113e49dceSJon Chesterfield //===-- AMDGPULowerModuleLDSPass.cpp ------------------------------*- C++ -*-=//
213e49dceSJon Chesterfield //
313e49dceSJon Chesterfield // Part of the LLVM Project, under the Apache License v2.0 with LLVM Exceptions.
413e49dceSJon Chesterfield // See https://llvm.org/LICENSE.txt for license information.
513e49dceSJon Chesterfield // SPDX-License-Identifier: Apache-2.0 WITH LLVM-exception
613e49dceSJon Chesterfield //
713e49dceSJon Chesterfield //===----------------------------------------------------------------------===//
813e49dceSJon Chesterfield //
913e49dceSJon Chesterfield // This pass eliminates LDS uses from non-kernel functions.
1013e49dceSJon Chesterfield //
1113e49dceSJon Chesterfield // The strategy is to create a new struct with a field for each LDS variable
1213e49dceSJon Chesterfield // and allocate that struct at the same address for every kernel. Uses of the
1313e49dceSJon Chesterfield // original LDS variables are then replaced with compile time offsets from that
1413e49dceSJon Chesterfield // known address. AMDGPUMachineFunction allocates the LDS global.
1513e49dceSJon Chesterfield //
1613e49dceSJon Chesterfield // Local variables with constant annotation or non-undef initializer are passed
1713e49dceSJon Chesterfield // through unchanged for simplication or error diagnostics in later passes.
1813e49dceSJon Chesterfield //
1913e49dceSJon Chesterfield // To reduce the memory overhead variables that are only used by kernels are
2013e49dceSJon Chesterfield // excluded from this transform. The analysis to determine whether a variable
2113e49dceSJon Chesterfield // is only used by a kernel is cheap and conservative so this may allocate
2213e49dceSJon Chesterfield // a variable in every kernel when it was not strictly necessary to do so.
2313e49dceSJon Chesterfield //
2413e49dceSJon Chesterfield // A possible future refinement is to specialise the structure per-kernel, so
2513e49dceSJon Chesterfield // that fields can be elided based on more expensive analysis.
2613e49dceSJon Chesterfield //
2713e49dceSJon Chesterfield //===----------------------------------------------------------------------===//
2813e49dceSJon Chesterfield 
2913e49dceSJon Chesterfield #include "AMDGPU.h"
3013e49dceSJon Chesterfield #include "Utils/AMDGPUBaseInfo.h"
3182787eb2Shsmahesha #include "Utils/AMDGPULDSUtils.h"
3213e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
3313e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/Constants.h"
3413e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
3513e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
3613e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/InlineAsm.h"
3713e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/IR/Instructions.h"
3813e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/InitializePasses.h"
3913e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/Pass.h"
4013e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/Support/Debug.h"
4113e49dceSJon Chesterfield #include "llvm/Transforms/Utils/ModuleUtils.h"
4213e49dceSJon Chesterfield #include <algorithm>
4313e49dceSJon Chesterfield #include <vector>
4413e49dceSJon Chesterfield 
4513e49dceSJon Chesterfield #define DEBUG_TYPE "amdgpu-lower-module-lds"
4613e49dceSJon Chesterfield 
4713e49dceSJon Chesterfield using namespace llvm;
4813e49dceSJon Chesterfield 
4913e49dceSJon Chesterfield namespace {
5013e49dceSJon Chesterfield 
5113e49dceSJon Chesterfield class AMDGPULowerModuleLDS : public ModulePass {
5213e49dceSJon Chesterfield 
5313e49dceSJon Chesterfield   static void removeFromUsedList(Module &M, StringRef Name,
5413e49dceSJon Chesterfield                                  SmallPtrSetImpl<Constant *> &ToRemove) {
5549028858SStanislav Mekhanoshin     GlobalVariable *GV = M.getNamedGlobal(Name);
5613e49dceSJon Chesterfield     if (!GV || ToRemove.empty()) {
5713e49dceSJon Chesterfield       return;
5813e49dceSJon Chesterfield     }
5913e49dceSJon Chesterfield 
6013e49dceSJon Chesterfield     SmallVector<Constant *, 16> Init;
