[midend-LoopAnalysis]为项目添加别名分析遍,副作用分析遍,循环分析遍,循环特征分析遍

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@@ -0,0 +1,208 @@
#pragma once
#include "IR.h"
#include "Pass.h"
#include <map>
#include <set>
#include <vector>
#include <memory>
namespace sysy {
// 前向声明
class MemoryLocation;
class AliasAnalysisResult;
/**
* @brief 别名关系类型
* 按风险等级递增排序
*/
enum class AliasType {
NO_ALIAS = 0, // 确定无别名 (不同的局部数组)
SELF_ALIAS = 1, // 自别名 (同一数组的不同索引)
POSSIBLE_ALIAS = 2, // 可能有别名 (函数参数数组)
UNKNOWN_ALIAS = 3 // 未知 (保守估计)
};
/**
* @brief 内存位置信息
* 描述一个内存访问的基础信息
*/
struct MemoryLocation {
Value* basePointer; // 基指针 (剥离GEP后的真实基址)
Value* accessPointer; // 访问指针 (包含索引信息)
// 分类信息
bool isLocalArray; // 是否为局部数组
bool isFunctionParameter; // 是否为函数参数
bool isGlobalArray; // 是否为全局数组
// 索引信息
std::vector<Value*> indices; // GEP索引列表
bool hasConstantIndices; // 是否为常量索引
bool hasLoopVariableIndex; // 是否包含循环变量
int constantOffset; // 常量偏移量 (仅当全部为常量时有效)
// 访问模式
bool hasReads; // 是否有读操作
bool hasWrites; // 是否有写操作
std::vector<Instruction*> accessInsts; // 所有访问指令
MemoryLocation(Value* base, Value* access)
: basePointer(base), accessPointer(access),
isLocalArray(false), isFunctionParameter(false), isGlobalArray(false),
hasConstantIndices(false), hasLoopVariableIndex(false), constantOffset(0),
hasReads(false), hasWrites(false) {}
};
/**
* @brief 别名分析结果
* 存储一个函数的完整别名分析信息
*/
class AliasAnalysisResult : public AnalysisResultBase {
public:
AliasAnalysisResult(Function *F) : AssociatedFunction(F) {}
~AliasAnalysisResult() override = default;
// ========== 基础查询接口 ==========
/**
* 查询两个指针之间的别名关系
*/
AliasType queryAlias(Value* ptr1, Value* ptr2) const;
/**
* 查询指针的内存位置信息
*/
const MemoryLocation* getMemoryLocation(Value* ptr) const;
/**
* 获取所有内存位置
*/
const std::map<Value*, std::unique_ptr<MemoryLocation>>& getAllMemoryLocations() const {
return LocationMap;
}
// ========== 高级查询接口 ==========
/**
* 检查指针是否为局部数组
*/
bool isLocalArray(Value* ptr) const;
/**
* 检查指针是否为函数参数数组
*/
bool isFunctionParameter(Value* ptr) const;
/**
* 检查指针是否为全局数组
*/
bool isGlobalArray(Value* ptr) const;
/**
* 检查指针是否使用常量索引
*/
bool hasConstantAccess(Value* ptr) const;
// ========== 统计接口 ==========
/**
* 获取各类别名类型的统计信息
*/
struct Statistics {
int totalQueries;
int noAlias;
int selfAlias;
int possibleAlias;
int unknownAlias;
int localArrays;
int functionParameters;
int globalArrays;
int constantAccesses;
};
Statistics getStatistics() const;
/**
* 打印别名分析结果 (调试用)
*/
void print() const;
// ========== 内部方法 ==========
void addMemoryLocation(std::unique_ptr<MemoryLocation> location);
void addAliasRelation(Value* ptr1, Value* ptr2, AliasType type);
// ========== 公开数据成员 (供Pass使用) ==========
std::map<Value*, std::unique_ptr<MemoryLocation>> LocationMap; // 内存位置映射
std::map<std::pair<Value*, Value*>, AliasType> AliasMap; // 别名关系缓存
private:
Function *AssociatedFunction; // 关联的函数
// 分类存储
std::vector<Argument*> ArrayParameters; // 数组参数
std::vector<AllocaInst*> LocalArrays; // 局部数组
std::set<GlobalValue*> AccessedGlobals; // 访问的全局变量
};
/**
* @brief SysY语言特化的别名分析Pass
* 针对SysY语言特性优化的别名分析实现
*/
class SysYAliasAnalysisPass : public AnalysisPass {
public:
// 唯一的 Pass ID
static void *ID;
SysYAliasAnalysisPass() : AnalysisPass("SysYAliasAnalysis", Pass::Granularity::Function) {}
// 实现 getPassID
void *getPassID() const override { return &ID; }
// 核心运行方法
bool runOnFunction(Function *F, AnalysisManager &AM) override;
// 获取分析结果
std::unique_ptr<AnalysisResultBase> getResult() override { return std::move(CurrentResult); }
private:
