Loop invariant code motion initial implementation
[platform/upstream/SPIRV-Tools.git] / include / spirv-tools / optimizer.hpp
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2 //
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7 //     http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
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10 // distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
11 // WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
12 // See the License for the specific language governing permissions and
13 // limitations under the License.
14
15 #ifndef SPIRV_TOOLS_OPTIMIZER_HPP_
16 #define SPIRV_TOOLS_OPTIMIZER_HPP_
17
18 #include <memory>
19 #include <ostream>
20 #include <string>
21 #include <unordered_map>
22 #include <vector>
23
24 #include "libspirv.hpp"
25
26 namespace spvtools {
27
28 // C++ interface for SPIR-V optimization functionalities. It wraps the context
29 // (including target environment and the corresponding SPIR-V grammar) and
30 // provides methods for registering optimization passes and optimizing.
31 //
32 // Instances of this class provides basic thread-safety guarantee.
33 class Optimizer {
34  public:
35   // The token for an optimization pass. It is returned via one of the
36   // Create*Pass() standalone functions at the end of this header file and
37   // consumed by the RegisterPass() method. Tokens are one-time objects that
38   // only support move; copying is not allowed.
39   struct PassToken {
40     struct Impl;  // Opaque struct for holding inernal data.
41
42     PassToken(std::unique_ptr<Impl>);
43
44     // Tokens can only be moved. Copying is disabled.
45     PassToken(const PassToken&) = delete;
46     PassToken(PassToken&&);
47     PassToken& operator=(const PassToken&) = delete;
48     PassToken& operator=(PassToken&&);
49
50     ~PassToken();
51
52     std::unique_ptr<Impl> impl_;  // Unique pointer to internal data.
53   };
54
55   // Constructs an instance with the given target |env|, which is used to decode
56   // the binaries to be optimized later.
57   //
58   // The constructed instance will have an empty message consumer, which just
59   // ignores all messages from the library. Use SetMessageConsumer() to supply
60   // one if messages are of concern.
61   explicit Optimizer(spv_target_env env);
62
63   // Disables copy/move constructor/assignment operations.
64   Optimizer(const Optimizer&) = delete;
65   Optimizer(Optimizer&&) = delete;
66   Optimizer& operator=(const Optimizer&) = delete;
67   Optimizer& operator=(Optimizer&&) = delete;
68
69   // Destructs this instance.
70   ~Optimizer();
71
72   // Sets the message consumer to the given |consumer|. The |consumer| will be
73   // invoked once for each message communicated from the library.
74   void SetMessageConsumer(MessageConsumer consumer);
75
76   // Registers the given |pass| to this optimizer. Passes will be run in the
77   // exact order of registration. The token passed in will be consumed by this
78   // method.
79   Optimizer& RegisterPass(PassToken&& pass);
80
81   // Registers passes that attempt to improve performance of generated code.
82   // This sequence of passes is subject to constant review and will change
83   // from time to time.
84   Optimizer& RegisterPerformancePasses();
85
86   // Registers passes that attempt to improve the size of generated code.
87   // This sequence of passes is subject to constant review and will change
88   // from time to time.
89   Optimizer& RegisterSizePasses();
90
91   // Registers passes that attempt to legalize the generated code.
92   //
93   // Note: this recipe is specially for legalizing SPIR-V. It should be used
94   // by compilers after translating HLSL source code literally. It should
95   // *not* be used by general workloads for performance or size improvement.
96   //
97   // This sequence of passes is subject to constant review and will change
98   // from time to time.
99   Optimizer& RegisterLegalizationPasses();
100
101   // Optimizes the given SPIR-V module |original_binary| and writes the
102   // optimized binary into |optimized_binary|.
103   // Returns true on successful optimization, whether or not the module is
104   // modified. Returns false if errors occur when processing |original_binary|
105   // using any of the registered passes. In that case, no further passes are
106   // executed and the contents in |optimized_binary| may be invalid.
107   //
108   // It's allowed to alias |original_binary| to the start of |optimized_binary|.
