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[official-gcc.git] / gcc / doc / loop.texi
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1 @c Copyright (C) 2006-2015 Free Software Foundation, Inc.
2 @c Free Software Foundation, Inc.
3 @c This is part of the GCC manual.
4 @c For copying conditions, see the file gcc.texi.
6 @c ---------------------------------------------------------------------
7 @c Loop Representation
8 @c ---------------------------------------------------------------------
10 @node Loop Analysis and Representation
11 @chapter Analysis and Representation of Loops
13 GCC provides extensive infrastructure for work with natural loops, i.e.,
14 strongly connected components of CFG with only one entry block.  This
15 chapter describes representation of loops in GCC, both on GIMPLE and in
16 RTL, as well as the interfaces to loop-related analyses (induction
17 variable analysis and number of iterations analysis).
19 @menu
20 * Loop representation::         Representation and analysis of loops.
21 * Loop querying::               Getting information about loops.
22 * Loop manipulation::           Loop manipulation functions.
23 * LCSSA::                       Loop-closed SSA form.
24 * Scalar evolutions::           Induction variables on GIMPLE.
25 * loop-iv::                     Induction variables on RTL.
26 * Number of iterations::        Number of iterations analysis.
27 * Dependency analysis::         Data dependency analysis.
28 * Omega::                       A solver for linear programming problems.
29 @end menu
31 @node Loop representation
32 @section Loop representation
33 @cindex Loop representation
34 @cindex Loop analysis
36 This chapter describes the representation of loops in GCC, and functions
37 that can be used to build, modify and analyze this representation.  Most
38 of the interfaces and data structures are declared in @file{cfgloop.h}.
39 Loop structures are analyzed and this information disposed or updated
40 at the discretion of individual passes.  Still most of the generic
41 CFG manipulation routines are aware of loop structures and try to
42 keep them up-to-date.  By this means an increasing part of the
43 compilation pipeline is setup to maintain loop structure across
44 passes to allow attaching meta information to individual loops
45 for consumption by later passes.
47 In general, a natural loop has one entry block (header) and possibly
48 several back edges (latches) leading to the header from the inside of
49 the loop.  Loops with several latches may appear if several loops share
50 a single header, or if there is a branching in the middle of the loop.
51 The representation of loops in GCC however allows only loops with a
52 single latch.  During loop analysis, headers of such loops are split and
53 forwarder blocks are created in order to disambiguate their structures.
54 Heuristic based on profile information and structure of the induction
55 variables in the loops is used to determine whether the latches
56 correspond to sub-loops or to control flow in a single loop.  This means
57 that the analysis sometimes changes the CFG, and if you run it in the
58 middle of an optimization pass, you must be able to deal with the new
59 blocks.  You may avoid CFG changes by passing
60 @code{LOOPS_MAY_HAVE_MULTIPLE_LATCHES} flag to the loop discovery,
61 note however that most other loop manipulation functions will not work
62 correctly for loops with multiple latch edges (the functions that only
63 query membership of blocks to loops and subloop relationships, or
64 enumerate and test loop exits, can be expected to work).
66 Body of the loop is the set of blocks that are dominated by its header,
67 and reachable from its latch against the direction of edges in CFG@.  The
68 loops are organized in a containment hierarchy (tree) such that all the
69 loops immediately contained inside loop L are the children of L in the
70 tree.  This tree is represented by the @code{struct loops} structure.
71 The root of this tree is a fake loop that contains all blocks in the
72 function.  Each of the loops is represented in a @code{struct loop}
73 structure.  Each loop is assigned an index (@code{num} field of the
74 @code{struct loop} structure), and the pointer to the loop is stored in
75 the corresponding field of the @code{larray} vector in the loops
76 structure.  The indices do not have to be continuous, there may be
77 empty (@code{NULL}) entries in the @code{larray} created by deleting
78 loops.  Also, there is no guarantee on the relative order of a loop
79 and its subloops in the numbering.  The index of a loop never changes.
81 The entries of the @code{larray} field should not be accessed directly.
82 The function @code{get_loop} returns the loop description for a loop with
83 the given index.  @code{number_of_loops} function returns number of
84 loops in the function.  To traverse all loops, use @code{FOR_EACH_LOOP}
85 macro.  The @code{flags} argument of the macro is used to determine
86 the direction of traversal and the set of loops visited.  Each loop is
87 guaranteed to be visited exactly once, regardless of the changes to the
88 loop tree, and the loops may be removed during the traversal.  The newly
89 created loops are never traversed, if they need to be visited, this
90 must be done separately after their creation.  The @code{FOR_EACH_LOOP}
91 macro allocates temporary variables.  If the @code{FOR_EACH_LOOP} loop
92 were ended using break or goto, they would not be released;
93 @code{FOR_EACH_LOOP_BREAK} macro must be used instead.
