* gimple-ssa-store-merging.c (struct store_immediate_info): Add
[official-gcc.git] / gcc / doc / match-and-simplify.texi
bloba2a87c28c835fefa97a8597f9e82e8c35ebed0ef
1 @c Copyright (C) 2014-2017 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 @node Match and Simplify
7 @chapter Match and Simplify
8 @cindex Match and Simplify
10 The GIMPLE and GENERIC pattern matching project match-and-simplify
11 tries to address several issues.
13 @enumerate
14 @item unify expression simplifications currently spread and duplicated
15     over separate files like fold-const.c, gimple-fold.c and builtins.c
16 @item allow for a cheap way to implement building and simplifying
17     non-trivial GIMPLE expressions, avoiding the need to go through
18     building and simplifying GENERIC via fold_buildN and then
19     gimplifying via force_gimple_operand
20 @end enumerate
22 To address these the project introduces a simple domain specific language
23 to write expression simplifications from which code targeting GIMPLE
24 and GENERIC is auto-generated.  The GENERIC variant follows the
25 fold_buildN API while for the GIMPLE variant and to address 2) new
26 APIs are introduced.
28 @menu
29 * GIMPLE API::
30 * The Language::
31 @end menu
33 @node GIMPLE API
34 @section GIMPLE API
35 @cindex GIMPLE API
37 @deftypefn {GIMPLE function} tree gimple_simplify (enum tree_code, tree, tree, gimple_seq *, tree (*)(tree))
38 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_simplify (enum tree_code, tree, tree, tree, gimple_seq *, tree (*)(tree))
39 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_simplify (enum tree_code, tree, tree, tree, tree, gimple_seq *, tree (*)(tree))
40 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_simplify (enum built_in_function, tree, tree, gimple_seq *, tree (*)(tree))
41 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_simplify (enum built_in_function, tree, tree, tree, gimple_seq *, tree (*)(tree))
42 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_simplify (enum built_in_function, tree, tree, tree, tree, gimple_seq *, tree (*)(tree))
43 The main GIMPLE API entry to the expression simplifications mimicing
44 that of the GENERIC fold_@{unary,binary,ternary@} functions.
45 @end deftypefn
47 thus providing n-ary overloads for operation or function.  The
48 additional arguments are a gimple_seq where built statements are
49 inserted on (if @code{NULL} then simplifications requiring new statements
50 are not performed) and a valueization hook that can be used to
51 tie simplifications to a SSA lattice.
53 In addition to those APIs @code{fold_stmt} is overloaded with
54 a valueization hook:
56 @deftypefn bool fold_stmt (gimple_stmt_iterator *, tree (*)(tree));
57 @end deftypefn
60 Ontop of these a @code{fold_buildN}-like API for GIMPLE is introduced:
62 @deftypefn {GIMPLE function} tree gimple_build (gimple_seq *, location_t, enum tree_code, tree, tree, tree (*valueize) (tree) = NULL);
63 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_build (gimple_seq *, location_t, enum tree_code, tree, tree, tree, tree (*valueize) (tree) = NULL);
64 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_build (gimple_seq *, location_t, enum tree_code, tree, tree, tree, tree, tree (*valueize) (tree) = NULL);
65 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_build (gimple_seq *, location_t, enum built_in_function, tree, tree, tree (*valueize) (tree) = NULL);
66 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_build (gimple_seq *, location_t, enum built_in_function, tree, tree, tree, tree (*valueize) (tree) = NULL);
67 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_build (gimple_seq *, location_t, enum built_in_function, tree, tree, tree, tree, tree (*valueize) (tree) = NULL);
68 @deftypefnx {GIMPLE function} tree gimple_convert (gimple_seq *, location_t, tree, tree);
69 @end deftypefn
71 which is supposed to replace @code{force_gimple_operand (fold_buildN (...), ...)}
72 and calls to @code{fold_convert}.  Overloads without the @code{location_t}
73 argument exist.  Built statements are inserted on the provided sequence
74 and simplification is performed using the optional valueization hook.
77 @node The Language
78 @section The Language
79 @cindex The Language
81 The language to write expression simplifications in resembles other
82 domain-specific languages GCC uses.  Thus it is lispy.  Lets start
83 with an example from the match.pd file:
85 @smallexample
86 (simplify
87   (bit_and @@0 integer_all_onesp)
88   @@0)
89 @end smallexample
91 This example contains all required parts of an expression simplification.
92 A simplification is wrapped inside a @code{(simplify ...)} expression.
93 That contains at least two operands - an expression that is matched
94 with the GIMPLE or GENERIC IL and a replacement expression that is
95 returned if the match was successful.