109   bool Run(const uint32_t* original_binary, size_t original_binary_size,
110            std::vector<uint32_t>* optimized_binary) const;
111
112   // Returns a vector of strings with all the pass names added to this
113   // optimizer's pass manager. These strings are valid until the associated
114   // pass manager is destroyed.
115   std::vector<const char*> GetPassNames() const;
116
117   // Sets the option to print the disassembly before each pass and after the
118   // last pass.  If |out| is null, then no output is generated.  Otherwise,
119   // output is sent to the |out| output stream.
120   Optimizer& SetPrintAll(std::ostream* out);
121
122  private:
123   struct Impl;                  // Opaque struct for holding internal data.
124   std::unique_ptr<Impl> impl_;  // Unique pointer to internal data.
125 };
126
127 // Creates a null pass.
128 // A null pass does nothing to the SPIR-V module to be optimized.
129 Optimizer::PassToken CreateNullPass();
130
131 // Creates a strip-debug-info pass.
132 // A strip-debug-info pass removes all debug instructions (as documented in
133 // Section 3.32.2 of the SPIR-V spec) of the SPIR-V module to be optimized.
134 Optimizer::PassToken CreateStripDebugInfoPass();
135
136 // Creates an eliminate-dead-functions pass.
137 // An eliminate-dead-functions pass will remove all functions that are not in
138 // the call trees rooted at entry points and exported functions.  These
139 // functions are not needed because they will never be called.
140 Optimizer::PassToken CreateEliminateDeadFunctionsPass();
141
142 // Creates a set-spec-constant-default-value pass from a mapping from spec-ids
143 // to the default values in the form of string.
144 // A set-spec-constant-default-value pass sets the default values for the
145 // spec constants that have SpecId decorations (i.e., those defined by
146 // OpSpecConstant{|True|False} instructions).
147 Optimizer::PassToken CreateSetSpecConstantDefaultValuePass(
148     const std::unordered_map<uint32_t, std::string>& id_value_map);
149
150 // Creates a set-spec-constant-default-value pass from a mapping from spec-ids
151 // to the default values in the form of bit pattern.
152 // A set-spec-constant-default-value pass sets the default values for the
153 // spec constants that have SpecId decorations (i.e., those defined by
154 // OpSpecConstant{|True|False} instructions).
155 Optimizer::PassToken CreateSetSpecConstantDefaultValuePass(
156     const std::unordered_map<uint32_t, std::vector<uint32_t>>& id_value_map);
157
158 // Creates a flatten-decoration pass.
159 // A flatten-decoration pass replaces grouped decorations with equivalent
160 // ungrouped decorations.  That is, it replaces each OpDecorationGroup
161 // instruction and associated OpGroupDecorate and OpGroupMemberDecorate
162 // instructions with equivalent OpDecorate and OpMemberDecorate instructions.
163 // The pass does not attempt to preserve debug information for instructions
164 // it removes.
165 Optimizer::PassToken CreateFlattenDecorationPass();
166
167 // Creates a freeze-spec-constant-value pass.
168 // A freeze-spec-constant pass specializes the value of spec constants to
169 // their default values. This pass only processes the spec constants that have
170 // SpecId decorations (defined by OpSpecConstant, OpSpecConstantTrue, or
171 // OpSpecConstantFalse instructions) and replaces them with their normal
172 // counterparts (OpConstant, OpConstantTrue, or OpConstantFalse). The
173 // corresponding SpecId annotation instructions will also be removed. This
174 // pass does not fold the newly added normal constants and does not process
175 // other spec constants defined by OpSpecConstantComposite or
176 // OpSpecConstantOp.
177 Optimizer::PassToken CreateFreezeSpecConstantValuePass();
178
179 // Creates a fold-spec-constant-op-and-composite pass.