95 Each basic block contains the reference to the innermost loop it belongs
96 to (@code{loop_father}).  For this reason, it is only possible to have
97 one @code{struct loops} structure initialized at the same time for each
98 CFG@.  The global variable @code{current_loops} contains the
99 @code{struct loops} structure.  Many of the loop manipulation functions
100 assume that dominance information is up-to-date.
102 The loops are analyzed through @code{loop_optimizer_init} function.  The
103 argument of this function is a set of flags represented in an integer
104 bitmask.  These flags specify what other properties of the loop
105 structures should be calculated/enforced and preserved later:
107 @itemize
108 @item @code{LOOPS_MAY_HAVE_MULTIPLE_LATCHES}: If this flag is set, no
109 changes to CFG will be performed in the loop analysis, in particular,
110 loops with multiple latch edges will not be disambiguated.  If a loop
111 has multiple latches, its latch block is set to NULL@.  Most of
112 the loop manipulation functions will not work for loops in this shape.
113 No other flags that require CFG changes can be passed to
114 loop_optimizer_init.
115 @item @code{LOOPS_HAVE_PREHEADERS}: Forwarder blocks are created in such
116 a way that each loop has only one entry edge, and additionally, the
117 source block of this entry edge has only one successor.  This creates a
118 natural place where the code can be moved out of the loop, and ensures
119 that the entry edge of the loop leads from its immediate super-loop.
120 @item @code{LOOPS_HAVE_SIMPLE_LATCHES}: Forwarder blocks are created to
121 force the latch block of each loop to have only one successor.  This
122 ensures that the latch of the loop does not belong to any of its
123 sub-loops, and makes manipulation with the loops significantly easier.
124 Most of the loop manipulation functions assume that the loops are in
125 this shape.  Note that with this flag, the ``normal'' loop without any
126 control flow inside and with one exit consists of two basic blocks.
127 @item @code{LOOPS_HAVE_MARKED_IRREDUCIBLE_REGIONS}: Basic blocks and
128 edges in the strongly connected components that are not natural loops
129 (have more than one entry block) are marked with
130 @code{BB_IRREDUCIBLE_LOOP} and @code{EDGE_IRREDUCIBLE_LOOP} flags.  The
131 flag is not set for blocks and edges that belong to natural loops that
132 are in such an irreducible region (but it is set for the entry and exit
133 edges of such a loop, if they lead to/from this region).
134 @item @code{LOOPS_HAVE_RECORDED_EXITS}: The lists of exits are recorded
135 and updated for each loop.  This makes some functions (e.g.,
136 @code{get_loop_exit_edges}) more efficient.  Some functions (e.g.,
137 @code{single_exit}) can be used only if the lists of exits are
138 recorded.
139 @end itemize
141 These properties may also be computed/enforced later, using functions
142 @code{create_preheaders}, @code{force_single_succ_latches},
143 @code{mark_irreducible_loops} and @code{record_loop_exits}.
144 The properties can be queried using @code{loops_state_satisfies_p}.
146 The memory occupied by the loops structures should be freed with
147 @code{loop_optimizer_finalize} function.  When loop structures are
148 setup to be preserved across passes this function reduces the
149 information to be kept up-to-date to a minimum (only
150 @code{LOOPS_MAY_HAVE_MULTIPLE_LATCHES} set).
152 The CFG manipulation functions in general do not update loop structures.
153 Specialized versions that additionally do so are provided for the most
154 common tasks.  On GIMPLE, @code{cleanup_tree_cfg_loop} function can be
155 used to cleanup CFG while updating the loops structures if
156 @code{current_loops} is set.
158 At the moment loop structure is preserved from the start of GIMPLE
159 loop optimizations until the end of RTL loop optimizations.  During
160 this time a loop can be tracked by its @code{struct loop} and number.