std::unique_ptr<AliasAnalysisResult> CurrentResult; // 当前函数的分析结果
// ========== 主要分析流程 ==========
void collectMemoryAccesses(Function* F); // 收集内存访问
void buildAliasRelations(Function* F); // 构建别名关系
void optimizeForSysY(Function* F); // SysY特化优化
// ========== 内存位置分析 ==========
std::unique_ptr<MemoryLocation> createMemoryLocation(Value* ptr);
Value* getBasePointer(Value* ptr); // 获取基指针
void analyzeMemoryType(MemoryLocation* location); // 分析内存类型
void analyzeIndexPattern(MemoryLocation* location); // 分析索引模式
// ========== 别名关系推断 ==========
AliasType analyzeAliasBetween(MemoryLocation* loc1, MemoryLocation* loc2);
AliasType compareLocalArrays(MemoryLocation* loc1, MemoryLocation* loc2);
AliasType compareParameters(MemoryLocation* loc1, MemoryLocation* loc2);
AliasType compareWithGlobal(MemoryLocation* loc1, MemoryLocation* loc2);
AliasType compareMixedTypes(MemoryLocation* loc1, MemoryLocation* loc2);
// ========== SysY特化优化 ==========
void applySysYConstraints(Function* F); // 应用SysY语言约束
void optimizeParameterAnalysis(Function* F); // 优化参数分析
void optimizeArrayAccessAnalysis(Function* F); // 优化数组访问分析
// ========== 辅助方法 ==========
bool isConstantValue(Value* val); // 是否为常量
bool hasLoopVariableInIndices(const std::vector<Value*>& indices, Function* F);
int calculateConstantOffset(const std::vector<Value*>& indices);
void printStatistics() const; // 打印统计信息
};
} // namespace sysy

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@@ -4,8 +4,10 @@
#include "IR.h" // 包含 IR 定义
#include "Pass.h" // 包含 Pass 框架
#include <algorithm>
#include <functional>
#include <map>
#include <memory>
#include <optional>
#include <queue> // 用于循环体块的逆向遍历
#include <set>
#include <vector>
@@ -92,6 +94,65 @@ public:
return backEdgeCount == 1;
}
/**
* 获取所有出口目标块 (循环外接收循环出口边的块)
* 使用场景: 循环后置处理、phi节点分析
*/
std::vector<BasicBlock*> getExitTargetBlocks() const {
std::set<BasicBlock*> exitTargetSet;
for (BasicBlock* bb : LoopBlocks) {
for (BasicBlock* succ : bb->getSuccessors()) {
if (!contains(succ)) {
exitTargetSet.insert(succ);
}
}
}
return std::vector<BasicBlock*>(exitTargetSet.begin(), exitTargetSet.end());
}
/**
* 计算循环的"深度"相对于指定的祖先循环
* 使用场景: 相对深度计算、嵌套分析
*/
int getRelativeDepth(Loop* ancestor) const {
if (this == ancestor) return 0;
int depth = 0;
Loop* current = this->ParentLoop;
while (current && current != ancestor) {
depth++;
current = current->ParentLoop;
}
return current == ancestor ? depth : -1; // -1表示不是祖先关系
}
/**
* 检查循环是否包含函数调用
* 使用场景: 内联决策、副作用分析
*/
bool containsFunctionCalls() const {
for (BasicBlock* bb : LoopBlocks) {
for (auto& inst : bb->getInstructions()) {
if (dynamic_cast<CallInst*>(inst.get())) {
return true;
}
}
}
return false;
}
/**
* 估算循环的"热度" (基于嵌套深度和大小)
* 使用场景: 优化优先级、资源分配
*/
double getLoopHotness() const {
// 简单的热度估算: 深度权重 + 大小惩罚
double hotness = std::pow(2.0, Level); // 深度越深越热
hotness /= std::sqrt(LoopBlocks.size()); // 大小越大相对热度降低
return hotness;
}
// --- 供 LoopAnalysisPass 内部调用的方法,用于构建 Loop 对象 ---
void addBlock(BasicBlock *BB) { LoopBlocks.insert(BB); }
void addExitBlock(BasicBlock *BB) { ExitBlocks.insert(BB); }
@@ -112,81 +173,345 @@ private:
/**
* @brief 循环分析结果类。
* 包含一个函数中所有识别出的循环。
* 包含一个函数中所有识别出的循环,并提供高效的查询缓存机制
*/
class LoopAnalysisResult : public AnalysisResultBase {
public:
LoopAnalysisResult(Function *F) : AssociatedFunction(F) {}
~LoopAnalysisResult() override = default;
// ========== 缓存统计结构 ==========
struct CacheStats {
size_t innermostLoopsCached;
size_t outermostLoopsCached;
size_t loopsByDepthCached;
size_t containingLoopsCached;
size_t allNestedLoopsCached;
