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1 SSAPRE stands for "SSA based Partial Redundancy Elimination".
3 The algorithm is explained in this paper:
5 Partial Redundancy Elimination in SSA Form (1999)
6 Robert Kennedy, Sun Chan, SHIN-MING LIU, RAYMOND LO, PENG TU, FRED CHOW
7 ACM Transactions on Programming Languages and Systems
9 http://citeseer.ist.psu.edu/kennedy99partial.html
11 In this document I give a gentle introduction to the concept of "partial"
12 redundancies, and I explain the basic design decisions I took in implementing
13 SSAPRE, but the paper is essential to understand the code.
15 Partial Redundancy Elimination (or PRE) is an optimization that (guess what?)
16 tries to remove redundant computations.
17 It achieves this by saving the result of "not redundant" evaluations of
18 expressions into appositely created temporary variables, so that "redundant"
19 evaluations can be replaced by a load from the appropriate variable.
21 Of course, on register starved architectures (x86) a temporary could cost more
22 than the evaluation itself... PRE guarantees that the live range of the
23 introduced variables is the minimal possible, but the added pressure on the
24 register allocator can be an issue.
26 The nice thing about PRE is that it not only removes "full" redundancies, but
27 also "partial" ones.
28 A full redundancy is easy to spot, and straightforward to handle, like in the
29 following example (in every example here, the "expression" is "a + b"):
31 int FullRedundancy1 (int a, int b) {
32      int v1 = a + b;
33      int v2 = a + b;
34      return v1 + v2;
37 PRE would transform it like this:
39 int FullRedundancy1 (int a, int b) {
40      int t = a + b;
41      int v1 = t;
42      int v2 = t;
43      return v1 + v2;
46 Of course, either a copy propagation pass or a register allocator smart enough
47 to remove unneeded variables would be necessary afterwords.
49 Another example of full redundancy is the following:
51 int FullRedundancy2 (int a, int b) {
52      int v1;
53      
54      if (a >= 0) {
55           v1 = a + b; // BB1
56      } else {
57           a = -a; // BB2
58           v1 = a + b;
59      }
60      
61      int v2 = a + b; // BB3
62      return v1 + v2;
65 Here the two expressions in BB1 and BB2 are *not* the same thing (a is
66 modified in BB2), but both are redundant with the expression in BB3, so the
67 code can be transformed like this:
69 int FullRedundancy2 (int a, int b) {
70      int v1;
71      int t;
72      
73      if (a >= 0) {
74           t = a + b; // BB1
75           v1 = t;
76      } else {
77           a = -a; // BB2
78           t = a + b;
79           v1 = t;
80      }
81      
82      int v2 = t; // BB3
83      return v1 + v2;
86 Note that there are still two occurrences of the expression, while it can be
87 easily seen that one (at the beginning of BB3) would suffice.
88 This, however, is not a redundancy for PRE, because there is no path in the
89 CFG where the expression is evaluated twice.
90 Maybe this other kind of redundancy (which affects code size, and not the
91 computations that are actually performed) would be eliminated by code hoisting,
92 but I should check it; anyway, it is not a PRE related thing.
94 An example of partial redundancy, on the other hand, is the following:
96 int PartialRedundancy (int a, int b) {
97      int v1;
98      
99      if (a >= 0) {
100           v1 = a + b; // BB1
101      } else {
102           v1 = 0; // BB2
103      }
104      
105      int v2 = a + b; // BB3
106      return v1 + v2;
109 The redundancy is partial because the expression is computed more than once
110 along some path in the CFG, not all paths.
111 In fact, on the path BB1 - BB3 the expression is computed twice, but on the
112 path BB2 - BB3 it is computed only once.
113 In this case, PRE must insert new occurrences of the expression in order to
114 obtain a full redundancy, and then use temporary variables as before.
115 Adding a computation in BB2 would do the job.
117 One nice thing about PRE is that loop invariants can be seen as partial
118 redundancies.
119 The idea is that you can get into the loop from two locations: from before the
120 loop (at the 1st iteration), and from inside the loop itself (at any other
121 iteration). If there is a computation inside the loop that is in fact a loop
122 invariant, PRE will spot this, and will handle the BB before the loop as a
123 place where to insert a new computation to get a full redundancy.
124 At this point, the computation inside the loop would be replaced by an use of
125 the temporary stored before the loop, effectively performing "loop invariant
126 code motion".
128 Now, this is what PRE does to the code.
130 But how does it work?
132 In "classic" solutions, PRE is formulated as a data flow analysis problem.
133 The Muchnick provides a detailed description of the algorithm in this way (it
134 is by far the most complex problem of this kind in the whole book).
135 The point is that this algorithm does not exploit the SSA form.
136 In fact, it has to perform all that amount of data flow analysis exactly
137 because it does not take advantage of the work already done if you have put
138 the program into SSA form.
140 The SSAPRE algorithm, on the other hand, is designed with SSA in mind.
141 It fully exploits the properties of SSA variables, it also explicitly reuses
142 some data structures that must have been computed when building the SSA form,
143 and takes great care to output its code in that form already (which means that
144 the temporaries it introduces are already "versioned", with all the phi
145 variables correctly placed).