97 Expressions have an operator ID, @code{bit_and} in this case.  Expressions can
98 be lower-case tree codes with @code{_expr} stripped off or builtin
99 function code names in all-caps, like @code{BUILT_IN_SQRT}.
101 @code{@@n} denotes a so-called capture.  It captures the operand and lets
102 you refer to it in other places of the match-and-simplify.  In the
103 above example it is refered to in the replacement expression.  Captures
104 are @code{@@} followed by a number or an identifier.
106 @smallexample
107 (simplify
108   (bit_xor @@0 @@0)
109   @{ build_zero_cst (type); @})
110 @end smallexample
112 In this example @code{@@0} is mentioned twice which constrains the matched
113 expression to have two equal operands.  Usually matches are constraint
114 to equal types.  If operands may be constants and conversions are involved
115 matching by value might be preferred in which case use @code{@@@@0} to
116 denote a by value match and the specific operand you want to refer to
117 in the result part.  This example also introduces
118 operands written in C code.  These can be used in the expression
119 replacements and are supposed to evaluate to a tree node which has to
120 be a valid GIMPLE operand (so you cannot generate expressions in C code).
122 @smallexample
123 (simplify
124   (trunc_mod integer_zerop@@0 @@1)
125   (if (!integer_zerop (@@1))
126    @@0))
127 @end smallexample
129 Here @code{@@0} captures the first operand of the trunc_mod expression
130 which is also predicated with @code{integer_zerop}.  Expression operands
131 may be either expressions, predicates or captures.  Captures
132 can be unconstrained or capture expresions or predicates.
134 This example introduces an optional operand of simplify,
135 the if-expression.  This condition is evaluated after the
136 expression matched in the IL and is required to evaluate to true
137 to enable the replacement expression in the second operand
138 position.  The expression operand of the @code{if} is a standard C
139 expression which may contain references to captures.  The @code{if}
140 has an optional third operand which may contain the replacement
141 expression that is enabled when the condition evaluates to false.
143 A @code{if} expression can be used to specify a common condition
144 for multiple simplify patterns, avoiding the need
145 to repeat that multiple times:
147 @smallexample
148 (if (!TYPE_SATURATING (type)
149      && !FLOAT_TYPE_P (type) && !FIXED_POINT_TYPE_P (type))
150   (simplify
151     (minus (plus @@0 @@1) @@0)
152     @@1)
153   (simplify
154     (minus (minus @@0 @@1) @@0)
155     (negate @@1)))
156 @end smallexample
158 Note that @code{if}s in outer position do not have the optional
159 else clause but instead have multiple then clauses.
161 Ifs can be nested.
163 There exists a @code{switch} expression which can be used to
164 chain conditions avoiding nesting @code{if}s too much:
166 @smallexample
167 (simplify
168  (simple_comparison @@0 REAL_CST@@1)
169  (switch
170   /* a CMP (-0) -> a CMP 0  */
171   (if (REAL_VALUE_MINUS_ZERO (TREE_REAL_CST (@@1)))
172    (cmp @@0 @{ build_real (TREE_TYPE (@@1), dconst0); @}))
173   /* x != NaN is always true, other ops are always false.  */
174   (if (REAL_VALUE_ISNAN (TREE_REAL_CST (@@1))
175        && ! HONOR_SNANS (@@1))
176    @{ constant_boolean_node (cmp == NE_EXPR, type); @})))
177 @end smallexample
179 Is equal to
181 @smallexample
182 (simplify
183  (simple_comparison @@0 REAL_CST@@1)
184  (switch
185   /* a CMP (-0) -> a CMP 0  */
186   (if (REAL_VALUE_MINUS_ZERO (TREE_REAL_CST (@@1)))
187    (cmp @@0 @{ build_real (TREE_TYPE (@@1), dconst0); @})
188    /* x != NaN is always true, other ops are always false.  */
189    (if (REAL_VALUE_ISNAN (TREE_REAL_CST (@@1))
190         && ! HONOR_SNANS (@@1))
191     @{ constant_boolean_node (cmp == NE_EXPR, type); @}))))
192 @end smallexample
194 which has the second @code{if} in the else operand of the first.