size_t totalCachedQueries;
};
private:
// ========== 高频查询缓存 (必须缓存) ==========
mutable std::optional<std::vector<Loop*>> cachedInnermostLoops;
mutable std::optional<std::vector<Loop*>> cachedOutermostLoops;
mutable std::optional<int> cachedMaxDepth;
mutable std::optional<size_t> cachedLoopCount;
mutable std::map<int, std::vector<Loop*>> cachedLoopsByDepth;
// ========== 中频查询缓存 (选择性缓存) ==========
mutable std::map<BasicBlock*, Loop*> cachedInnermostContainingLoop;
mutable std::map<Loop*, std::set<Loop*>> cachedAllNestedLoops; // 递归嵌套
mutable std::map<BasicBlock*, std::vector<Loop*>> cachedAllContainingLoops;
// ========== 缓存状态管理 ==========
mutable bool cacheValid = true;
// 内部辅助方法
void invalidateCache() const {
cachedInnermostLoops.reset();
cachedOutermostLoops.reset();
cachedMaxDepth.reset();
cachedLoopCount.reset();
cachedLoopsByDepth.clear();
cachedInnermostContainingLoop.clear();
cachedAllNestedLoops.clear();
cachedAllContainingLoops.clear();
cacheValid = false;
}
void ensureCacheValid() const {
if (!cacheValid) {
// 重新计算基础缓存
computeBasicCache();
cacheValid = true;
}
}
void computeBasicCache() const {
// 计算最内层循环
if (!cachedInnermostLoops) {
cachedInnermostLoops = std::vector<Loop*>();
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->isInnermost()) {
cachedInnermostLoops->push_back(loop.get());
}
}
}
// 计算最外层循环
if (!cachedOutermostLoops) {
cachedOutermostLoops = std::vector<Loop*>();
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->isOutermost()) {
cachedOutermostLoops->push_back(loop.get());
}
}
}
// 计算最大深度
if (!cachedMaxDepth) {
int maxDepth = 0;
for (const auto& loop : AllLoops) {
maxDepth = std::max(maxDepth, loop->getLoopDepth());
}
cachedMaxDepth = maxDepth;
}
// 计算循环总数
if (!cachedLoopCount) {
cachedLoopCount = AllLoops.size();
}
}
public:
// ========== 基础接口 (保持向后兼容,但增加缓存失效) ==========
// 添加一个识别出的循环到结果中
void addLoop(std::unique_ptr<Loop> loop) {
invalidateCache(); // 添加新循环时失效缓存
AllLoops.push_back(std::move(loop));
// 也可以选择将 Loop* 存储到 map 中,方便通过 header 查找
LoopMap[AllLoops.back()->getHeader()] = AllLoops.back().get();
}
// 获取所有识别出的循环unique_ptr 管理内存)
const std::vector<std::unique_ptr<Loop>> &getAllLoops() const { return AllLoops; }
// 获取所有最外层循环
const std::vector<Loop *> &getOutermostLoops() const { return OutermostLoops; }
const std::vector<Loop *> &getInnermostLoops() const { return InnermostLoops; }
// 获取循环总数
size_t getLoopCount() const { return AllLoops.size(); }
// 获取最大循环嵌套深度
int getMaxLoopDepth() const {
int maxDepth = 0;
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->getLoopDepth() > maxDepth) {
maxDepth = loop->getLoopDepth();
// ========== 高频查询接口 (缓存优化) ==========
/**
* 获取所有最内层循环 - 循环优化的主要目标
* 使用场景: 循环展开、向量化、循环不变量外提
*/
const std::vector<Loop*>& getInnermostLoops() const {
ensureCacheValid();
if (!cachedInnermostLoops) {
cachedInnermostLoops = std::vector<Loop*>();
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->isInnermost()) {
cachedInnermostLoops->push_back(loop.get());
}
}
}
return maxDepth;
return *cachedInnermostLoops;
}
/**
* 获取所有最外层循环
* 使用场景: 循环树遍历、整体优化策略
*/
const std::vector<Loop*>& getOutermostLoops() const {
ensureCacheValid();
if (!cachedOutermostLoops) {
cachedOutermostLoops = std::vector<Loop*>();
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->isOutermost()) {
cachedOutermostLoops->push_back(loop.get());
}
}
}
return *cachedOutermostLoops;
}
/**
* 获取指定深度的所有循环
* 使用场景: 分层优化、循环展开决策、并行化分析
*/
const std::vector<Loop*>& getLoopsAtDepth(int depth) const {
ensureCacheValid();
