处理代码。

（-O0过程还使用快速的次优寄存器分配器及调度器，以代码质量换取编译速度。）