162 @node Loop querying
163 @section Loop querying
164 @cindex Loop querying
166 The functions to query the information about loops are declared in
167 @file{cfgloop.h}.  Some of the information can be taken directly from
168 the structures.  @code{loop_father} field of each basic block contains
169 the innermost loop to that the block belongs.  The most useful fields of
170 loop structure (that are kept up-to-date at all times) are:
172 @itemize
173 @item @code{header}, @code{latch}: Header and latch basic blocks of the
174 loop.
175 @item @code{num_nodes}: Number of basic blocks in the loop (including
176 the basic blocks of the sub-loops).
177 @item @code{depth}: The depth of the loop in the loops tree, i.e., the
178 number of super-loops of the loop.
179 @item @code{outer}, @code{inner}, @code{next}: The super-loop, the first
180 sub-loop, and the sibling of the loop in the loops tree.
181 @end itemize
183 There are other fields in the loop structures, many of them used only by
184 some of the passes, or not updated during CFG changes; in general, they
185 should not be accessed directly.
187 The most important functions to query loop structures are:
189 @itemize
190 @item @code{flow_loops_dump}: Dumps the information about loops to a
191 file.
192 @item @code{verify_loop_structure}: Checks consistency of the loop
193 structures.
194 @item @code{loop_latch_edge}: Returns the latch edge of a loop.
195 @item @code{loop_preheader_edge}: If loops have preheaders, returns
196 the preheader edge of a loop.
197 @item @code{flow_loop_nested_p}: Tests whether loop is a sub-loop of
198 another loop.
199 @item @code{flow_bb_inside_loop_p}: Tests whether a basic block belongs
200 to a loop (including its sub-loops).
201 @item @code{find_common_loop}: Finds the common super-loop of two loops.
202 @item @code{superloop_at_depth}: Returns the super-loop of a loop with
203 the given depth.
204 @item @code{tree_num_loop_insns}, @code{num_loop_insns}: Estimates the
205 number of insns in the loop, on GIMPLE and on RTL.
206 @item @code{loop_exit_edge_p}: Tests whether edge is an exit from a
207 loop.
208 @item @code{mark_loop_exit_edges}: Marks all exit edges of all loops
209 with @code{EDGE_LOOP_EXIT} flag.
210 @item @code{get_loop_body}, @code{get_loop_body_in_dom_order},
211 @code{get_loop_body_in_bfs_order}: Enumerates the basic blocks in the
212 loop in depth-first search order in reversed CFG, ordered by dominance
213 relation, and breath-first search order, respectively.
214 @item @code{single_exit}: Returns the single exit edge of the loop, or
215 @code{NULL} if the loop has more than one exit.  You can only use this
216 function if LOOPS_HAVE_MARKED_SINGLE_EXITS property is used.
217 @item @code{get_loop_exit_edges}: Enumerates the exit edges of a loop.
218 @item @code{just_once_each_iteration_p}: Returns true if the basic block
219 is executed exactly once during each iteration of a loop (that is, it
220 does not belong to a sub-loop, and it dominates the latch of the loop).
221 @end itemize
223 @node Loop manipulation
224 @section Loop manipulation
225 @cindex Loop manipulation
227 The loops tree can be manipulated using the following functions:
229 @itemize
230 @item @code{flow_loop_tree_node_add}: Adds a node to the tree.
231 @item @code{flow_loop_tree_node_remove}: Removes a node from the tree.
232 @item @code{add_bb_to_loop}: Adds a basic block to a loop.
233 @item @code{remove_bb_from_loops}: Removes a basic block from loops.
234 @end itemize
236 Most low-level CFG functions update loops automatically.  The following
237 functions handle some more complicated cases of CFG manipulations:
239 @itemize
240 @item @code{remove_path}: Removes an edge and all blocks it dominates.
241 @item @code{split_loop_exit_edge}: Splits exit edge of the loop,
242 ensuring that PHI node arguments remain in the loop (this ensures that
243 loop-closed SSA form is preserved).  Only useful on GIMPLE.
244 @end itemize
246 Finally, there are some higher-level loop transformations implemented.
247 While some of them are written so that they should work on non-innermost
248 loops, they are mostly untested in that case, and at the moment, they
249 are only reliable for the innermost loops:
251 @itemize
252 @item @code{create_iv}: Creates a new induction variable.  Only works on
253 GIMPLE@.  @code{standard_iv_increment_position} can be used to find a
254 suitable place for the iv increment.