if (cachedLoopsByDepth.find(depth) == cachedLoopsByDepth.end()) {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->getLoopDepth() == depth) {
result.push_back(loop.get());
}
}
cachedLoopsByDepth[depth] = std::move(result);
}
return cachedLoopsByDepth[depth];
}
/**
* 获取最大循环嵌套深度
* 使用场景: 优化预算分配、编译时间控制
*/
int getMaxLoopDepth() const {
ensureCacheValid();
if (!cachedMaxDepth) {
int maxDepth = 0;
for (const auto& loop : AllLoops) {
maxDepth = std::max(maxDepth, loop->getLoopDepth());
}
cachedMaxDepth = maxDepth;
}
return *cachedMaxDepth;
}
/**
* 获取循环总数
* 使用场景: 统计信息、优化决策
*/
size_t getLoopCount() const {
ensureCacheValid();
if (!cachedLoopCount) {
cachedLoopCount = AllLoops.size();
}
return *cachedLoopCount;
}
// 获取指定深度的循环数量
size_t getLoopCountAtDepth(int depth) const {
size_t count = 0;
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->getLoopDepth() == depth) {
count++;
}
}
return count;
return getLoopsAtDepth(depth).size();
}
// 检查函数是否包含循环
bool hasLoops() const { return !AllLoops.empty(); }
// ========== 中频查询接口 (选择性缓存) ==========
/**
* 获取包含指定基本块的最内层循环
* 使用场景: 活跃性分析、寄存器分配、指令调度
*/
Loop* getInnermostContainingLoop(BasicBlock* BB) const {
ensureCacheValid();
if (cachedInnermostContainingLoop.find(BB) == cachedInnermostContainingLoop.end()) {
Loop* result = nullptr;
int maxDepth = -1;
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->contains(BB) && loop->getLoopDepth() > maxDepth) {
result = loop.get();
maxDepth = loop->getLoopDepth();
}
}
cachedInnermostContainingLoop[BB] = result;
}
return cachedInnermostContainingLoop[BB];
}
/**
* 获取包含指定基本块的所有循环 (从外到内排序)
* 使用场景: 循环间优化、依赖分析
*/
const std::vector<Loop*>& getAllContainingLoops(BasicBlock* BB) const {
ensureCacheValid();
if (cachedAllContainingLoops.find(BB) == cachedAllContainingLoops.end()) {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& loop : AllLoops) {
if (loop->contains(BB)) {
result.push_back(loop.get());
}
}
// 按深度排序 (外层到内层)
std::sort(result.begin(), result.end(),
[](Loop* a, Loop* b) { return a->getLoopDepth() < b->getLoopDepth(); });
cachedAllContainingLoops[BB] = std::move(result);
}
return cachedAllContainingLoops[BB];
}
/**
* 获取指定循环的所有嵌套子循环 (递归)
* 使用场景: 循环树分析、嵌套优化
*/
const std::set<Loop*>& getAllNestedLoops(Loop* loop) const {
ensureCacheValid();
if (cachedAllNestedLoops.find(loop) == cachedAllNestedLoops.end()) {
std::set<Loop*> result;
std::function<void(Loop*)> collectNested = [&](Loop* current) {
for (Loop* nested : current->getNestedLoops()) {
result.insert(nested);
collectNested(nested); // 递归收集
}
};
collectNested(loop);
cachedAllNestedLoops[loop] = std::move(result);
}
return cachedAllNestedLoops[loop];
}
// ========== 低频查询接口 (按需计算,不缓存) ==========
/**
* 检查两个循环是否有嵌套关系
* 使用场景: 循环间依赖分析
*/
bool isNestedLoop(Loop* inner, Loop* outer) const {
if (inner == outer) return false;
Loop* current = inner->getParentLoop();
while (current) {
if (current == outer) return true;
current = current->getParentLoop();
}
return false;
}
/**
* 获取两个循环的最近公共祖先循环
* 使用场景: 循环融合分析、优化范围确定
*/
Loop* getLowestCommonAncestor(Loop* loop1, Loop* loop2) const {
if (!loop1 || !loop2) return nullptr;
if (loop1 == loop2) return loop1;
// 收集loop1的所有祖先
std::set<Loop*> ancestors1;
Loop* current = loop1;
while (current) {
ancestors1.insert(current);
current = current->getParentLoop();
}
// 查找loop2祖先链中第一个在ancestors1中的循环
current = loop2;
while (current) {
if (ancestors1.count(current)) {
return current;
}
current = current->getParentLoop();
}
return nullptr; // 没有公共祖先
}
// 通过循环头获取 Loop 对象