180 // A fold-spec-constant-op-and-composite pass folds spec constants defined by
181 // OpSpecConstantOp or OpSpecConstantComposite instruction, to normal Constants
182 // defined by OpConstantTrue, OpConstantFalse, OpConstant, OpConstantNull, or
183 // OpConstantComposite instructions. Note that spec constants defined with
184 // OpSpecConstant, OpSpecConstantTrue, or OpSpecConstantFalse instructions are
185 // not handled, as these instructions indicate their value are not determined
186 // and can be changed in future. A spec constant is foldable if all of its
187 // value(s) can be determined from the module. E.g., an integer spec constant
188 // defined with OpSpecConstantOp instruction can be folded if its value won't
189 // change later. This pass will replace the original OpSpecContantOp instruction
190 // with an OpConstant instruction. When folding composite spec constants,
191 // new instructions may be inserted to define the components of the composite
192 // constant first, then the original spec constants will be replaced by
193 // OpConstantComposite instructions.
194 //
195 // There are some operations not supported yet:
196 //   OpSConvert, OpFConvert, OpQuantizeToF16 and
197 //   all the operations under Kernel capability.
198 // TODO(qining): Add support for the operations listed above.
199 Optimizer::PassToken CreateFoldSpecConstantOpAndCompositePass();
200
201 // Creates a unify-constant pass.
202 // A unify-constant pass de-duplicates the constants. Constants with the exact
203 // same value and identical form will be unified and only one constant will
204 // be kept for each unique pair of type and value.
205 // There are several cases not handled by this pass:
206 //  1) Constants defined by OpConstantNull instructions (null constants) and
207 //  constants defined by OpConstantFalse, OpConstant or OpConstantComposite
208 //  with value 0 (zero-valued normal constants) are not considered equivalent.
209 //  So null constants won't be used to replace zero-valued normal constants,
210 //  vice versa.
211 //  2) Whenever there are decorations to the constant's result id id, the
212 //  constant won't be handled, which means, it won't be used to replace any
213 //  other constants, neither can other constants replace it.
214 //  3) NaN in float point format with different bit patterns are not unified.
215 Optimizer::PassToken CreateUnifyConstantPass();
216
217 // Creates a eliminate-dead-constant pass.
218 // A eliminate-dead-constant pass removes dead constants, including normal
219 // contants defined by OpConstant, OpConstantComposite, OpConstantTrue, or
220 // OpConstantFalse and spec constants defined by OpSpecConstant,
221 // OpSpecConstantComposite, OpSpecConstantTrue, OpSpecConstantFalse or
222 // OpSpecConstantOp.
223 Optimizer::PassToken CreateEliminateDeadConstantPass();
224
225 // Creates a strength-reduction pass.
226 // A strength-reduction pass will look for opportunities to replace an
227 // instruction with an equivalent and less expensive one.  For example,
228 // multiplying by a power of 2 can be replaced by a bit shift.
229 Optimizer::PassToken CreateStrengthReductionPass();
230
231 // Creates a block merge pass.
232 // This pass searches for blocks with a single Branch to a block with no
233 // other predecessors and merges the blocks into a single block. Continue
234 // blocks and Merge blocks are not candidates for the second block.
235 //
236 // The pass is most useful after Dead Branch Elimination, which can leave
237 // such sequences of blocks. Merging them makes subsequent passes more
238 // effective, such as single block local store-load elimination.
239 //
240 // While this pass reduces the number of occurrences of this sequence, at
241 // this time it does not guarantee all such sequences are eliminated.
242 //
243 // Presence of phi instructions can inhibit this optimization. Handling
244 // these is left for future improvements.
245 Optimizer::PassToken CreateBlockMergePass();
246
247 // Creates an exhaustive inline pass.
248 // An exhaustive inline pass attempts to exhaustively inline all function
249 // calls in all functions in an entry point call tree. The intent is to enable,
250 // albeit through brute force, analysis and optimization across function
251 // calls by subsequent optimization passes. As the inlining is exhaustive,
252 // there is no attempt to optimize for size or runtime performance. Functions
253 // that are not in the call tree of an entry point are not changed.