6113e49dceSJon Chesterfield     auto *CA = cast<ConstantArray>(GV->getInitializer());
6213e49dceSJon Chesterfield     for (auto &Op : CA->operands()) {
6313e49dceSJon Chesterfield       // ModuleUtils::appendToUsed only inserts Constants
6413e49dceSJon Chesterfield       Constant *C = cast<Constant>(Op);
6513e49dceSJon Chesterfield       if (!ToRemove.contains(C->stripPointerCasts())) {
6613e49dceSJon Chesterfield         Init.push_back(C);
6713e49dceSJon Chesterfield       }
6813e49dceSJon Chesterfield     }
6913e49dceSJon Chesterfield 
7013e49dceSJon Chesterfield     if (Init.size() == CA->getNumOperands()) {
7113e49dceSJon Chesterfield       return; // none to remove
7213e49dceSJon Chesterfield     }
7313e49dceSJon Chesterfield 
7413e49dceSJon Chesterfield     GV->eraseFromParent();
7513e49dceSJon Chesterfield 
76*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     for (Constant *C : ToRemove) {
77*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       C->removeDeadConstantUsers();
78*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     }
79*8de4db69SStanislav Mekhanoshin 
8013e49dceSJon Chesterfield     if (!Init.empty()) {
8113e49dceSJon Chesterfield       ArrayType *ATy =
8213e49dceSJon Chesterfield           ArrayType::get(Type::getInt8PtrTy(M.getContext()), Init.size());
8313e49dceSJon Chesterfield       GV =
8413e49dceSJon Chesterfield           new llvm::GlobalVariable(M, ATy, false, GlobalValue::AppendingLinkage,
8513e49dceSJon Chesterfield                                    ConstantArray::get(ATy, Init), Name);
8613e49dceSJon Chesterfield       GV->setSection("llvm.metadata");
8713e49dceSJon Chesterfield     }
8813e49dceSJon Chesterfield   }
8913e49dceSJon Chesterfield 
9013e49dceSJon Chesterfield   static void
9113e49dceSJon Chesterfield   removeFromUsedLists(Module &M,
9213e49dceSJon Chesterfield                       const std::vector<GlobalVariable *> &LocalVars) {
9313e49dceSJon Chesterfield     SmallPtrSet<Constant *, 32> LocalVarsSet;
9413e49dceSJon Chesterfield     for (size_t I = 0; I < LocalVars.size(); I++) {
9513e49dceSJon Chesterfield       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(LocalVars[I]->stripPointerCasts())) {
9613e49dceSJon Chesterfield         LocalVarsSet.insert(C);
9713e49dceSJon Chesterfield       }
9813e49dceSJon Chesterfield     }
9913e49dceSJon Chesterfield     removeFromUsedList(M, "llvm.used", LocalVarsSet);
10013e49dceSJon Chesterfield     removeFromUsedList(M, "llvm.compiler.used", LocalVarsSet);
10113e49dceSJon Chesterfield   }
10213e49dceSJon Chesterfield 
10313e49dceSJon Chesterfield   static void markUsedByKernel(IRBuilder<> &Builder, Function *Func,
10413e49dceSJon Chesterfield                                GlobalVariable *SGV) {
10513e49dceSJon Chesterfield     // The llvm.amdgcn.module.lds instance is implicitly used by all kernels
10613e49dceSJon Chesterfield     // that might call a function which accesses a field within it. This is
10713e49dceSJon Chesterfield     // presently approximated to 'all kernels' if there are any such functions
10813e49dceSJon Chesterfield     // in the module. This implicit use is reified as an explicit use here so
10913e49dceSJon Chesterfield     // that later passes, specifically PromoteAlloca, account for the required
11013e49dceSJon Chesterfield     // memory without any knowledge of this transform.
11113e49dceSJon Chesterfield 
11213e49dceSJon Chesterfield     // An operand bundle on llvm.donothing works because the call instruction
11313e49dceSJon Chesterfield     // survives until after the last pass that needs to account for LDS. It is
11413e49dceSJon Chesterfield     // better than inline asm as the latter survives until the end of codegen. A
11513e49dceSJon Chesterfield     // totally robust solution would be a function with the same semantics as
11613e49dceSJon Chesterfield     // llvm.donothing that takes a pointer to the instance and is lowered to a
11713e49dceSJon Chesterfield     // no-op after LDS is allocated, but that is not presently necessary.
