Quelle  BacktrackingAllocator.cpp   Sprache: C

/* -*- Mode: C++; tab-width: 8; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 2 -*-
 * vim: set ts=8 sts=2 et sw=2 tw=80:
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//                                                                           //
// Documentation.  Code starts about 670 lines down from here.               //
//                                                                           //
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// [SMDOC] An overview of Ion's register allocator
//
// The intent of this documentation is to give maintainers a map with which to
// navigate the allocator.  As further understanding is obtained, it should be
// added to this overview.
//
// Where possible, invariants are stated and are marked "(INVAR)".  Many
// details are omitted because their workings are currently unknown.  In
// particular, this overview doesn't explain how Intel-style "modify" (tied)
// operands are handled.  Facts or invariants that are speculative -- believed
// to be true, but not verified at the time of writing -- are marked "(SPEC)".
//
// The various concepts are interdependent, so a single forwards reading of the
// following won't make much sense.  Many concepts are explained only after
// they are mentioned.
//
// Where possible examples are shown.  Without those the description is
// excessively abstract.
//
// Names of the form ::name mean BacktrackingAllocator::name.
//
// The description falls into two sections:
//
// * Section 1: A tour of the data structures
// * Section 2: The core allocation loop, and bundle splitting
//
// The allocator sometimes produces poor allocations, with excessive spilling
// and register-to-register moves (bugs 1752520, bug 1714280 bug 1746596).
// Work in bug 1752582 shows we can get better quality allocations from this
// framework without having to make any large (conceptual) changes, by having
// better splitting heuristics.
//
// At https://bugzilla.mozilla.org/show_bug.cgi?id=1758274#c17
// (https://bugzilla.mozilla.org/attachment.cgi?id=9288467) is a document
// written at the same time as these comments.  It describes some improvements
// we could make to our splitting heuristics, particularly in the presence of
// loops and calls, and shows why the current implementation sometimes produces
// excessive spilling.  It builds on the commentary in this SMDOC.
//
//
// Top level pipeline
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
// There are three major phases in allocation.  They run sequentially, at a
// per-function granularity.
//
// (1) Liveness analysis and bundle formation
// (2) Bundle allocation and last-chance allocation
// (3) Rewriting the function to create MoveGroups and to "install"
//     the allocation
//
// The input language (LIR) is in SSA form, and phases (1) and (3) depend on
// that SSAness.  Without it the allocator wouldn't work.
//
// The top level function is ::go.  The phases are divided into functions as
// follows:
//
// (1) ::buildLivenessInfo, ::mergeAndQueueRegisters
// (2) ::processBundle, ::tryAllocatingRegistersForSpillBundles,
//     ::pickStackSlots
// (3) ::createMoveGroupsFromLiveRangeTransitions, ::installAllocationsInLIR,
//     ::populateSafepoints, ::annotateMoveGroups
//
// The code in this file is structured as much as possible in the same sequence
// as flow through the pipeline.  Hence, top level function ::go is right at
// the end.  Where a function depends on helper function(s), the helpers appear
// first.
//
//
// ========================================================================
// ====                                                                ====
// ==== Section 1: A tour of the data structures                       ====
// ====                                                                ====
// ========================================================================
//
// Here are the key data structures necessary for understanding what follows.
//
// Some basic data structures
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
//
// CodePosition
// ------------
// A CodePosition is an unsigned 32-bit int that indicates an instruction index
// in the incoming LIR.  Each LIR actually has two code positions, one to
// denote the "input" point (where, one might imagine, the operands are read,
// at least useAtStart ones) and the "output" point, where operands are
// written.  Eg:
//
//    Block 0 [successor 2] [successor 1]
//      2-3 WasmParameter [def v1<g>:r14]
//      4-5 WasmCall [use v1:F:r14]
//      6-7 WasmLoadTls [def v2<o>] [use v1:R]
//      8-9 WasmNullConstant [def v3<o>]
//      10-11 Compare [def v4<i>] [use v2:R] [use v3:A]
//      12-13 TestIAndBranch [use v4:R]
//
// So for example the WasmLoadTls insn has its input CodePosition as 6 and
// output point as 7.  Input points are even numbered, output points are odd
// numbered.  CodePositions 0 and 1 never appear, because LIR instruction IDs
// start at 1.  Indeed, CodePosition 0 is assumed to be invalid and hence is
// used as a marker for "unusual conditions" in various places.