Loop *getLoopForHeader(BasicBlock *header) const {
auto it = LoopMap.find(header);
return (it != LoopMap.end()) ? it->second : nullptr;
}
// 通过某个基本块获取包含它的最内层循环
// 通过某个基本块获取包含它的最内层循环 (向后兼容接口)
Loop *getLoopContainingBlock(BasicBlock *BB) const {
// 遍历所有循环,找到包含 BB 且层级最深的循环
Loop *innermostContainingLoop = nullptr;
for (const auto &loop_ptr : AllLoops) {
if (loop_ptr->contains(BB)) {
if (!innermostContainingLoop || loop_ptr->getLoopLevel() > innermostContainingLoop->getLoopLevel()) {
innermostContainingLoop = loop_ptr.get();
}
}
}
return innermostContainingLoop;
return getInnermostContainingLoop(BB);
}
// --- 供 LoopAnalysisPass 内部调用的方法,用于构建 LoopAnalysisResult 对象 ---
void addOutermostLoop(Loop *loop) { OutermostLoops.push_back(loop); }
void addInnermostLoop(Loop *loop) { InnermostLoops.push_back(loop); }
void clearOutermostLoops() { OutermostLoops.clear(); }
void clearInnermostLoops() { InnermostLoops.clear(); }
// ========== 缓存管理接口 ==========
/**
* 手动失效缓存 (当IR结构改变时调用)
*/
void invalidateQueryCache() const {
invalidateCache();
}
/**
* 获取缓存统计信息 (用于性能调试)
*/
CacheStats getCacheStats() const {
CacheStats stats = {};
stats.innermostLoopsCached = cachedInnermostLoops.has_value() ? 1 : 0;
stats.outermostLoopsCached = cachedOutermostLoops.has_value() ? 1 : 0;
stats.loopsByDepthCached = cachedLoopsByDepth.size();
stats.containingLoopsCached = cachedInnermostContainingLoop.size();
stats.allNestedLoopsCached = cachedAllNestedLoops.size();
stats.totalCachedQueries = stats.innermostLoopsCached + stats.outermostLoopsCached +
stats.loopsByDepthCached + stats.containingLoopsCached +
stats.allNestedLoopsCached;
return stats;
}
// --- 保留的内部接口 ---
// 注意:由于使用了缓存机制,不再需要手动维护最外层和最内层循环列表
// 打印分析结果
void print() const;
@@ -197,8 +522,7 @@ private:
Function *AssociatedFunction; // 结果关联的函数
std::vector<std::unique_ptr<Loop>> AllLoops; // 所有识别出的循环
std::map<BasicBlock *, Loop *> LoopMap; // 循环头到 Loop* 的映射,方便查找
std::vector<Loop *> OutermostLoops; // 最外层循环列表
std::vector<Loop *> InnermostLoops; // 最内层循环的列表
// 注意: 最外层和最内层循环列表已移除,现在通过缓存机制动态计算
};
/**

View File

@@ -0,0 +1,301 @@
#pragma once
#include "Dom.h" // 支配树分析依赖
#include "Loop.h" // 循环分析依赖
#include "Liveness.h" // 活跃性分析依赖
#include "AliasAnalysis.h" // 别名分析依赖
#include "IR.h" // IR定义
#include "Pass.h" // Pass框架
#include <algorithm>
#include <map>
#include <memory>
#include <optional>
#include <set>
#include <vector>
namespace sysy {
// 前向声明
class LoopCharacteristicsResult;
/**
* @brief 循环特征信息结构
* 存储单个循环的各种特征信息
*/
struct LoopCharacteristics {
Loop* loop; // 关联的循环对象
// ========== 归纳变量分析 ==========
std::vector<Value*> basicInductionVars; // 基本归纳变量 (i = phi(init, i+step))
std::vector<Value*> derivedInductionVars; // 派生归纳变量 (j = i * scale + offset)
std::map<Value*, int> inductionSteps; // 归纳变量的步长
std::map<Value*, Value*> inductionInits; // 归纳变量的初始值
// ========== 循环不变量分析 ==========
std::set<Value*> loopInvariants; // 循环不变量 (循环内定义但值不变)
std::set<Instruction*> invariantInsts; // 不变指令 (可以外提的指令)
// ========== 循环边界分析 ==========
std::optional<int> staticTripCount; // 静态可确定的循环次数
Value* dynamicTripCountExpr; // 动态循环次数表达式
bool hasKnownBounds; // 是否有已知边界
Value* lowerBound; // 循环下界
Value* upperBound; // 循环上界
// ========== 循环形式分析 ==========
bool isCountingLoop; // 是否为计数循环 (for i=0; i<n; i++)
bool isSimpleForLoop; // 是否为简单for循环
bool hasComplexControlFlow; // 是否有复杂控制流 (break, continue)
bool isInnermost; // 是否为最内层循环
bool isParallel; // 是否可并行化
// ========== 内存访问模式 ==========
struct MemoryAccessPattern {
bool isSequential; // 是否顺序访问 (a[i], a[i+1], ...)