11813e49dceSJon Chesterfield 
11913e49dceSJon Chesterfield     LLVMContext &Ctx = Func->getContext();
12013e49dceSJon Chesterfield 
12113e49dceSJon Chesterfield     Builder.SetInsertPoint(Func->getEntryBlock().getFirstNonPHI());
12213e49dceSJon Chesterfield 
12313e49dceSJon Chesterfield     FunctionType *FTy = FunctionType::get(Type::getVoidTy(Ctx), {});
12413e49dceSJon Chesterfield 
12513e49dceSJon Chesterfield     Function *Decl =
12613e49dceSJon Chesterfield         Intrinsic::getDeclaration(Func->getParent(), Intrinsic::donothing, {});
12713e49dceSJon Chesterfield 
12813e49dceSJon Chesterfield     Value *UseInstance[1] = {Builder.CreateInBoundsGEP(
12913e49dceSJon Chesterfield         SGV->getValueType(), SGV, ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Ctx), 0))};
13013e49dceSJon Chesterfield 
13113e49dceSJon Chesterfield     Builder.CreateCall(FTy, Decl, {},
13213e49dceSJon Chesterfield                        {OperandBundleDefT<Value *>("ExplicitUse", UseInstance)},
13313e49dceSJon Chesterfield                        "");
13413e49dceSJon Chesterfield   }
13513e49dceSJon Chesterfield 
136*8de4db69SStanislav Mekhanoshin private:
137*8de4db69SStanislav Mekhanoshin   SmallPtrSet<GlobalValue *, 32> UsedList;
138*8de4db69SStanislav Mekhanoshin 
13913e49dceSJon Chesterfield public:
14013e49dceSJon Chesterfield   static char ID;
14113e49dceSJon Chesterfield 
14213e49dceSJon Chesterfield   AMDGPULowerModuleLDS() : ModulePass(ID) {
14313e49dceSJon Chesterfield     initializeAMDGPULowerModuleLDSPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
14413e49dceSJon Chesterfield   }
14513e49dceSJon Chesterfield 
14613e49dceSJon Chesterfield   bool runOnModule(Module &M) override {
147*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     UsedList = AMDGPU::getUsedList(M);
148*8de4db69SStanislav Mekhanoshin 
149*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     bool Changed = processUsedLDS(M);
150*8de4db69SStanislav Mekhanoshin 
151*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     for (Function &F : M.functions()) {
152*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       if (!AMDGPU::isKernelCC(&F))
153*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         continue;
154*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       Changed |= processUsedLDS(M, &F);
155*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     }
156*8de4db69SStanislav Mekhanoshin 
157*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     UsedList.clear();
158*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     return Changed;
159*8de4db69SStanislav Mekhanoshin   }
160*8de4db69SStanislav Mekhanoshin 
161*8de4db69SStanislav Mekhanoshin private:
162*8de4db69SStanislav Mekhanoshin   bool processUsedLDS(Module &M, Function *F = nullptr) {
16313e49dceSJon Chesterfield     LLVMContext &Ctx = M.getContext();
16413e49dceSJon Chesterfield     const DataLayout &DL = M.getDataLayout();
16513e49dceSJon Chesterfield 
16613e49dceSJon Chesterfield     // Find variables to move into new struct instance
16713e49dceSJon Chesterfield     std::vector<GlobalVariable *> FoundLocalVars =
168*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         AMDGPU::findVariablesToLower(M, UsedList, F);
16913e49dceSJon Chesterfield 
17013e49dceSJon Chesterfield     if (FoundLocalVars.empty()) {
17113e49dceSJon Chesterfield       // No variables to rewrite, no changes made.
17213e49dceSJon Chesterfield       return false;
17313e49dceSJon Chesterfield     }
17413e49dceSJon Chesterfield 
17513e49dceSJon Chesterfield     // Sort by alignment, descending, to minimise padding.
17613e49dceSJon Chesterfield     // On ties, sort by size, descending, then by name, lexicographical.
17713e49dceSJon Chesterfield     llvm::stable_sort(
17813e49dceSJon Chesterfield         FoundLocalVars,
17913e49dceSJon Chesterfield         [&](const GlobalVariable *LHS, const GlobalVariable *RHS) -> bool {
18082787eb2Shsmahesha           Align ALHS = AMDGPU::getAlign(DL, LHS);
18182787eb2Shsmahesha           Align ARHS = AMDGPU::getAlign(DL, RHS);
18213e49dceSJon Chesterfield           if (ALHS != ARHS) {
18313e49dceSJon Chesterfield             return ALHS > ARHS;
18413e49dceSJon Chesterfield           }
18513e49dceSJon Chesterfield 
18613e49dceSJon Chesterfield           TypeSize SLHS = DL.getTypeAllocSize(LHS->getValueType());
18713e49dceSJon Chesterfield           TypeSize SRHS = DL.getTypeAllocSize(RHS->getValueType());
18813e49dceSJon Chesterfield           if (SLHS != SRHS) {
18913e49dceSJon Chesterfield             return SLHS > SRHS;
19013e49dceSJon Chesterfield           }
19113e49dceSJon Chesterfield 
19213e49dceSJon Chesterfield           // By variable name on tie for predictable order in test cases.