//
// Phi nodes exist in the instruction stream too.  They always appear at the
// start of blocks (of course) (SPEC), but their start and end points are
// printed for the group as a whole.  This is to emphasise that they are really
// parallel assignments and that printing them sequentially would misleadingly
// imply that they are executed sequentially.  Example:
//
//    Block 6 [successor 7] [successor 8]
//      56-59 Phi [def v19<o>] [use v2:A] [use v5:A] [use v13:A]
//      56-59 Phi [def v20<o>] [use v7:A] [use v14:A] [use v12:A]
//      60-61 WasmLoadSlot [def v21<o>] [use v1:R]
//      62-63 Compare [def v22<i>] [use v20:R] [use v21:A]
//      64-65 TestIAndBranch [use v22:R]
//
// See that both Phis are printed with limits 56-59, even though they are
// stored in the LIR array like regular LIRs and so have code points 56-57 and
// 58-59 in reality.
//
// The process of allocation adds MoveGroup LIRs to the function.  Each
// incoming LIR has its own private list of MoveGroups (actually, 3 lists; two
// for moves that conceptually take place before the instruction, and one for
// moves after it).  Hence the CodePositions for LIRs (the "62-63", etc, above)
// do not change as a result of allocation.
//
// Virtual registers (vregs) in LIR
// --------------------------------
// The MIR from which the LIR is derived, is standard SSA.  That SSAness is
// carried through into the LIR (SPEC).  In the examples here, LIR SSA names
// (virtual registers, a.k.a. vregs) are printed as "v<number>".  v0 never
// appears and is presumed to be a special value, perhaps "invalid" (SPEC).
//
// The allocator core has a type VirtualRegister, but this is private to the
// allocator and not part of the LIR.  It carries far more information than
// merely the name of the vreg.  The allocator creates one VirtualRegister
// structure for each vreg in the LIR.
//
// LDefinition and LUse
// --------------------
// These are part of the incoming LIR.  Each LIR instruction defines zero or
// more values, and contains one LDefinition for each defined value (SPEC).
// Each instruction has zero or more input operands, each of which has its own
// LUse (SPEC).
//
// Both LDefinition and LUse hold both a virtual register name and, in general,
// a real (physical) register identity.  The incoming LIR has the real register
// fields unset, except in places where the incoming LIR has fixed register
// constraints (SPEC).  Phase 3 of allocation will visit all of the
// LDefinitions and LUses so as to write into the real register fields the
// decisions made by the allocator.  For LUses, this is done by overwriting the
// complete LUse with a different LAllocation, for example LStackSlot.  That's
// possible because LUse is a child class of LAllocation.
//
// This action of reading and then later updating LDefinition/LUses is the core
// of the allocator's interface to the outside world.
//
// To make visiting of LDefinitions/LUses possible, the allocator doesn't work
// with LDefinition and LUse directly.  Rather it has pointers to them
// (VirtualRegister::def_, UsePosition::use_).  Hence Phase 3 can modify the
// LIR in-place.
//
// (INVARs, all SPEC):
//
// - The collective VirtualRegister::def_ values should be unique, and there
//   should be a 1:1 mapping between the VirtualRegister::def_ values and the
//   LDefinitions in the LIR.  (So that the LIR LDefinition has exactly one
//   VirtualRegister::def_ to track it).  But only for the valid LDefinitions.
//   If isBogusTemp() is true, the definition is invalid and doesn't have a
//   vreg.
//
// - The same for uses: there must be a 1:1 correspondence between the
//   CodePosition::use_ values and the LIR LUses.
//
// - The allocation process must preserve these 1:1 mappings.  That implies
//   (weaker) that the number of VirtualRegisters and of UsePositions must
//   remain constant through allocation.  (Eg: losing them would mean that some
//   LIR def or use would necessarily not get annotated with its final
//   allocation decision.  Duplicating them would lead to the possibility of
//   conflicting allocation decisions.)