254 Optimizer::PassToken CreateInlineExhaustivePass();
255
256 // Creates an opaque inline pass.
257 // An opaque inline pass inlines all function calls in all functions in all
258 // entry point call trees where the called function contains an opaque type
259 // in either its parameter types or return type. An opaque type is currently
260 // defined as Image, Sampler or SampledImage. The intent is to enable, albeit
261 // through brute force, analysis and optimization across these function calls
262 // by subsequent passes in order to remove the storing of opaque types which is
263 // not legal in Vulkan. Functions that are not in the call tree of an entry
264 // point are not changed.
265 Optimizer::PassToken CreateInlineOpaquePass();
266
267 // Creates a single-block local variable load/store elimination pass.
268 // For every entry point function, do single block memory optimization of
269 // function variables referenced only with non-access-chain loads and stores.
270 // For each targeted variable load, if previous store to that variable in the
271 // block, replace the load's result id with the value id of the store.
272 // If previous load within the block, replace the current load's result id
273 // with the previous load's result id. In either case, delete the current
274 // load. Finally, check if any remaining stores are useless, and delete store
275 // and variable if possible.
276 //
277 // The presence of access chain references and function calls can inhibit
278 // the above optimization.
279 //
280 // Only modules with relaxed logical addressing (see opt/instruction.h) are
281 // currently processed.
282 //
283 // This pass is most effective if preceeded by Inlining and
284 // LocalAccessChainConvert. This pass will reduce the work needed to be done
285 // by LocalSingleStoreElim and LocalMultiStoreElim.
286 //
287 // Only functions in the call tree of an entry point are processed.
288 Optimizer::PassToken CreateLocalSingleBlockLoadStoreElimPass();
289
290 // Create dead branch elimination pass.
291 // For each entry point function, this pass will look for SelectionMerge
292 // BranchConditionals with constant condition and convert to a Branch to
293 // the indicated label. It will delete resulting dead blocks.
294 //
295 // For all phi functions in merge block, replace all uses with the id
296 // corresponding to the living predecessor.
297 //
298 // Note that some branches and blocks may be left to avoid creating invalid
299 // control flow. Improving this is left to future work.
300 //
301 // This pass is most effective when preceeded by passes which eliminate
302 // local loads and stores, effectively propagating constant values where
303 // possible.
304 Optimizer::PassToken CreateDeadBranchElimPass();
305
306 // Creates an SSA local variable load/store elimination pass.
307 // For every entry point function, eliminate all loads and stores of function
308 // scope variables only referenced with non-access-chain loads and stores.
309 // Eliminate the variables as well.
310 //
311 // The presence of access chain references and function calls can inhibit
312 // the above optimization.
313 //
314 // Only shader modules with relaxed logical addressing (see opt/instruction.h)
315 // are currently processed. Currently modules with any extensions enabled are
316 // not processed. This is left for future work.
317 //
318 // This pass is most effective if preceeded by Inlining and
319 // LocalAccessChainConvert. LocalSingleStoreElim and LocalSingleBlockElim
320 // will reduce the work that this pass has to do.
321 Optimizer::PassToken CreateLocalMultiStoreElimPass();
322
323 // Creates a local access chain conversion pass.
324 // A local access chain conversion pass identifies all function scope
325 // variables which are accessed only with loads, stores and access chains
326 // with constant indices. It then converts all loads and stores of such
327 // variables into equivalent sequences of loads, stores, extracts and inserts.
328 //
329 // This pass only processes entry point functions. It currently only converts
330 // non-nested, non-ptr access chains. It does not process modules with
331 // non-32-bit integer types present. Optional memory access options on loads
332 // and stores are ignored as we are only processing function scope variables.
333 //
334 // This pass unifies access to these variables to a single mode and simplifies
335 // subsequent analysis and elimination of these variables along with their
336 // loads and stores allowing values to propagate to their points of use where
337 // possible.
338 Optimizer::PassToken CreateLocalAccessChainConvertPass();
339
340 // Creates a local single store elimination pass.