147 The main concept used in this algorithm is the "Factored Redundancy Graph" (or
148 FRG in short). Basically, for each given expression, this graph shows all its
149 occurrences in the program, and redundant ones are linked to their
150 "representative occurrence" (the 1st occurrence met in a CFG traversal).
151 The central observation is that the FRG is "factored" because each expression
152 occurrence has exactly one representative occurrence, in the same way as the
153 SSA form is a "factored" use-definition graph (each use is related to exactly
154 one definition).
155 And in fact building the FRG is much like building an SSA representation, with
156 PHI nodes and all.
157 By the way, I use "PHI" for "PHI expression occurrences", and "phi" for the
158 usual phi definitions in SSA, because the paper uses an uppercase phi greek
159 letter for PHI occurrences (while the lowercase one is standard in SSA).
161 The really interesting point is that the FRG for a given expression has exactly
162 the same "shape" of the use-definition graph for the temporary var that must
163 be introduced to remove the redundancy, and this is why SSAPRE can easily emit
164 its output code in correct SSA form.
166 One particular characteristic of the SSAPRE algorithm is that it is "sparse",
167 in the sense that it operates on expressions individually, looking only at the
168 specific nodes it needs. This is in contrast to the classical way of solving
169 data flow analysis problems, which is to operate globally, using data
170 structures that work "in parallel" on all the entities they operate on (in
171 practice bit sets, with for instance one bit per variable, or one bit per
172 expression occurrence, you get the idea). This is handy (it exploits the
173 parallelism of bit operations), but in general setting up those data
174 structures is time consuming, and if the number of the things represented by
175 the bits is not fixed in advance the code can get quite messy (bit sets must
176 become growable).
177 Moreover, applying special handling to individual expressions becomes a very
178 tricky thing.
180 SSAPRE, on the other hand, looks at the whole program (method in our case) only
181 once, when it scans the code to collect (and classify) all expression
182 occurrences.
183 From here on, it operates on one expression at a time, looking only at its
184 specific data structures (which, for each expression, are much smaller than
185 the whole program, so the operations are fast).
187 This approach has another advantage: the data structures used to operate on
188 one expressions can be recycled when operating on other expressions, making
189 the memory usage of the compiler lower, and (also important) avoiding losing
190 time with memory allocations at all.
191 This reflects directly on the design of those data structures.
192 We can better see these advantages following which data structures are used
193 during the application of SSAPRE to a method.
195 The steps that are performed are the following:
197     * Initialization: scan the whole program, collect all the occurrences, and
198       build a worklist of expressions to be processed (each worklist entry
199       describes all the occurrences of the given expression).
200 Here the data structures are the following:
201 - One struct (the working area), containing the worklist and other
202  "global" data. The worklist itself contains an entry for each expression
203   which in turn has an entry for each occurrence.
204 - One "info" struct for each BB, containing interesting dominance and CFG
205   related properties of the BB.
207 Then, for each entry in the worklist, these operations are performed:
209     * PHI placement: find where the PHI nodes of the FRG must be placed.
210     * Renaming: assign appropriate "redundancy classes" to all occurrences (it
211       is like assigning variable versions when building an SSA form).
212     * Analyze: compute various flags in PHI nodes (which are the only places
213       that define where additional computations may be added).
214       This conceptually is composed of two data flow analysis passes, which in
215       practice only scan the PHI nodes in the FRG, not the whole code, so they
216       are not that heavy.
217     * Finalize: make so that the FRG is exactly like the use-def graph for the
218       temporary that will be introduced (it generally must be reshaped a bit
219       according to the flags computed in the previous step).
220       This is also made of two steps, but more for implementation reasons than
221       for conceptual ones.
222     * Code motion: actually update the code using the FRG.
223 Here, what's needed is the following:
224 - PHI occurrences (and some flags sbout them)
225 - PHI argument occurrences (and some flags sbout them)
226 - The renaming stack
227 In practice, one can observe that each BB can have at most one PHI (we work
228 on one expression at a time), and also one PHI argument (which we consider
229 occurring at the end of the BB). Therefore, we do not have separate structures
230 for these, but store them directly in the BB infos (which are kept for the
231 whole SSAPRE invocation).
232 The renaming stack is managed directly as a list of occurrences, with
233 special handling for PHI nodes (which, being represented directly by their
234 BB, are not "occurrences").
237 So far, the only two missing things (with respect to SSAPRE in the paper) are
238 unneeded PHIs eliminantion and the handling of "composite" expressions.
239 Otherwise, the implementation is complete.
241 Other interesting issues are:
242 - SSAPRE has the assumption that:
243   - each SSA variable is related to one "original" (not SSA) variable, and
244   - no more than one version of each original variable is live at the same time
245     in the CFG.
246   It would be better to relax these assumptions.
247 - SSAPRE operates on "syntactic" redundancies, not on "values".
248   GVNPRE (or other means of merging GVN) would be a nice alternative, see
249   "http://www.cs.purdue.edu/homes/vandrutj/papers/thesis.pdf".