19313e49dceSJon Chesterfield           return LHS->getName() < RHS->getName();
19413e49dceSJon Chesterfield         });
19513e49dceSJon Chesterfield 
19613e49dceSJon Chesterfield     std::vector<GlobalVariable *> LocalVars;
19713e49dceSJon Chesterfield     LocalVars.reserve(FoundLocalVars.size()); // will be at least this large
19813e49dceSJon Chesterfield     {
19913e49dceSJon Chesterfield       // This usually won't need to insert any padding, perhaps avoid the alloc
20013e49dceSJon Chesterfield       uint64_t CurrentOffset = 0;
20113e49dceSJon Chesterfield       for (size_t I = 0; I < FoundLocalVars.size(); I++) {
20213e49dceSJon Chesterfield         GlobalVariable *FGV = FoundLocalVars[I];
20382787eb2Shsmahesha         Align DataAlign = AMDGPU::getAlign(DL, FGV);
20413e49dceSJon Chesterfield 
20513e49dceSJon Chesterfield         uint64_t DataAlignV = DataAlign.value();
20613e49dceSJon Chesterfield         if (uint64_t Rem = CurrentOffset % DataAlignV) {
20713e49dceSJon Chesterfield           uint64_t Padding = DataAlignV - Rem;
20813e49dceSJon Chesterfield 
20913e49dceSJon Chesterfield           // Append an array of padding bytes to meet alignment requested
21013e49dceSJon Chesterfield           // Note (o +      (a - (o % a)) ) % a == 0
21113e49dceSJon Chesterfield           //      (offset + Padding       ) % align == 0
21213e49dceSJon Chesterfield 
21313e49dceSJon Chesterfield           Type *ATy = ArrayType::get(Type::getInt8Ty(Ctx), Padding);
21413e49dceSJon Chesterfield           LocalVars.push_back(new GlobalVariable(
21513e49dceSJon Chesterfield               M, ATy, false, GlobalValue::InternalLinkage, UndefValue::get(ATy),
21613e49dceSJon Chesterfield               "", nullptr, GlobalValue::NotThreadLocal, AMDGPUAS::LOCAL_ADDRESS,
21713e49dceSJon Chesterfield               false));
21813e49dceSJon Chesterfield           CurrentOffset += Padding;
21913e49dceSJon Chesterfield         }
22013e49dceSJon Chesterfield 
22113e49dceSJon Chesterfield         LocalVars.push_back(FGV);
22213e49dceSJon Chesterfield         CurrentOffset += DL.getTypeAllocSize(FGV->getValueType());
22313e49dceSJon Chesterfield       }
22413e49dceSJon Chesterfield     }
22513e49dceSJon Chesterfield 
22613e49dceSJon Chesterfield     std::vector<Type *> LocalVarTypes;
22713e49dceSJon Chesterfield     LocalVarTypes.reserve(LocalVars.size());
22813e49dceSJon Chesterfield     std::transform(
22913e49dceSJon Chesterfield         LocalVars.cbegin(), LocalVars.cend(), std::back_inserter(LocalVarTypes),
23013e49dceSJon Chesterfield         [](const GlobalVariable *V) -> Type * { return V->getValueType(); });
23113e49dceSJon Chesterfield 
232*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     std::string VarName(
233*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         F ? (Twine("llvm.amdgcn.kernel.") + F->getName() + ".lds").str()
234*8de4db69SStanislav Mekhanoshin           : "llvm.amdgcn.module.lds");
235*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     StructType *LDSTy = StructType::create(Ctx, LocalVarTypes, VarName + ".t");
23613e49dceSJon Chesterfield 
23782787eb2Shsmahesha     Align MaxAlign =
23882787eb2Shsmahesha         AMDGPU::getAlign(DL, LocalVars[0]); // was sorted on alignment
23913e49dceSJon Chesterfield 
24013e49dceSJon Chesterfield     GlobalVariable *SGV = new GlobalVariable(
24113e49dceSJon Chesterfield         M, LDSTy, false, GlobalValue::InternalLinkage, UndefValue::get(LDSTy),
242*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         VarName, nullptr, GlobalValue::NotThreadLocal, AMDGPUAS::LOCAL_ADDRESS,
243*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         false);
24413e49dceSJon Chesterfield     SGV->setAlignment(MaxAlign);
245*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     if (!F) {
24613e49dceSJon Chesterfield       appendToCompilerUsed(
24713e49dceSJon Chesterfield           M, {static_cast<GlobalValue *>(
24813e49dceSJon Chesterfield                  ConstantExpr::getPointerBitCastOrAddrSpaceCast(
24913e49dceSJon Chesterfield                      cast<Constant>(SGV), Type::getInt8PtrTy(Ctx)))});
250*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     }
25113e49dceSJon Chesterfield 