341 // For each entry point function, this pass eliminates loads and stores for
342 // function scope variable that are stored to only once, where possible. Only
343 // whole variable loads and stores are eliminated; access-chain references are
344 // not optimized. Replace all loads of such variables with the value that is
345 // stored and eliminate any resulting dead code.
346 //
347 // Currently, the presence of access chains and function calls can inhibit this
348 // pass, however the Inlining and LocalAccessChainConvert passes can make it
349 // more effective. In additional, many non-load/store memory operations are
350 // not supported and will prohibit optimization of a function. Support of
351 // these operations are future work.
352 //
353 // Only shader modules with relaxed logical addressing (see opt/instruction.h)
354 // are currently processed.
355 //
356 // This pass will reduce the work needed to be done by LocalSingleBlockElim
357 // and LocalMultiStoreElim and can improve the effectiveness of other passes
358 // such as DeadBranchElimination which depend on values for their analysis.
359 Optimizer::PassToken CreateLocalSingleStoreElimPass();
360
361 // Creates an insert/extract elimination pass.
362 // This pass processes each entry point function in the module, searching for
363 // extracts on a sequence of inserts. It further searches the sequence for an
364 // insert with indices identical to the extract. If such an insert can be
365 // found before hitting a conflicting insert, the extract's result id is
366 // replaced with the id of the values from the insert.
367 //
368 // Besides removing extracts this pass enables subsequent dead code elimination
369 // passes to delete the inserts. This pass performs best after access chains are
370 // converted to inserts and extracts and local loads and stores are eliminated.
371 Optimizer::PassToken CreateInsertExtractElimPass();
372
373 // Creates a dead insert elimination pass.
374 // This pass processes each entry point function in the module, searching for
375 // unreferenced inserts into composite types. These are most often unused
376 // stores to vector components. They are unused because they are never
377 // referenced, or because there is another insert to the same component between
378 // the insert and the reference. After removing the inserts, dead code
379 // elimination is attempted on the inserted values.
380 //
381 // This pass performs best after access chains are converted to inserts and
382 // extracts and local loads and stores are eliminated. While executing this
383 // pass can be advantageous on its own, it is also advantageous to execute
384 // this pass after CreateInsertExtractPass() as it will remove any unused
385 // inserts created by that pass.
386 Optimizer::PassToken CreateDeadInsertElimPass();
387
388 // Creates a pass to consolidate uniform references.
389 // For each entry point function in the module, first change all constant index
390 // access chain loads into equivalent composite extracts. Then consolidate
391 // identical uniform loads into one uniform load. Finally, consolidate
392 // identical uniform extracts into one uniform extract. This may require
393 // moving a load or extract to a point which dominates all uses.
394 //
395 // This pass requires a module to have structured control flow ie shader
396 // capability. It also requires logical addressing ie Addresses capability
397 // is not enabled. It also currently does not support any extensions.
398 //
399 // This pass currently only optimizes loads with a single index.
400 Optimizer::PassToken CreateCommonUniformElimPass();
401
402 // Create aggressive dead code elimination pass
403 // This pass eliminates unused code from the module. In addition,
404 // it detects and eliminates code which may have spurious uses but which do
405 // not contribute to the output of the function. The most common cause of
406 // such code sequences is summations in loops whose result is no longer used
407 // due to dead code elimination. This optimization has additional compile
408 // time cost over standard dead code elimination.
409 //
410 // This pass only processes entry point functions. It also only processes
411 // shaders with relaxed logical addressing (see opt/instruction.h). It
412 // currently will not process functions with function calls. Unreachable
413 // functions are deleted.
414 //
415 // This pass will be made more effective by first running passes that remove
416 // dead control flow and inlines function calls.
417 //
418 // This pass can be especially useful after running Local Access Chain
419 // Conversion, which tends to cause cycles of dead code to be left after
420 // Store/Load elimination passes are completed. These cycles cannot be
421 // eliminated with standard dead code elimination.
