Add initial design document for EH WriteThru
authorRussell C Hadley <rhadley@microsoft.com>
Mon, 27 Mar 2017 17:14:25 +0000 (10:14 -0700)
committerRussell C Hadley <rhadley@microsoft.com>
Sat, 1 Apr 2017 15:50:38 +0000 (08:50 -0700)
Document describes an initial approch to enregistering local variables
that live across EH flow.  Today the JIT forces all local vars that are live
across EH flow that kills all registers to live on the stack.  The transformation outlined ensures consistency on the stack across the EH kills but allows the enregistration with in either the normal flow of control or with in any EH handlers.

Documentation/design-docs/eh-writethru.md [new file with mode: 0644]

diff --git a/Documentation/design-docs/eh-writethru.md b/Documentation/design-docs/eh-writethru.md
new file mode 100644 (file)
index 0000000..0afa5a7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,378 @@
+# Exception Handling Write Through Optimization.
+
+Write through is an optimization done on local variables that live across exception handling flow like a handler, filter, or finally so that they can be enregistered - treated as a register candidate - throughout a method.  For each variable live across one of these constructs, the minimum requirement is that a store to the variables location on the stack is placed between a reaching definition and any point of control flow leading to the handler, as well as a load between any return from a filter or finally and an upward exposed use.  Conceptually this maintains the value of the variable on the stack across the exceptional flow which would kill any live registers.  This transformation splits a local variable into multiple enregisterable compiler temporaries backed by the local variable on the stack. For local vars that additionally have appearances within a eh construct, a load from the stack local is inserted to a temp that will be enregistered within the handler.
+
+## Motivation
+
+Historically the JIT has not done this transformation because exception handling was rare and thus the transformation was not worth the compile time.  Additionally it was easy to make the recomendation to users to remove EH from performance critical methods since they had control of where the EH appeared.  Neither of these points remain true as we increase our focus on cloud workloads.  The use of non-blocking async calls are common in performance critical paths for these workloads and async injects exception handling constructs to implement the feature.  This in combination with the long standing use of EH in 'foreach' and 'using' statements means that we are seeing EH constructs that are difficult for the user to manage or remove high in the profile (Techempower on Kestrel is a good example).  Given these cloud workloads doing the transformation would be a clear benefit.
+
+## Design
+
+The goal of the design is to preserve the constraints listed above - i.e. preserve a correct value on the stack for any local var that crosses an EH edge in the flow graph. To ensure that the broad set of global optimizations can act on the IR shape produced by this transformation and that phase ordering issues do not block enregistration opportunities the write through phase will be staged just prior to SSA build after morph and it will do a full walk of the IR rewriting appearances to proxies as well as inserting reloads at the appropriate blocks in the flow graph as indicated by EH control flow semantics. To preserve the needed values on the stack a store will also be inserted after every definition to copy the new value in the proxy back to the stack location.  This will leave non optimal number of stores (too many) but with the strategy that the more expensive analysis to eliminate/better place stores will be staged as a global optimization in a higher compilation tier.
+
+### Throughput
+
+To identify EH crossing local vars global liveness is necessary.  This comes at the significant cost of the liveness analysis.  To mitigate this the write through phase is staged immediately before SSA build for the global optimizer.  Since the typical case is that there is no EH, the liveness analysis in write through can be reused directly by SSA build.  For the case where EH local vars are present liveness today must be rebuilt for SSA since new local vars have been added, but incremental update to the RyuJIT liveness analysis can be implemented (worklist based live analysis) to improve the throughput.  Additionally the write through transformation does a full IR walk - also expensive - to replace EH local var appearances with proxies and insert transfers to and from the stack for EH flow, given this initial implementations may need to be staged as part of AOT (crossgen) compiles until tiering can move the more expensive analysis out of the startup path.
+
+### Algorithm
+On the IR directly before SSA build:
+- Run global liveness to identify local vars that cross EH boundaries (as a byproduct of this these local vars are marked "do not enregister")
+- Foreach EH local var create a new local var "proxy" that can be enregisterd.
+- Iterate each block in the flow graph doing the following:
+  * Foreach tree in block do a post order traversal and
+    - Replace all appearances of EH local vars with the defined proxy
+    - Insert a copy of proxy definition back to the EH local var (on the stack)
+  * If EH handler entry block insert reloads from EH local var to proxy at block head
+  * If finally or filter exit, insert reloads from EH local var to proxy at successor block heads
+- For method entry block, insert reloads from parameter EH local vars to proxies
+
+At end no proxy should be live across EH flow and all value updates will be written back to the stack location.