//
// Other comments regarding LIR
// ----------------------------
// The incoming LIR is structured into basic blocks and a CFG, as one would
// expect.  These (insns, block boundaries, block edges etc) are available
// through the BacktrackingAllocator object.  They are important for Phases 1
// and 3 but not for Phase 2.
//
// Phase 3 "rewrites" the input LIR so as to "install" the final allocation.
// It has to insert MoveGroup instructions, but that isn't done by pushing them
// into the instruction array.  Rather, each LIR has 3 auxiliary sets of
// MoveGroups (SPEC): two that "happen" conceptually before the LIR, and one
// that happens after it.  The rewriter inserts MoveGroups into one of these 3
// sets, and later code generation phases presumably insert the sets (suitably
// translated) into the final machine code (SPEC).
//
//
// Key data structures: LiveRange, VirtualRegister and LiveBundle
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
//
// These three have central roles in allocation.  Of them, LiveRange is the
// most central.  VirtualRegister is conceptually important throughout, but
// appears less frequently in the allocator code.  LiveBundle is important only
// in Phase 2 (where it is central) and at the end of Phase 1, but plays no
// role in Phase 3.
//
// It's important to understand that LiveRange and VirtualRegister correspond
// to concepts visible in the incoming LIR, which is in SSA form.  LiveBundle
// by comparison is related to neither the structure of LIR nor its SSA
// properties.  Instead, LiveBundle is an essentially adminstrative structure
// used to accelerate allocation and to implement a crude form of
// move-coalescing.
//
// VirtualRegisters and LiveRanges are (almost) static throughout the process,
// because they reflect aspects of the incoming LIR, which does not change.
// LiveBundles by contrast come and go; they are created, but may be split up
// into new bundles, and old ones abandoned.
//
// Each LiveRange is a member of two different lists.
//
// A VirtualRegister (described in detail below) has a vector of LiveRanges that
// it "owns".
//
// A LiveBundle (also described below) has a linked list of LiveRanges that it
// "owns".
//
// Hence each LiveRange is "owned" by one VirtualRegister and one LiveBundle.
// LiveRanges may have their owning LiveBundle changed as a result of
// splitting.  By contrast a LiveRange stays with its "owning" VirtualRegister
// for ever.
//
// A few LiveRanges have no VirtualRegister.  This is used to implement
// register spilling for calls.  Each physical register that's not preserved
// across a call has a small range that covers the call.  It is
// ::buildLivenessInfo that adds these small ranges.
//
// Iterating over every VirtualRegister in the system is a common operation and
// is straightforward because (somewhat redundantly?) the LIRGraph knows the
// number of vregs, and more importantly because BacktrackingAllocator::vregs
// is a vector of all VirtualRegisters.  By contrast iterating over every
// LiveBundle in the system is more complex because there is no top-level
// registry of them.  It is still possible though.  See ::dumpLiveRangesByVReg
// and ::dumpLiveRangesByBundle for example code.
//
// LiveRange
// ---------
// Fundamentally, a LiveRange (often written just "range") is a request for
// storage of a LIR vreg for some contiguous sequence of LIRs.  A LiveRange
// generally covers only a fraction of a vreg's overall lifetime, so multiple
// LiveRanges are generally needed to cover the whole lifetime.
//
// A LiveRange contains (amongst other things):
//
// * the vreg for which it is for, as a VirtualRegister*
//
// * the range of CodePositions for which it is for, as a LiveRange::Range
//
// * auxiliary information:
//
//   - a boolean that indicates whether this LiveRange defines a value for the
//     vreg.  If so, that definition is regarded as taking place at the first
//     CodePoint of the range.
//
//   - a linked list of uses of the vreg within this range.  Each use is a pair
//     of a CodePosition and an LUse*.  (INVAR): the uses are maintained in
//     increasing order of CodePosition.  Multiple uses at the same
//     CodePosition are permitted, since that is necessary to represent an LIR
//     that uses the same vreg in more than one of its operand slots.
//
// Some important facts about LiveRanges are best illustrated with examples:
//
//   v25 75-82 { 75_def:R 78_v25:A 82_v25:A }
//
// This LiveRange is for vreg v25.  The value is defined at CodePosition 75,
// with the LIR requiring that it be in a register.  It is used twice at
// positions 78 and 82, both with no constraints (A meaning "any").  The range
// runs from position 75 to 82 inclusive.  Note however that LiveRange::Range
// uses non-inclusive range ends; hence its .to field would be 83, not 82.