422 Optimizer::PassToken CreateAggressiveDCEPass();
423
424 // Creates a compact ids pass.
425 // The pass remaps result ids to a compact and gapless range starting from %1.
426 Optimizer::PassToken CreateCompactIdsPass();
427
428 // Creates a remove duplicate pass.
429 // This pass removes various duplicates:
430 // * duplicate capabilities;
431 // * duplicate extended instruction imports;
432 // * duplicate types;
433 // * duplicate decorations.
434 Optimizer::PassToken CreateRemoveDuplicatesPass();
435
436 // Creates a CFG cleanup pass.
437 // This pass removes cruft from the control flow graph of functions that are
438 // reachable from entry points and exported functions. It currently includes the
439 // following functionality:
440 //
441 // - Removal of unreachable basic blocks.
442 Optimizer::PassToken CreateCFGCleanupPass();
443
444 // Create dead variable elimination pass.
445 // This pass will delete module scope variables, along with their decorations,
446 // that are not referenced.
447 Optimizer::PassToken CreateDeadVariableEliminationPass();
448
449 // Create merge return pass.
450 // This pass replaces all returns with unconditional branches to a new block
451 // containing a return. If necessary, this new block will contain a PHI node to
452 // select the correct return value.
453 //
454 // This pass does not consider unreachable code, nor does it perform any other
455 // optimizations.
456 //
457 // This pass does not currently support structured control flow. It bails out if
458 // the shader capability is detected.
459 Optimizer::PassToken CreateMergeReturnPass();
460
461 // Create value numbering pass.
462 // This pass will look for instructions in the same basic block that compute the
463 // same value, and remove the redundant ones.
464 Optimizer::PassToken CreateLocalRedundancyEliminationPass();
465
466 // Create LICM pass.
467 // This pass will look for invariant instructions inside loops and hoist them to
468 // the loops preheader.
469 Optimizer::PassToken CreateLoopInvariantCodeMotionPass();
470
471 // Create global value numbering pass.
472 // This pass will look for instructions where the same value is computed on all
473 // paths leading to the instruction.  Those instructions are deleted.
474 Optimizer::PassToken CreateRedundancyEliminationPass();
475
476 // Create scalar replacement pass.
477 // This pass replaces composite function scope variables with variables for each
478 // element if those elements are accessed individually.
479 Optimizer::PassToken CreateScalarReplacementPass();
480
481 // Create a private to local pass.
482 // This pass looks for variables delcared in the private storage class that are
483 // used in only one function.  Those variables are moved to the function storage
484 // class in the function that they are used.
485 Optimizer::PassToken CreatePrivateToLocalPass();
486
487 // Creates a conditional constant propagation (CCP) pass.
488 // This pass implements the SSA-CCP algorithm in
489 //
490 //      Constant propagation with conditional branches,
491 //      Wegman and Zadeck, ACM TOPLAS 13(2):181-210.
492 //
493 // Constant values in expressions and conditional jumps are folded and
494 // simplified. This may reduce code size by removing never executed jump targets
495 // and computations with constant operands.
496 Optimizer::PassToken CreateCCPPass();
497
498 // Creates a workaround driver bugs pass.  This pass attempts to work around
499 // a known driver bug (issue #1209) by identifying the bad code sequences and
500 // rewriting them.
501 //
502 // Current workaround: Avoid OpUnreachable instructions in loops.
503 Optimizer::PassToken CreateWorkaround1209Pass();
504
505 // Creates a pass that converts if-then-else like assignments into OpSelect.
506 Optimizer::PassToken CreateIfConversionPass();
507
508 // Creates a pass that will replace instructions that are not valid for the
509 // current shader stage by constants.  Has no effect on non-shader modules.
510 Optimizer::PassToken CreateReplaceInvalidOpcodePass();
511
512 // Creates a pass that simplifies instructions using the instruction folder.
513 Optimizer::PassToken CreateSimplificationPass();
514
515 }  // namespace spvtools
516
517 #endif  // SPIRV_TOOLS_OPTIMIZER_HPP_