+
+## Next steps
+
+The initial prototype that produced the example bellow is currently being improved to make it production ready.  At the same time a more extensive suite of example tests are being developed. 
+
+- [X] Proof of concept prototype.
+- [ ] Production implementation of WriteThru phase.
+- [ ] Suite of optimization examples/regression tests.
+- [ ] Testing
+   * [ ] Full CI test pass.
+   * [ ] JIT benchmark diffs.
+   * [ ] Kestrel techempower numbers.
+
+## Example
+
+The following is a simple example that shows enregistration for a local var live, and modified, through a catch.
+
+#### Source code snippet
+
+```
+class Enreg01
+{
+    int val;
+    double dist;
+
+    public Enreg01(int x) {
+        val = x;
+        dist = (double)x;
+    }
+
+    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
+    public int foo(ref double d) { return (int)d; }
+
+    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
+    public int Run()
+    {
+        int sum = val;
+
+        try {
+            TryValue(97);
+        }
+        catch (ValueException e)
+        {
+            Console.WriteLine("Catching {0}", Convert.ToString(e.x));
+            sum += val + e.x;
+            foo(ref dist);
+            sum += val;
+        }
+
+        return sum;
+    }
+
+    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
+    public int TryValue(int y) 
+    {
+        if (y == 97) 
+        {
+            Console.WriteLine("Throwing 97");
+            throw new ValueException(97);
+        }
+        else
+        {
+            return y;
+        }
+    }
+}
+```
+#### Post WriteThru GenTree nodes for Run() method
+
+The Run() contains the catch and is the only method the EH WriteThru modifies.
+
+```
+Creating enregisterable proxies:
+lvaGrabTemp returning 8 (V08 tmp5) (a long lifetime temp) called for  Add proxy for EH Write Thru..
+Creating proxy V08 for local var V00
+
+lvaGrabTemp returning 9 (V09 tmp6) (a long lifetime temp) called for  Add proxy for EH Write Thru..
+Creating proxy V09 for local var V01
+
+Trees after EH Write Thru
+
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+BBnum         descAddr ref try hnd preds           weight   [IL range]      [jump]      [EH region]         [flags]
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+BB01 [00000263A1C161B8]  1                              1   [000..007)                                     i label target 
+BB02 [00000263A1C162D0]  1  0    BB01                   1   [007..012)                 T0      try { }     keep i try label gcsafe 
+BB03 [00000263A1C16500]  2       BB02,BB04              1   [050..052)        (return)                     i label target gcsafe 
+++++ funclets follow
+BB04 [00000263A1C163E8]  0     0                        0   [012..050)-> BB03 ( cret )    H0 F catch { }   keep i rare label target gcsafe flet 
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
+
+------------ BB01 [000..007), preds={} succs={BB02}
+
+***** BB01, stmt 1
+     (  3,  3) [000123] ------------             *  stmtExpr  void  (IL   ???...  ???)
+N001 (  3,  2) [000120] ------------             |  /--*  lclVar    ref    V00 this         
+N003 (  3,  3) [000122] -A------R---             \--*  =         ref   
+N002 (  1,  1) [000121] D------N----                \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+
+***** BB01, stmt 2
+     ( 17, 13) [000005] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x000...0x006)
+N007 (  3,  2) [000097] ------------             |     /--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+N009 (  7,  5) [000098] -A------R---             |  /--*  =         int   
+N008 (  3,  2) [000096] D------N----             |  |  \--*  lclVar    int    V01 loc0         
+N010 ( 17, 13) [000099] -A-XG-------             \--*  comma     void  
+N004 (  6,  5) [000002] ---XG-------                |  /--*  indir     int   
+N002 (  1,  1) [000059] ------------                |  |  |  /--*  const     long   16 field offset Fseq[val]
+N003 (  4,  3) [000060] -------N----                |  |  \--*  +         byref 
+N001 (  3,  2) [000001] ------------                |  |     \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+N006 ( 10,  8) [000004] -A-XG---R---                \--*  =         int   
+N005 (  3,  2) [000003] D------N----                   \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+
+------------ BB02 [007..012), preds={BB01} succs={BB03}
+
+***** BB02, stmt 3
+     ( 16, 10) [000013] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x007...0x00F)
+N008 ( 16, 10) [000011] --C-G-------             \--*  call      int    Enreg01.TryIncrement
+N004 (  1,  1) [000009] ------------ this in rcx    +--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+N005 (  1,  1) [000010] ------------ arg1 in rdx    \--*  const     int    97
+
+------------ BB03 [050..052) (return), preds={BB02,BB04} succs={}
+
+***** BB03, stmt 4
+     (  3,  3) [000119] ------------             *  stmtExpr  void  (IL   ???...  ???)