bool isStrided; // 是否跨步访问 (a[2*i], a[3*i], ...)
int stride; // 访问步长
std::vector<Instruction*> loadInsts; // load指令列表
std::vector<Instruction*> storeInsts; // store指令列表
// 使用外部别名分析结果
AliasType aliasType; // 别名类型(来自别名分析)
bool isArrayParameter; // 是否为数组参数访问
bool isGlobalArray; // 是否为全局数组访问
bool hasConstantIndices; // 是否使用常量索引
};
std::map<Value*, MemoryAccessPattern> memoryPatterns; // 内存访问模式
// ========== 循环优化提示 ==========
bool benefitsFromUnrolling; // 是否适合循环展开
bool benefitsFromVectorization; // 是否适合向量化
bool benefitsFromTiling; // 是否适合分块
int suggestedUnrollFactor; // 建议的展开因子
// ========== 性能特征 ==========
size_t instructionCount; // 循环体指令数
size_t memoryOperationCount; // 内存操作数
size_t arithmeticOperationCount; // 算术操作数
double computeToMemoryRatio; // 计算与内存操作比率
// 构造函数
LoopCharacteristics(Loop* l) : loop(l), dynamicTripCountExpr(nullptr),
hasKnownBounds(false), lowerBound(nullptr), upperBound(nullptr),
isCountingLoop(false), isSimpleForLoop(false), hasComplexControlFlow(false),
isInnermost(false), isParallel(false), benefitsFromUnrolling(false),
benefitsFromVectorization(false), benefitsFromTiling(false),
suggestedUnrollFactor(1), instructionCount(0), memoryOperationCount(0),
arithmeticOperationCount(0), computeToMemoryRatio(0.0) {}
};
/**
* @brief 循环特征分析结果类
* 包含函数中所有循环的特征信息,并提供查询接口
*/
class LoopCharacteristicsResult : public AnalysisResultBase {
public:
LoopCharacteristicsResult(Function *F) : AssociatedFunction(F) {}
~LoopCharacteristicsResult() override = default;
// ========== 基础接口 ==========
/**
* 添加循环特征信息
*/
void addLoopCharacteristics(std::unique_ptr<LoopCharacteristics> characteristics) {
auto* loop = characteristics->loop;
CharacteristicsMap[loop] = std::move(characteristics);
}
/**
* 获取指定循环的特征信息
*/
const LoopCharacteristics* getCharacteristics(Loop* loop) const {
auto it = CharacteristicsMap.find(loop);
return (it != CharacteristicsMap.end()) ? it->second.get() : nullptr;
}
/**
* 获取所有循环特征信息
*/
const std::map<Loop*, std::unique_ptr<LoopCharacteristics>>& getAllCharacteristics() const {
return CharacteristicsMap;
}
// ========== 查询接口 ==========
/**
* 获取所有计数循环
*/
std::vector<Loop*> getCountingLoops() const {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
if (chars->isCountingLoop) {
result.push_back(loop);
}
}
return result;
}
/**
* 获取所有可向量化循环
*/
std::vector<Loop*> getVectorizableLoops() const {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
if (chars->benefitsFromVectorization) {
result.push_back(loop);
}
}
return result;
}
/**
* 获取所有适合展开的循环
*/
std::vector<Loop*> getUnrollCandidateLoops() const {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
if (chars->benefitsFromUnrolling) {
result.push_back(loop);
}
}
return result;
}
/**
* 获取所有可并行化循环
*/
std::vector<Loop*> getParallelizableLoops() const {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
if (chars->isParallel) {
result.push_back(loop);
}
}
return result;
}
/**
* 获取所有有静态已知循环次数的循环
*/
std::vector<Loop*> getStaticBoundLoops() const {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
if (chars->staticTripCount.has_value()) {
result.push_back(loop);
}
}
return result;
}
/**
* 根据热度排序循环 (用于优化优先级)
*/
std::vector<Loop*> getLoopsByHotness() const {
std::vector<Loop*> result;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
result.push_back(loop);
}
// 按循环热度排序 (嵌套深度 + 循环次数 + 指令数)
std::sort(result.begin(), result.end(), [](Loop* a, Loop* b) {
double hotnessA = a->getLoopHotness();
double hotnessB = b->getLoopHotness();
return hotnessA > hotnessB; // 降序排列
});
return result;
}
// ========== 统计接口 ==========
/**
* 获取优化候选统计
*/
struct OptimizationStats {
size_t totalLoops;
size_t countingLoops;
size_t vectorizableLoops;
size_t unrollCandidates;
size_t parallelizableLoops;
size_t staticBoundLoops;
double avgInstructionCount;
double avgComputeMemoryRatio;
};
OptimizationStats getOptimizationStats() const {