195 The @code{switch} expression takes @code{if} expressions as
196 operands (which may not have else clauses) and as a last operand
197 a replacement expression which should be enabled by default if
198 no other condition evaluated to true.
200 Captures can also be used for capturing results of sub-expressions.
202 @smallexample
203 #if GIMPLE
204 (simplify
205   (pointer_plus (addr@@2 @@0) INTEGER_CST_P@@1)
206   (if (is_gimple_min_invariant (@@2)))
207   @{
208     HOST_WIDE_INT off;
209     tree base = get_addr_base_and_unit_offset (@@0, &off);
210     off += tree_to_uhwi (@@1);
211     /* Now with that we should be able to simply write
212        (addr (mem_ref (addr @@base) (plus @@off @@1)))  */
213     build1 (ADDR_EXPR, type,
214             build2 (MEM_REF, TREE_TYPE (TREE_TYPE (@@2)),
215                     build_fold_addr_expr (base),
216                     build_int_cst (ptr_type_node, off)));
217   @})
218 #endif
219 @end smallexample
221 In the above example, @code{@@2} captures the result of the expression
222 @code{(addr @@0)}.  For outermost expression only its type can be captured,
223 and the keyword @code{type} is reserved for this purpose.  The above
224 example also gives a way to conditionalize patterns to only apply
225 to @code{GIMPLE} or @code{GENERIC} by means of using the pre-defined
226 preprocessor macros @code{GIMPLE} and @code{GENERIC} and using
227 preprocessor directives.
229 @smallexample
230 (simplify
231   (bit_and:c integral_op_p@@0 (bit_ior:c (bit_not @@0) @@1))
232   (bit_and @@1 @@0))
233 @end smallexample
235 Here we introduce flags on match expressions.  The flag used
236 above, @code{c}, denotes that the expression should
237 be also matched commutated.  Thus the above match expression
238 is really the following four match expressions:
240 @smallexample
241   (bit_and integral_op_p@@0 (bit_ior (bit_not @@0) @@1))
242   (bit_and (bit_ior (bit_not @@0) @@1) integral_op_p@@0)
243   (bit_and integral_op_p@@0 (bit_ior @@1 (bit_not @@0)))
244   (bit_and (bit_ior @@1 (bit_not @@0)) integral_op_p@@0)
245 @end smallexample
247 Usual canonicalizations you know from GENERIC expressions are
248 applied before matching, so for example constant operands always
249 come second in commutative expressions.
251 The second supported flag is @code{s} which tells the code
252 generator to fail the pattern if the expression marked with
253 @code{s} does have more than one use.  For example in
255 @smallexample
256 (simplify
257   (pointer_plus (pointer_plus:s @@0 @@1) @@3)
258   (pointer_plus @@0 (plus @@1 @@3)))
259 @end smallexample
261 this avoids the association if @code{(pointer_plus @@0 @@1)} is
262 used outside of the matched expression and thus it would stay
263 live and not trivially removed by dead code elimination.
265 More features exist to avoid too much repetition.
267 @smallexample
268 (for op (plus pointer_plus minus bit_ior bit_xor)
269   (simplify
270     (op @@0 integer_zerop)
271     @@0))
272 @end smallexample
274 A @code{for} expression can be used to repeat a pattern for each
275 operator specified, substituting @code{op}.  @code{for} can be
276 nested and a @code{for} can have multiple operators to iterate.
278 @smallexample
279 (for opa (plus minus)
280      opb (minus plus)
281   (for opc (plus minus)
282     (simplify...
283 @end smallexample
285 In this example the pattern will be repeated four times with
286 @code{opa, opb, opc} being @code{plus, minus, plus},
287 @code{plus, minus, minus}, @code{minus, plus, plus},
288 @code{minus, plus, minus}.
290 To avoid repeating operator lists in @code{for} you can name
291 them via
293 @smallexample
294 (define_operator_list pmm plus minus mult)
295 @end smallexample
297 and use them in @code{for} operator lists where they get expanded.
299 @smallexample
300 (for opa (pmm trunc_div)
301  (simplify...
302 @end smallexample
304 So this example iterates over @code{plus}, @code{minus}, @code{mult}
305 and @code{trunc_div}.