//
//   v26 84-85 { 85_v26:R }
//
// This LiveRange is for vreg v26.  Here, there's only a single use of it at
// position 85.  Presumably it is defined in some other LiveRange.
//
//   v19 74-79 { }
//
// This LiveRange is for vreg v19.  There is no def and no uses, so at first
// glance this seems redundant.  But it isn't: it still expresses a request for
// storage for v19 across 74-79, because Phase 1 regards v19 as being live in
// this range (meaning: having a value that, if changed in this range, would
// cause the program to fail).
//
// Other points:
//
// * (INVAR) Each vreg/VirtualRegister has at least one LiveRange.
//
// * (INVAR) Exactly one LiveRange of a vreg gives a definition for the value.
//   All other LiveRanges must consist only of uses (including zero uses, for a
//   "flow-though" range as mentioned above).  This requirement follows from
//   the fact that LIR is in SSA form.
//
// * It follows from this, that the LiveRanges for a VirtualRegister must form
//   a tree, where the parent-child relationship is "control flows directly
//   from a parent LiveRange (anywhere in the LiveRange) to a child LiveRange
//   (start)".  The entire tree carries only one value.  This is a use of
//   SSAness in the allocator which is fundamental: without SSA input, this
//   design would not work.
//
//   The root node (LiveRange) in the tree must be one that defines the value,
//   and all other nodes must only use or be flow-throughs for the value.  It's
//   OK for LiveRanges in the tree to overlap, providing that there is a unique
//   root node -- otherwise it would be unclear which LiveRange provides the
//   value.
//
//   The function ::createMoveGroupsFromLiveRangeTransitions runs after all
//   LiveBundles have been allocated.  It visits each VirtualRegister tree in
//   turn.  For every parent->child edge in a tree, it creates a MoveGroup that
//   copies the value from the parent into the child -- this is how the
//   allocator decides where to put MoveGroups.  There are various other
//   details not described here.
//
// * It's important to understand that a LiveRange carries no meaning about
//   control flow beyond that implied by the SSA (hence, dominance)
//   relationship between a def and its uses.  In particular, there's no
//   implication that execution "flowing into" the start of the range implies
//   that it will "flow out" of the end.  Or that any particular use will or
//   will not be executed.
//
// * (very SPEC) Indeed, even if a range has a def, there's no implication that
//   a use later in the range will have been immediately preceded by execution
//   of the def.  It could be that the def is executed, flow jumps somewhere
//   else, and later jumps back into the middle of the range, where there are
//   then some uses.
//
// * Uses of a vreg by a phi node are not mentioned in the use list of a
//   LiveRange.  The reasons for this are unknown, but it is speculated that
//   this is because we don't need to know about phi uses where we use the list
//   of positions.  See comments on VirtualRegister::usedByPhi_.
//
// * Similarly, a definition of a vreg by a phi node is not regarded as being a
//   definition point (why not?), at least as the view of
//   LiveRange::hasDefinition_.
//
// * LiveRanges that nevertheless include a phi-defined value have their first
//   point set to the first of the block of phis, even if the var isn't defined
//   by that specific phi.  Eg:
//
//    Block 6 [successor 7] [successor 8]
//      56-59 Phi [def v19<o>] [use v2:A] [use v5:A] [use v13:A]
//      56-59 Phi [def v20<o>] [use v7:A] [use v14:A] [use v12:A]
//      60-61 WasmLoadSlot [def v21<o>] [use v1:R]
//      62-63 Compare [def v22<i>] [use v20:R] [use v21:A]
//
//   The relevant live range for v20 is
//
//    v20 56-65 { 63_v20:R }
//
//   Observe that it starts at 56, not 58.
//
// VirtualRegister
// ---------------
// Each VirtualRegister is associated with an SSA value created by the LIR.
// Fundamentally it is a container to hold all of the LiveRanges that together
// indicate where the value must be kept live.  The live ranges are stored in a
// vector, VirtualRegister::ranges_.  The set of LiveRanges must logically form
// a tree, rooted at the LiveRange which defines the value.