255 @item @code{duplicate_loop_to_header_edge},
256 @code{tree_duplicate_loop_to_header_edge}: These functions (on RTL and
257 on GIMPLE) duplicate the body of the loop prescribed number of times on
258 one of the edges entering loop header, thus performing either loop
259 unrolling or loop peeling.  @code{can_duplicate_loop_p}
260 (@code{can_unroll_loop_p} on GIMPLE) must be true for the duplicated
261 loop.
262 @item @code{loop_version}, @code{tree_ssa_loop_version}: These function
263 create a copy of a loop, and a branch before them that selects one of
264 them depending on the prescribed condition.  This is useful for
265 optimizations that need to verify some assumptions in runtime (one of
266 the copies of the loop is usually left unchanged, while the other one is
267 transformed in some way).
268 @item @code{tree_unroll_loop}: Unrolls the loop, including peeling the
269 extra iterations to make the number of iterations divisible by unroll
270 factor, updating the exit condition, and removing the exits that now
271 cannot be taken.  Works only on GIMPLE.
272 @end itemize
274 @node LCSSA
275 @section Loop-closed SSA form
276 @cindex LCSSA
277 @cindex Loop-closed SSA form
279 Throughout the loop optimizations on tree level, one extra condition is
280 enforced on the SSA form:  No SSA name is used outside of the loop in
281 that it is defined.  The SSA form satisfying this condition is called
282 ``loop-closed SSA form'' -- LCSSA@.  To enforce LCSSA, PHI nodes must be
283 created at the exits of the loops for the SSA names that are used
284 outside of them.  Only the real operands (not virtual SSA names) are
285 held in LCSSA, in order to save memory.
287 There are various benefits of LCSSA:
289 @itemize
290 @item Many optimizations (value range analysis, final value
291 replacement) are interested in the values that are defined in the loop
292 and used outside of it, i.e., exactly those for that we create new PHI
293 nodes.
294 @item In induction variable analysis, it is not necessary to specify the
295 loop in that the analysis should be performed -- the scalar evolution
296 analysis always returns the results with respect to the loop in that the
297 SSA name is defined.
298 @item It makes updating of SSA form during loop transformations simpler.
299 Without LCSSA, operations like loop unrolling may force creation of PHI
300 nodes arbitrarily far from the loop, while in LCSSA, the SSA form can be
301 updated locally.  However, since we only keep real operands in LCSSA, we
302 cannot use this advantage (we could have local updating of real
303 operands, but it is not much more efficient than to use generic SSA form
304 updating for it as well; the amount of changes to SSA is the same).
305 @end itemize
307 However, it also means LCSSA must be updated.  This is usually
308 straightforward, unless you create a new value in loop and use it
309 outside, or unless you manipulate loop exit edges (functions are
310 provided to make these manipulations simple).
311 @code{rewrite_into_loop_closed_ssa} is used to rewrite SSA form to
312 LCSSA, and @code{verify_loop_closed_ssa} to check that the invariant of
313 LCSSA is preserved.
315 @node Scalar evolutions
316 @section Scalar evolutions
317 @cindex Scalar evolutions
318 @cindex IV analysis on GIMPLE
320 Scalar evolutions (SCEV) are used to represent results of induction
321 variable analysis on GIMPLE@.  They enable us to represent variables with
322 complicated behavior in a simple and consistent way (we only use it to
323 express values of polynomial induction variables, but it is possible to
324 extend it).  The interfaces to SCEV analysis are declared in
325 @file{tree-scalar-evolution.h}.  To use scalar evolutions analysis,
326 @code{scev_initialize} must be used.  To stop using SCEV,
327 @code{scev_finalize} should be used.  SCEV analysis caches results in
328 order to save time and memory.  This cache however is made invalid by
329 most of the loop transformations, including removal of code.  If such a
330 transformation is performed, @code{scev_reset} must be called to clean
331 the caches.
333 Given an SSA name, its behavior in loops can be analyzed using the
334 @code{analyze_scalar_evolution} function.  The returned SCEV however
335 does not have to be fully analyzed and it may contain references to
336 other SSA names defined in the loop.  To resolve these (potentially
337 recursive) references, @code{instantiate_parameters} or
338 @code{resolve_mixers} functions must be used.
339 @code{instantiate_parameters} is useful when you use the results of SCEV
340 only for some analysis, and when you work with whole nest of loops at
341 once.  It will try replacing all SSA names by their SCEV in all loops,
342 including the super-loops of the current loop, thus providing a complete
343 information about the behavior of the variable in the loop nest.