25213e49dceSJon Chesterfield     // The verifier rejects used lists containing an inttoptr of a constant
25313e49dceSJon Chesterfield     // so remove the variables from these lists before replaceAllUsesWith
25413e49dceSJon Chesterfield     removeFromUsedLists(M, LocalVars);
25513e49dceSJon Chesterfield 
25613e49dceSJon Chesterfield     // Replace uses of ith variable with a constantexpr to the ith field of the
25713e49dceSJon Chesterfield     // instance that will be allocated by AMDGPUMachineFunction
25813e49dceSJon Chesterfield     Type *I32 = Type::getInt32Ty(Ctx);
25913e49dceSJon Chesterfield     for (size_t I = 0; I < LocalVars.size(); I++) {
26013e49dceSJon Chesterfield       GlobalVariable *GV = LocalVars[I];
26113e49dceSJon Chesterfield       Constant *GEPIdx[] = {ConstantInt::get(I32, 0), ConstantInt::get(I32, I)};
262*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       Constant *GEP = ConstantExpr::getGetElementPtr(LDSTy, SGV, GEPIdx);
263*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       if (F) {
264*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         GV->replaceUsesWithIf(GEP, [F](Use &U) {
265*8de4db69SStanislav Mekhanoshin           return AMDGPU::isUsedOnlyFromFunction(U.getUser(), F);
266*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         });
267*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       } else {
268*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         GV->replaceAllUsesWith(GEP);
269*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       }
270*8de4db69SStanislav Mekhanoshin       if (GV->use_empty()) {
271*8de4db69SStanislav Mekhanoshin         UsedList.erase(GV);
27213e49dceSJon Chesterfield         GV->eraseFromParent();
27313e49dceSJon Chesterfield       }
274*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     }
27513e49dceSJon Chesterfield 
27613e49dceSJon Chesterfield     // Mark kernels with asm that reads the address of the allocated structure
27713e49dceSJon Chesterfield     // This is not necessary for lowering. This lets other passes, specifically
27813e49dceSJon Chesterfield     // PromoteAlloca, accurately calculate how much LDS will be used by the
27913e49dceSJon Chesterfield     // kernel after lowering.
280*8de4db69SStanislav Mekhanoshin     if (!F) {
28113e49dceSJon Chesterfield       IRBuilder<> Builder(Ctx);
28213e49dceSJon Chesterfield       SmallPtrSet<Function *, 32> Kernels;
28313e49dceSJon Chesterfield       for (auto &I : M.functions()) {
28413e49dceSJon Chesterfield         Function *Func = &I;
28582787eb2Shsmahesha         if (AMDGPU::isKernelCC(Func) && !Kernels.contains(Func)) {
28613e49dceSJon Chesterfield           markUsedByKernel(Builder, Func, SGV);
28713e49dceSJon Chesterfield           Kernels.insert(Func);
28813e49dceSJon Chesterfield         }
28913e49dceSJon Chesterfield       }
29013e49dceSJon Chesterfield     }
29113e49dceSJon Chesterfield     return true;
29213e49dceSJon Chesterfield   }
29313e49dceSJon Chesterfield };
29413e49dceSJon Chesterfield 
29513e49dceSJon Chesterfield } // namespace
29613e49dceSJon Chesterfield char AMDGPULowerModuleLDS::ID = 0;
29713e49dceSJon Chesterfield 
29813e49dceSJon Chesterfield char &llvm::AMDGPULowerModuleLDSID = AMDGPULowerModuleLDS::ID;
29913e49dceSJon Chesterfield 
30013e49dceSJon Chesterfield INITIALIZE_PASS(AMDGPULowerModuleLDS, DEBUG_TYPE,
30113e49dceSJon Chesterfield                 "Lower uses of LDS variables from non-kernel functions", false,
30213e49dceSJon Chesterfield                 false)
30313e49dceSJon Chesterfield 
30413e49dceSJon Chesterfield ModulePass *llvm::createAMDGPULowerModuleLDSPass() {
30513e49dceSJon Chesterfield   return new AMDGPULowerModuleLDS();
30613e49dceSJon Chesterfield }
30713e49dceSJon Chesterfield 
30813e49dceSJon Chesterfield PreservedAnalyses AMDGPULowerModuleLDSPass::run(Module &M,
30913e49dceSJon Chesterfield                                                 ModuleAnalysisManager &) {
31013e49dceSJon Chesterfield   return AMDGPULowerModuleLDS().runOnModule(M) ? PreservedAnalyses::none()
31113e49dceSJon Chesterfield                                                : PreservedAnalyses::all();
31213e49dceSJon Chesterfield }
313