+N001 (  3,  2) [000116] ------------             |  /--*  lclVar    int    V01 loc0         
+N003 (  3,  3) [000118] -A------R---             \--*  =         int   
+N002 (  1,  1) [000117] D------N----                \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+
+***** BB03, stmt 5
+     (  4,  3) [000017] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x050...0x051)
+N002 (  4,  3) [000016] ------------             \--*  return    int   
+N001 (  3,  2) [000015] ------------                \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+
+------------ BB04 [012..050) -> BB03 (cret), preds={} succs={BB03}
+
+***** BB04, stmt 6
+     (  5,  4) [000021] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x012...0x012)
+N001 (  1,  1) [000007] -----O------             |  /--*  catchArg  ref   
+N003 (  5,  4) [000020] -A---O--R---             \--*  =         ref   
+N002 (  3,  2) [000019] D------N----                \--*  lclVar    ref    V03 tmp0         
+
+***** BB04, stmt 7
+     (  3,  3) [000111] ------------             *  stmtExpr  void  (IL   ???...  ???)
+N001 (  3,  2) [000108] ------------             |  /--*  lclVar    ref    V00 this         
+N003 (  3,  3) [000110] -A------R---             \--*  =         ref   
+N002 (  1,  1) [000109] D------N----                \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+
+***** BB04, stmt 8
+     (  3,  3) [000115] ------------             *  stmtExpr  void  (IL   ???...  ???)
+N001 (  3,  2) [000112] ------------             |  /--*  lclVar    int    V01 loc0         
+N003 (  3,  3) [000114] -A------R---             \--*  =         int   
+N002 (  1,  1) [000113] D------N----                \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+
+***** BB04, stmt 9
+     ( 59, 43) [000034] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x013...0x037)
+N021 ( 59, 43) [000031] --CXG-------             \--*  call      void   System.Console.WriteLine
+N002 (  5, 12) [000066] ----G-------                |  /--*  indir     ref   
+N001 (  3, 10) [000065] ------------                |  |  \--*  const(h)  long   0xB3963070 "Catching {0}"
+N004 (  9, 15) [000076] -A--G---R-L- arg0 SETUP     +--*  =         ref   
+N003 (  3,  2) [000075] D------N----                |  \--*  lclVar    ref    V05 tmp2         
+N012 ( 20, 14) [000029] --CXG-------                |  /--*  call      ref    System.Convert.ToString
+N010 (  6,  8) [000028] ---XG------- arg0 in rcx    |  |  \--*  indir     int   
+N008 (  1,  4) [000067] ------------                |  |     |  /--*  const     long   140 field offset Fseq[x]
+N009 (  4,  6) [000068] -------N----                |  |     \--*  +         byref 
+N007 (  3,  2) [000027] ------------                |  |        \--*  lclVar    ref    V03 tmp0         
+N014 ( 24, 17) [000072] -ACXG---R-L- arg1 SETUP     +--*  =         ref   
+N013 (  3,  2) [000071] D------N----                |  \--*  lclVar    ref    V04 tmp1         
+N017 (  3,  2) [000073] ------------ arg1 in rdx    +--*  lclVar    ref    V04 tmp1          (last use)
+N018 (  3,  2) [000077] ------------ arg0 in rcx    \--*  lclVar    ref    V05 tmp2          (last use)
+
+***** BB04, stmt 10
+     ( 18, 19) [000044] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x028...  ???)