344 @code{resolve_mixers} is useful if you work with only one loop at a
345 time, and if you possibly need to create code based on the value of the
346 induction variable.  It will only resolve the SSA names defined in the
347 current loop, leaving the SSA names defined outside unchanged, even if
348 their evolution in the outer loops is known.
350 The SCEV is a normal tree expression, except for the fact that it may
351 contain several special tree nodes.  One of them is
352 @code{SCEV_NOT_KNOWN}, used for SSA names whose value cannot be
353 expressed.  The other one is @code{POLYNOMIAL_CHREC}.  Polynomial chrec
354 has three arguments -- base, step and loop (both base and step may
355 contain further polynomial chrecs).  Type of the expression and of base
356 and step must be the same.  A variable has evolution
357 @code{POLYNOMIAL_CHREC(base, step, loop)} if it is (in the specified
358 loop) equivalent to @code{x_1} in the following example
360 @smallexample
361 while (@dots{})
362   @{
363     x_1 = phi (base, x_2);
364     x_2 = x_1 + step;
365   @}
366 @end smallexample
368 Note that this includes the language restrictions on the operations.
369 For example, if we compile C code and @code{x} has signed type, then the
370 overflow in addition would cause undefined behavior, and we may assume
371 that this does not happen.  Hence, the value with this SCEV cannot
372 overflow (which restricts the number of iterations of such a loop).
374 In many cases, one wants to restrict the attention just to affine
375 induction variables.  In this case, the extra expressive power of SCEV
376 is not useful, and may complicate the optimizations.  In this case,
377 @code{simple_iv} function may be used to analyze a value -- the result
378 is a loop-invariant base and step.
380 @node loop-iv
381 @section IV analysis on RTL
382 @cindex IV analysis on RTL
384 The induction variable on RTL is simple and only allows analysis of
385 affine induction variables, and only in one loop at once.  The interface
386 is declared in @file{cfgloop.h}.  Before analyzing induction variables
387 in a loop L, @code{iv_analysis_loop_init} function must be called on L.
388 After the analysis (possibly calling @code{iv_analysis_loop_init} for
389 several loops) is finished, @code{iv_analysis_done} should be called.
390 The following functions can be used to access the results of the
391 analysis:
393 @itemize
394 @item @code{iv_analyze}: Analyzes a single register used in the given
395 insn.  If no use of the register in this insn is found, the following
396 insns are scanned, so that this function can be called on the insn
397 returned by get_condition.
398 @item @code{iv_analyze_result}: Analyzes result of the assignment in the
399 given insn.
400 @item @code{iv_analyze_expr}: Analyzes a more complicated expression.
401 All its operands are analyzed by @code{iv_analyze}, and hence they must
402 be used in the specified insn or one of the following insns.
403 @end itemize
405 The description of the induction variable is provided in @code{struct
406 rtx_iv}.  In order to handle subregs, the representation is a bit
407 complicated; if the value of the @code{extend} field is not
408 @code{UNKNOWN}, the value of the induction variable in the i-th
409 iteration is
411 @smallexample
412 delta + mult * extend_@{extend_mode@} (subreg_@{mode@} (base + i * step)),
413 @end smallexample
415 with the following exception:  if @code{first_special} is true, then the
416 value in the first iteration (when @code{i} is zero) is @code{delta +
417 mult * base}.  However, if @code{extend} is equal to @code{UNKNOWN},
418 then @code{first_special} must be false, @code{delta} 0, @code{mult} 1
419 and the value in the i-th iteration is
421 @smallexample
422 subreg_@{mode@} (base + i * step)
423 @end smallexample
425 The function @code{get_iv_value} can be used to perform these
426 calculations.
428 @node Number of iterations
429 @section Number of iterations analysis
430 @cindex Number of iterations analysis
432 Both on GIMPLE and on RTL, there are functions available to determine
433 the number of iterations of a loop, with a similar interface.  The
434 number of iterations of a loop in GCC is defined as the number of
435 executions of the loop latch.  In many cases, it is not possible to
436 determine the number of iterations unconditionally -- the determined
437 number is correct only if some assumptions are satisfied.  The analysis
438 tries to verify these conditions using the information contained in the
439 program; if it fails, the conditions are returned together with the
440 result.  The following information and conditions are provided by the
441 analysis:
443 @itemize
444 @item @code{assumptions}: If this condition is false, the rest of
445 the information is invalid.