307 Using operator lists can also remove the need to explicitely write
308 a @code{for}.  All operator list uses that appear in a @code{simplify}
309 or @code{match} pattern in operator positions will implicitely
310 be added to a new @code{for}.  For example
312 @smallexample
313 (define_operator_list SQRT BUILT_IN_SQRTF BUILT_IN_SQRT BUILT_IN_SQRTL)
314 (define_operator_list POW BUILT_IN_POWF BUILT_IN_POW BUILT_IN_POWL)
315 (simplify
316  (SQRT (POW @@0 @@1))
317  (POW (abs @@0) (mult @@1 @{ built_real (TREE_TYPE (@@1), dconsthalf); @})))
318 @end smallexample
320 is the same as
322 @smallexample
323 (for SQRT (BUILT_IN_SQRTF BUILT_IN_SQRT BUILT_IN_SQRTL)
324      POW (BUILT_IN_POWF BUILT_IN_POW BUILT_IN_POWL)
325  (simplify
326   (SQRT (POW @@0 @@1))
327   (POW (abs @@0) (mult @@1 @{ built_real (TREE_TYPE (@@1), dconsthalf); @}))))
328 @end smallexample
330 @code{for}s and operator lists can include the special identifier
331 @code{null} that matches nothing and can never be generated.  This can
332 be used to pad an operator list so that it has a standard form,
333 even if there isn't a suitable operator for every form.
335 Another building block are @code{with} expressions in the
336 result expression which nest the generated code in a new C block
337 followed by its argument:
339 @smallexample
340 (simplify
341  (convert (mult @@0 @@1))
342  (with @{ tree utype = unsigned_type_for (type); @}
343   (convert (mult (convert:utype @@0) (convert:utype @@1)))))
344 @end smallexample
346 This allows code nested in the @code{with} to refer to the declared
347 variables.  In the above case we use the feature to specify the
348 type of a generated expression with the @code{:type} syntax where
349 @code{type} needs to be an identifier that refers to the desired type.
350 Usually the types of the generated result expressions are
351 determined from the context, but sometimes like in the above case
352 it is required that you specify them explicitely.
354 As intermediate conversions are often optional there is a way to
355 avoid the need to repeat patterns both with and without such
356 conversions.  Namely you can mark a conversion as being optional
357 with a @code{?}:
359 @smallexample
360 (simplify
361  (eq (convert@@0 @@1) (convert@? @@2))
362  (eq @@1 (convert @@2)))
363 @end smallexample
365 which will match both @code{(eq (convert @@1) (convert @@2))} and
366 @code{(eq (convert @@1) @@2)}.  The optional converts are supposed
367 to be all either present or not, thus
368 @code{(eq (convert@? @@1) (convert@? @@2))} will result in two
369 patterns only.  If you want to match all four combinations you
370 have access to two additional conditional converts as in
371 @code{(eq (convert1@? @@1) (convert2@? @@2))}.
373 Predicates available from the GCC middle-end need to be made
374 available explicitely via @code{define_predicates}:
376 @smallexample
377 (define_predicates
378  integer_onep integer_zerop integer_all_onesp)
379 @end smallexample
381 You can also define predicates using the pattern matching language
382 and the @code{match} form:
384 @smallexample
385 (match negate_expr_p
386  INTEGER_CST
387  (if (TYPE_OVERFLOW_WRAPS (type)
388       || may_negate_without_overflow_p (t))))
389 (match negate_expr_p
390  (negate @@0))
391 @end smallexample
393 This shows that for @code{match} expressions there is @code{t}
394 available which captures the outermost expression (something
395 not possible in the @code{simplify} context).  As you can see
396 @code{match} has an identifier as first operand which is how
397 you refer to the predicate in patterns.  Multiple @code{match}
398 for the same identifier add additional cases where the predicate
399 matches.
401 Predicates can also match an expression in which case you need
402 to provide a template specifying the identifier and where to
403 get its operands from:
405 @smallexample
406 (match (logical_inverted_value @@0)
407  (eq @@0 integer_zerop))
408 (match (logical_inverted_value @@0)
409  (bit_not truth_valued_p@@0))
410 @end smallexample
412 You can use the above predicate like
414 @smallexample
415 (simplify
416  (bit_and @@0 (logical_inverted_value @@0))
417  @{ build_zero_cst (type); @})
418 @end smallexample
420 Which will match a bitwise and of an operand with its logical
421 inverted value.