+N014 (  1,  1) [000101] ------------             |     /--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+N016 (  5,  4) [000102] -A------R---             |  /--*  =         int   
+N015 (  3,  2) [000100] D------N----             |  |  \--*  lclVar    int    V01 loc0         
+N017 ( 18, 19) [000103] -A-XG-------             \--*  comma     void  
+N010 (  6,  8) [000039] ---XG-------                |     /--*  indir     int   
+N008 (  1,  4) [000081] ------------                |     |  |  /--*  const     long   140 field offset Fseq[x]
+N009 (  4,  6) [000082] -------N----                |     |  \--*  +         byref 
+N007 (  3,  2) [000038] ------------                |     |     \--*  lclVar    ref    V03 tmp0          (last use)
+N011 ( 13, 15) [000041] ---XG-------                |  /--*  +         int   
+N005 (  4,  4) [000037] ---XG-------                |  |  |  /--*  indir     int   
+N003 (  1,  1) [000079] ------------                |  |  |  |  |  /--*  const     long   16 field offset Fseq[val]
+N004 (  2,  2) [000080] -------N----                |  |  |  |  \--*  +         byref 
+N002 (  1,  1) [000036] ------------                |  |  |  |     \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+N006 (  6,  6) [000040] ---XG-------                |  |  \--*  +         int   
+N001 (  1,  1) [000035] ------------                |  |     \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+N013 ( 13, 15) [000043] -A-XG---R---                \--*  =         int   
+N012 (  1,  1) [000042] D------N----                   \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+
+***** BB04, stmt 11
+     ( 20, 14) [000051] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x038...0x044)
+N013 ( 20, 14) [000049] --CXGO------             \--*  call      int    Enreg01.foo
+N007 (  1,  1) [000086] ------------                |     /--*  const     long   8 field offset Fseq[dist]
+N008 (  3,  3) [000087] ------------                |  /--*  +         byref 
+N006 (  1,  1) [000085] ------------                |  |  \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+N009 (  5,  5) [000088] ---XGO-N---- arg1 in rdx    +--*  comma     byref 
+N005 (  2,  2) [000084] ---X-O-N----                |  \--*  nullcheck byte  
+N004 (  1,  1) [000083] ------------                |     \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+N010 (  1,  1) [000045] ------------ this in rcx    \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+
+***** BB04, stmt 12
+     ( 11, 10) [000058] ------------             *  stmtExpr  void  (IL 0x045...0x04D)
+N009 (  1,  1) [000105] ------------             |     /--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+N011 (  5,  4) [000106] -A------R---             |  /--*  =         int   
+N010 (  3,  2) [000104] D------N----             |  |  \--*  lclVar    int    V01 loc0         
+N012 ( 11, 10) [000107] -A-XG-------             \--*  comma     void  
+N005 (  4,  4) [000054] ---XG-------                |     /--*  indir     int   
+N003 (  1,  1) [000094] ------------                |     |  |  /--*  const     long   16 field offset Fseq[val]
+N004 (  2,  2) [000095] -------N----                |     |  \--*  +         byref 
+N002 (  1,  1) [000053] ------------                |     |     \--*  lclVar    ref    V08 tmp5         
+N006 (  6,  6) [000055] ---XG-------                |  /--*  +         int   
+N001 (  1,  1) [000052] ------------                |  |  \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+N008 (  6,  6) [000057] -A-XG---R---                \--*  =         int   
+N007 (  1,  1) [000056] D------N----                   \--*  lclVar    int    V09 tmp6         
+
+```
+
+#### Post register allocation and code generation code
+
+```diff
+--- base.asmdmp        2017-03-28 20:40:36.000000000 -0700
++++ wt.asmdmp  2017-03-28 20:41:11.000000000 -0700
+@@ -1,78 +1,85 @@
+ *************** After end code gen, before unwindEmit()
+-G_M16307_IG01:        ; func=00, offs=000000H, size=0014H, gcVars=0000000000000000 {}, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref, nogc <-- Prolog IG
++G_M16307_IG01:        ; func=00, offs=000000H, size=0017H, gcVars=0000000000000000 {}, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref, nogc <-- Prolog IG
+ push     rbp
++push     r14
+ push     rdi
+ push     rsi
++push     rbx
+ sub      rsp, 48
+-lea      rbp, [rsp+40H]
+-mov      qword ptr [V07 rbp-20H], rsp