OptimizationStats stats = {};
stats.totalLoops = CharacteristicsMap.size();
size_t totalInstructions = 0;
double totalComputeMemoryRatio = 0.0;
for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
if (chars->isCountingLoop) stats.countingLoops++;
if (chars->benefitsFromVectorization) stats.vectorizableLoops++;
if (chars->benefitsFromUnrolling) stats.unrollCandidates++;
if (chars->isParallel) stats.parallelizableLoops++;
if (chars->staticTripCount.has_value()) stats.staticBoundLoops++;
totalInstructions += chars->instructionCount;
totalComputeMemoryRatio += chars->computeToMemoryRatio;
}
if (stats.totalLoops > 0) {
stats.avgInstructionCount = static_cast<double>(totalInstructions) / stats.totalLoops;
stats.avgComputeMemoryRatio = totalComputeMemoryRatio / stats.totalLoops;
}
return stats;
}
// 打印分析结果
void print() const;
private:
Function *AssociatedFunction; // 关联的函数
std::map<Loop*, std::unique_ptr<LoopCharacteristics>> CharacteristicsMap; // 循环特征映射
};
/**
* @brief 循环特征分析遍
* 基于循环分析结果,分析每个循环的特征信息,为优化决策提供依据
*/
class LoopCharacteristicsPass : public AnalysisPass {
public:
// 唯一的 Pass ID
static void *ID;
LoopCharacteristicsPass() : AnalysisPass("LoopCharacteristics", Pass::Granularity::Function) {}
// 实现 getPassID
void *getPassID() const override { return &ID; }
// 核心运行方法
bool runOnFunction(Function *F, AnalysisManager &AM) override;
// 获取分析结果
std::unique_ptr<AnalysisResultBase> getResult() override { return std::move(CurrentResult); }
private:
std::unique_ptr<LoopCharacteristicsResult> CurrentResult; // 当前函数的分析结果
// 内部分析方法
void analyzeLoop(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics, AnalysisManager &AM);
void identifyInductionVariables(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
void identifyLoopInvariants(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
void analyzeLoopBounds(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
void analyzeLoopForm(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
void analyzeMemoryAccessPatterns(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
void evaluateOptimizationOpportunities(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
void computePerformanceMetrics(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
// 辅助方法
bool isInductionVariable(Value* val, Loop* loop);
bool isLoopInvariant(Value* val, Loop* loop);
bool hasLoopCarriedDependence(Loop* loop);
int estimateUnrollFactor(Loop* loop);
bool benefitsFromVectorization(Loop* loop);
};
} // namespace sysy

View File

@@ -0,0 +1,126 @@
#pragma once
#include "Pass.h"
#include "IR.h"
#include "AliasAnalysis.h"
#include <unordered_set>
#include <unordered_map>
namespace sysy {
// 副作用类型枚举
enum class SideEffectType {
NO_SIDE_EFFECT, // 无副作用
MEMORY_WRITE, // 内存写入store、memset
FUNCTION_CALL, // 函数调用(可能有任意副作用)
IO_OPERATION, // I/O操作printf、scanf等
UNKNOWN // 未知副作用
};
// 副作用信息结构
struct SideEffectInfo {
SideEffectType type = SideEffectType::NO_SIDE_EFFECT;
bool mayModifyGlobal = false; // 可能修改全局变量
bool mayModifyMemory = false; // 可能修改内存
bool mayCallFunction = false; // 可能调用函数
bool isPure = true; // 是否为纯函数(无副作用且结果只依赖参数)
// 合并两个副作用信息
SideEffectInfo merge(const SideEffectInfo& other) const {
SideEffectInfo result;
result.type = (type == SideEffectType::NO_SIDE_EFFECT) ? other.type : type;
result.mayModifyGlobal = mayModifyGlobal || other.mayModifyGlobal;
result.mayModifyMemory = mayModifyMemory || other.mayModifyMemory;
result.mayCallFunction = mayCallFunction || other.mayCallFunction;
result.isPure = isPure && other.isPure;
return result;
}
};
// 副作用分析结果类
class SideEffectAnalysisResult : public AnalysisResultBase {
private:
// 指令级别的副作用信息
std::unordered_map<Instruction*, SideEffectInfo> instructionSideEffects;
// 函数级别的副作用信息
std::unordered_map<Function*, SideEffectInfo> functionSideEffects;
// 已知的SysY标准库函数副作用信息