446 @item @code{noloop_assumptions} on RTL, @code{may_be_zero} on GIMPLE: If
447 this condition is true, the loop exits in the first iteration.
448 @item @code{infinite}: If this condition is true, the loop is infinite.
449 This condition is only available on RTL@.  On GIMPLE, conditions for
450 finiteness of the loop are included in @code{assumptions}.
451 @item @code{niter_expr} on RTL, @code{niter} on GIMPLE: The expression
452 that gives number of iterations.  The number of iterations is defined as
453 the number of executions of the loop latch.
454 @end itemize
456 Both on GIMPLE and on RTL, it necessary for the induction variable
457 analysis framework to be initialized (SCEV on GIMPLE, loop-iv on RTL).
458 On GIMPLE, the results are stored to @code{struct tree_niter_desc}
459 structure.  Number of iterations before the loop is exited through a
460 given exit can be determined using @code{number_of_iterations_exit}
461 function.  On RTL, the results are returned in @code{struct niter_desc}
462 structure.  The corresponding function is named
463 @code{check_simple_exit}.  There are also functions that pass through
464 all the exits of a loop and try to find one with easy to determine
465 number of iterations -- @code{find_loop_niter} on GIMPLE and
466 @code{find_simple_exit} on RTL@.  Finally, there are functions that
467 provide the same information, but additionally cache it, so that
468 repeated calls to number of iterations are not so costly --
469 @code{number_of_latch_executions} on GIMPLE and @code{get_simple_loop_desc}
470 on RTL.
472 Note that some of these functions may behave slightly differently than
473 others -- some of them return only the expression for the number of
474 iterations, and fail if there are some assumptions.  The function
475 @code{number_of_latch_executions} works only for single-exit loops.
476 The function @code{number_of_cond_exit_executions} can be used to
477 determine number of executions of the exit condition of a single-exit
478 loop (i.e., the @code{number_of_latch_executions} increased by one).
480 @node Dependency analysis
481 @section Data Dependency Analysis
482 @cindex Data Dependency Analysis
484 The code for the data dependence analysis can be found in
485 @file{tree-data-ref.c} and its interface and data structures are
486 described in @file{tree-data-ref.h}.  The function that computes the
487 data dependences for all the array and pointer references for a given
488 loop is @code{compute_data_dependences_for_loop}.  This function is
489 currently used by the linear loop transform and the vectorization
490 passes.  Before calling this function, one has to allocate two vectors:
491 a first vector will contain the set of data references that are
492 contained in the analyzed loop body, and the second vector will contain
493 the dependence relations between the data references.  Thus if the
494 vector of data references is of size @code{n}, the vector containing the
495 dependence relations will contain @code{n*n} elements.  However if the
496 analyzed loop contains side effects, such as calls that potentially can
497 interfere with the data references in the current analyzed loop, the
498 analysis stops while scanning the loop body for data references, and
499 inserts a single @code{chrec_dont_know} in the dependence relation
500 array.
502 The data references are discovered in a particular order during the
503 scanning of the loop body: the loop body is analyzed in execution order,
504 and the data references of each statement are pushed at the end of the
505 data reference array.  Two data references syntactically occur in the
506 program in the same order as in the array of data references.  This
507 syntactic order is important in some classical data dependence tests,
508 and mapping this order to the elements of this array avoids costly
509 queries to the loop body representation.
511 Three types of data references are currently handled: ARRAY_REF,
512 INDIRECT_REF and COMPONENT_REF@. The data structure for the data reference
513 is @code{data_reference}, where @code{data_reference_p} is a name of a
514 pointer to the data reference structure. The structure contains the
515 following elements:
517 @itemize
518 @item @code{base_object_info}: Provides information about the base object
519 of the data reference and its access functions. These access functions
520 represent the evolution of the data reference in the loop relative to
521 its base, in keeping with the classical meaning of the data reference
522 access function for the support of arrays. For example, for a reference
523 @code{a.b[i][j]}, the base object is @code{a.b} and the access functions,
524 one for each array subscript, are:
525 @code{@{i_init, + i_step@}_1, @{j_init, +, j_step@}_2}.