++lea      rbp, [rsp+50H]
++mov      qword ptr [V07 rbp-30H], rsp
+ mov      gword ptr [V00 rbp+10H], rcx
+-G_M16307_IG02:        ; offs=000014H, size=000AH, gcVars=0000000000000001 {V00}, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref
++G_M16307_IG02:        ; offs=000017H, size=000AH, gcVars=0000000000000001 {V00}, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref
+-mov      rcx, gword ptr [V00 rbp+10H]
+-mov      ecx, dword ptr [rcx+16]
+-mov      dword ptr [V01 rbp-14H], ecx
++mov      rsi, gword ptr [V00 rbp+10H]
++mov      edi, dword ptr [rsi+16]
++mov      dword ptr [V01 rbp-24H], edi
+-G_M16307_IG03:        ; offs=00001EH, size=000FH, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, byref
++G_M16307_IG03:        ; offs=000021H, size=000EH, gcrefRegs=00000040 {rsi}, byrefRegs=00000000 {}, byref
+-mov      rcx, gword ptr [V00 rbp+10H]
++mov      rcx, rsi     ; Elided reload in try region
+ mov      edx, 97
+ call     Enreg01:TryIncrement(int):int:this
+ nop      
+-G_M16307_IG04:        ; offs=00002DH, size=0003H, gcVars=0000000000000000 {}, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref
++G_M16307_IG04:        ; offs=00002FH, size=0005H, gcVars=0000000000000000 {}, gcrefRegs=00000000 {}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref
+-mov      eax, dword ptr [V01 rbp-14H]
++mov      edi, dword ptr [V01 rbp-24H]
++mov      eax, edi
+-G_M16307_IG05:        ; offs=000030H, size=0008H, epilog, nogc, emitadd
++G_M16307_IG05:        ; offs=000034H, size=000BH, epilog, nogc, emitadd
+-lea      rsp, [rbp-10H]
++lea      rsp, [rbp-20H]
++pop      rbx
+ pop      rsi
+ pop      rdi
++pop      r14
+ pop      rbp
+ ret      
+-G_M16307_IG06:        ; func=01, offs=000038H, size=0014H, gcrefRegs=00000004 {rdx}, byrefRegs=00000000 {}, byref, funclet prolog, nogc
++G_M16307_IG06:        ; func=01, offs=00003FH, size=0017H, gcrefRegs=00000004 {rdx}, byrefRegs=00000000 {}, byref, funclet prolog, nogc
+ push     rbp
++push     r14 
+ push     rdi
+ push     rsi
++push     rbx 
+ sub      rsp, 48
+ mov      rbp, qword ptr [rcx+32]
+ mov      qword ptr [rsp+20H], rbp
+-lea      rbp, [rbp+40H]
++lea      rbp, [rbp+50H]
+-G_M16307_IG07:        ; offs=00004CH, size=005EH, gcVars=0000000000000001 {V00}, gcrefRegs=00000004 {rdx}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref, isz
++G_M16307_IG07:        ; offs=000056H, size=0054H, gcVars=0000000000000001 {V00}, gcrefRegs=00000004 {rdx}, byrefRegs=00000000 {}, gcvars, byref, isz
+ mov      rsi, rdx
+-mov      rcx, 0x18A3C473070
+-mov      rdi, gword ptr [rcx]
++mov      rcx, gword ptr [V00 rbp+10H]        ; Reload of proxy register
++mov      rdi, rcx                            ; Missed peep
++mov      ecx, dword ptr [V01 rbp-24H]        ; Reload of proxy register
++mov      ebx, ecx                            ; Missed peep
++mov      rcx, 0x263B3963070
++mov      r14, gword ptr [rcx]                ; Missed addressing mode
+ mov      ecx, dword ptr [rsi+140]
+ call     System.Convert:ToString(int):ref
+ mov      rdx, rax
+-mov      rcx, rdi
++mov      rcx, r14
+ call     System.Console:WriteLine(ref,ref)
+-mov      edx, dword ptr [V01 rbp-14H]        ; Elided stack access
+-mov      rcx, gword ptr [V00 rbp+10H]        ; Elided stack access
+-add      edx, dword ptr [rcx+16]
+-add      edx, dword ptr [rsi+140]
+-mov      dword ptr [V01 rbp-14H], edx        ; Elided stack access
+-mov      rdx, gword ptr [V00 rbp+10H]        ; Elided stack access
+-add      rdx, 8
+-mov      rcx, gword ptr [V00 rbp+10H]        ; Elided stack access
++add      ebx, dword ptr [rdi+16]
++add      ebx, dword ptr [rsi+140]
++lea      rdx, bword ptr [rdi+8]
++mov      rcx, rdi
+ call     Enreg01:foo(byref):int:this
+-mov      eax, dword ptr [V01 rbp-14H]        ; Elided stack access
+-mov      rdx, gword ptr [V00 rbp+10H]        ; Elided stack access
+-add      eax, dword ptr [rdx+16]
+-mov      dword ptr [V01 rbp-14H], eax        ; Elided stack access
++add      ebx, dword ptr [rdi+16]
++mov      dword ptr [V01 rbp-24H], ebx        ; Store of proxy register
+ lea      rax, G_M16307_IG04
+-G_M16307_IG08:        ; offs=0000AAH, size=0008H, funclet epilog, nogc, emitadd
++G_M16307_IG08:        ; offs=0000AAH, size=000BH, funclet epilog, nogc, emitadd
+ add      rsp, 48
++pop      rbx
+ pop      rsi
+ pop      rdi
++pop      r14
+ pop      rbp
+ ret 
+
+```
+
+Summary of diff:
+replaced 6 loads and 2 stores with 2 loads, 1 store, 2 push, 2 pop.
+
+