std::unordered_map<std::string, SideEffectInfo> knownFunctions;
public:
SideEffectAnalysisResult();
virtual ~SideEffectAnalysisResult() noexcept override = default;
// 获取指令的副作用信息
const SideEffectInfo& getInstructionSideEffect(Instruction* inst) const;
// 获取函数的副作用信息
const SideEffectInfo& getFunctionSideEffect(Function* func) const;
// 设置指令的副作用信息
void setInstructionSideEffect(Instruction* inst, const SideEffectInfo& info);
// 设置函数的副作用信息
void setFunctionSideEffect(Function* func, const SideEffectInfo& info);
// 检查指令是否有副作用
bool hasSideEffect(Instruction* inst) const;
// 检查指令是否可能修改内存
bool mayModifyMemory(Instruction* inst) const;
// 检查指令是否可能修改全局状态
bool mayModifyGlobal(Instruction* inst) const;
// 检查函数是否为纯函数
bool isPureFunction(Function* func) const;
// 获取已知函数的副作用信息
const SideEffectInfo* getKnownFunctionSideEffect(const std::string& funcName) const;
// 初始化已知函数的副作用信息
void initializeKnownFunctions();
private:
};
// 副作用分析遍类
class SysYSideEffectAnalysisPass : public AnalysisPass {
public:
// 静态成员作为该遍的唯一ID
static void* ID;
SysYSideEffectAnalysisPass() : AnalysisPass("SysYSideEffectAnalysis", Granularity::Function) {}
// 在函数上运行分析
bool runOnFunction(Function* F, AnalysisManager& AM) override;
// 获取分析结果
std::unique_ptr<AnalysisResultBase> getResult() override;
// Pass 基类中的纯虚函数,必须实现
void* getPassID() const override { return &ID; }
private:
// 分析结果
std::unique_ptr<SideEffectAnalysisResult> result;
// 别名分析结果(在整个函数分析过程中重复使用)
AliasAnalysisResult* aliasAnalysis = nullptr;
// 分析单个指令的副作用
SideEffectInfo analyzeInstruction(Instruction* inst, AnalysisManager& AM);
// 分析函数调用指令的副作用
SideEffectInfo analyzeCallInstruction(CallInst* call, AnalysisManager& AM);
// 分析存储指令的副作用
SideEffectInfo analyzeStoreInstruction(StoreInst* store, AnalysisManager& AM);
// 分析内存设置指令的副作用
SideEffectInfo analyzeMemsetInstruction(MemsetInst* memset, AnalysisManager& AM);
};
} // namespace sysy

View File

@@ -151,17 +151,21 @@ public:
}
AnalysisPass *analysisPass = static_cast<AnalysisPass *>(basePass.get());
if(DEBUG){
std::cout << "Running Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << "\n";
}
// 根据分析遍的粒度处理
switch (analysisPass->getGranularity()) {
case Pass::Granularity::Module: {
// 检查是否已存在有效结果
auto it = moduleCachedResults.find(analysisID);
if (it != moduleCachedResults.end()) {
if(DEBUG) {
std::cout << "Using cached result for Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << "\n";
}
return static_cast<T *>(it->second.get()); // 返回缓存结果
}
// 只有在实际运行时才打印调试信息
if(DEBUG){
std::cout << "Running Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << "\n";
}
// 运行模块级分析遍
if (!pModuleRef) {
std::cerr << "Error: Module reference not set for AnalysisManager to run Module Pass.\n";
@@ -183,8 +187,16 @@ public:
// 检查是否已存在有效结果
auto it = functionCachedResults.find({F, analysisID});
if (it != functionCachedResults.end()) {
if(DEBUG) {
std::cout << "Using cached result for Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << " (Function: " << F->getName() << ")\n";
}
return static_cast<T *>(it->second.get()); // 返回缓存结果
}
// 只有在实际运行时才打印调试信息
if(DEBUG){
std::cout << "Running Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << "\n";
std::cout << "Function: " << F->getName() << "\n";
}
// 运行函数级分析遍
analysisPass->runOnFunction(F, *this);
// 获取结果并缓存
@@ -202,8 +214,16 @@ public:
// 检查是否已存在有效结果
auto it = basicBlockCachedResults.find({BB, analysisID});
if (it != basicBlockCachedResults.end()) {
if(DEBUG) {
std::cout << "Using cached result for Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << " (BasicBlock: " << BB->getName() << ")\n";
}
return static_cast<T *>(it->second.get()); // 返回缓存结果
}
// 只有在实际运行时才打印调试信息
if(DEBUG){
std::cout << "Running Analysis Pass: " << analysisPass->getName() << "\n";
std::cout << "BasicBlock: " << BB->getName() << "\n";
}
// 运行基本块级分析遍
analysisPass->runOnBasicBlock(BB, *this);
// 获取结果并缓存