527 @item @code{first_location_in_loop}: Provides information about the first
528 location accessed by the data reference in the loop and about the access
529 function used to represent evolution relative to this location. This data
530 is used to support pointers, and is not used for arrays (for which we
531 have base objects). Pointer accesses are represented as a one-dimensional
532 access that starts from the first location accessed in the loop. For
533 example:
535 @smallexample
536       for1 i
537          for2 j
538           *((int *)p + i + j) = a[i][j];
539 @end smallexample
541 The access function of the pointer access is @code{@{0, + 4B@}_for2}
542 relative to @code{p + i}. The access functions of the array are
543 @code{@{i_init, + i_step@}_for1} and @code{@{j_init, +, j_step@}_for2}
544 relative to @code{a}.
546 Usually, the object the pointer refers to is either unknown, or we can't
547 prove that the access is confined to the boundaries of a certain object.
549 Two data references can be compared only if at least one of these two
550 representations has all its fields filled for both data references.
552 The current strategy for data dependence tests is as follows:
553 If both @code{a} and @code{b} are represented as arrays, compare
554 @code{a.base_object} and @code{b.base_object};
555 if they are equal, apply dependence tests (use access functions based on
556 base_objects).
557 Else if both @code{a} and @code{b} are represented as pointers, compare
558 @code{a.first_location} and @code{b.first_location};
559 if they are equal, apply dependence tests (use access functions based on
560 first location).
561 However, if @code{a} and @code{b} are represented differently, only try
562 to prove that the bases are definitely different.
564 @item Aliasing information.
565 @item Alignment information.
566 @end itemize
568 The structure describing the relation between two data references is
569 @code{data_dependence_relation} and the shorter name for a pointer to
570 such a structure is @code{ddr_p}.  This structure contains:
572 @itemize
573 @item a pointer to each data reference,
574 @item a tree node @code{are_dependent} that is set to @code{chrec_known}
575 if the analysis has proved that there is no dependence between these two
576 data references, @code{chrec_dont_know} if the analysis was not able to
577 determine any useful result and potentially there could exist a
578 dependence between these data references, and @code{are_dependent} is
579 set to @code{NULL_TREE} if there exist a dependence relation between the
580 data references, and the description of this dependence relation is
581 given in the @code{subscripts}, @code{dir_vects}, and @code{dist_vects}
582 arrays,
583 @item a boolean that determines whether the dependence relation can be
584 represented by a classical distance vector,
585 @item an array @code{subscripts} that contains a description of each
586 subscript of the data references.  Given two array accesses a
587 subscript is the tuple composed of the access functions for a given
588 dimension.  For example, given @code{A[f1][f2][f3]} and
589 @code{B[g1][g2][g3]}, there are three subscripts: @code{(f1, g1), (f2,
590 g2), (f3, g3)}.
591 @item two arrays @code{dir_vects} and @code{dist_vects} that contain
592 classical representations of the data dependences under the form of
593 direction and distance dependence vectors,
594 @item an array of loops @code{loop_nest} that contains the loops to
595 which the distance and direction vectors refer to.
596 @end itemize
598 Several functions for pretty printing the information extracted by the
599 data dependence analysis are available: @code{dump_ddrs} prints with a
600 maximum verbosity the details of a data dependence relations array,
601 @code{dump_dist_dir_vectors} prints only the classical distance and
602 direction vectors for a data dependence relations array, and
603 @code{dump_data_references} prints the details of the data references
604 contained in a data reference array.
607 @node Omega
608 @section Omega a solver for linear programming problems
609 @cindex Omega a solver for linear programming problems
611 The data dependence analysis contains several solvers triggered
612 sequentially from the less complex ones to the more sophisticated.
613 For ensuring the consistency of the results of these solvers, a data
614 dependence check pass has been implemented based on two different
615 solvers.  The second method that has been integrated to GCC is based
616 on the Omega dependence solver, written in the 1990's by William Pugh
617 and David Wonnacott.  Data dependence tests can be formulated using a
618 subset of the Presburger arithmetics that can be translated to linear
619 constraint systems.  These linear constraint systems can then be
620 solved using the Omega solver.
622 The Omega solver is using Fourier-Motzkin's algorithm for variable
623 elimination: a linear constraint system containing @code{n} variables
624 is reduced to a linear constraint system with @code{n-1} variables.
625 The Omega solver can also be used for solving other problems that can
626 be expressed under the form of a system of linear equalities and
627 inequalities.  The Omega solver is known to have an exponential worst
628 case, also known under the name of ``omega nightmare'' in the
629 literature, but in practice, the omega test is known to be efficient
630 for the common data dependence tests.
632 The interface used by the Omega solver for describing the linear
633 programming problems is described in @file{omega.h}, and the solver is
634 @code{omega_solve_problem}.