//
// The live ranges are sorted in order of decreasing start point by construction
// after buildLivenessInfo until the main register allocation loops.  At that
// point they can become unsorted and this is important for performance because
// it allows the core allocation code to add/remove ranges more efficiently.
// After all bundles are allocated, sortVirtualRegisterRanges is called to
// ensure the ranges are sorted again.
//
// There are various auxiliary fields, most importantly the LIR node and the
// associated LDefinition that define the value.
//
// It is OK, and quite common, for LiveRanges of a VirtualRegister to overlap.
// The effect will be that, in an overlapped area, there are two storage
// locations holding the value.  This is OK -- although wasteful of storage
// resources -- because the SSAness means the value must be the same in both
// locations.  Hence there's no questions like "which LiveRange holds the most
// up-to-date value?", since it's all just one value anyway.
//
// Note by contrast, it is *not* OK for the LiveRanges of a LiveBundle to
// overlap.
//
// LiveBundle
// ----------
// Similar to VirtualRegister, a LiveBundle is also, fundamentally, a container
// for a set of LiveRanges.  The set is stored as a linked list, rooted at
// LiveBundle::ranges_.
//
// However, the similarity ends there:
//
// * The LiveRanges in a LiveBundle absolutely must not overlap.  They must
//   indicate disjoint sets of CodePositions, and must be stored in the list in
//   order of increasing CodePosition.  Because of the no-overlap requirement,
//   these ranges form a total ordering regardless of whether one uses the
//   LiveRange::Range::from_ or ::to_ fields for comparison.
//
// * The LiveRanges in a LiveBundle can otherwise be entirely arbitrary and
//   unrelated.  They can be from different VirtualRegisters and can have no
//   particular mutual significance w.r.t. the SSAness or structure of the
//   input LIR.
//
// LiveBundles are the fundamental unit of allocation.  The allocator attempts
// to find a single storage location that will work for all LiveRanges in the
// bundle.  That's why the ranges must not overlap.  If no such location can be
// found, the allocator may decide to split the bundle into multiple smaller
// bundles.  Each of those may be allocated independently.
//
// The other really important field is LiveBundle::alloc_, indicating the
// chosen storage location.
//
// Here's an example, for a LiveBundle before it has been allocated:
//
//   LB2(parent=none v3 8-21 { 16_v3:A } ## v3 24-25 { 25_v3:F:xmm0 })
//
// LB merely indicates "LiveBundle", and the 2 is the id_ value (see
// below).  This bundle has two LiveRanges
//
//   v3 8-21 { 16_v3:A }
//   v3 24-25 { 25_v3:F:xmm0 }
//
// both of which (coincidentally) are for the same VirtualRegister, v3.The
// second LiveRange has a fixed use in `xmm0`, whilst the first one doesn't
// care (A meaning "any location") so the allocator *could* choose `xmm0` for
// the bundle as a whole.
//
// One might ask: why bother with LiveBundle at all?  After all, it would be
// possible to get correct allocations by allocating each LiveRange
// individually, then leaving ::createMoveGroupsFromLiveRangeTransitions to add
// MoveGroups to join up LiveRanges that form each SSA value tree (that is,
// LiveRanges belonging to each VirtualRegister).
//
// There are two reasons:
//
// (1) By putting multiple LiveRanges into each LiveBundle, we can end up with
//     many fewer LiveBundles than LiveRanges.  Since the cost of allocating a
//     LiveBundle is substantially less than the cost of allocating each of its
//     LiveRanges individually, the allocator will run faster.
//
// (2) It provides a crude form of move-coalescing.  There are situations where
//     it would be beneficial, although not mandatory, to have two LiveRanges
//     assigned to the same storage unit.  Most importantly: (a) LiveRanges
//     that form all of the inputs, and the output, of a phi node.  (b)
//     LiveRanges for the output and first-operand values in the case where we
//     are targetting Intel-style instructions.
//
//     In such cases, if the bundle can be allocated as-is, then no extra moves
//     are necessary.  If not (and the bundle is split), then
//     ::createMoveGroupsFromLiveRangeTransitions will later fix things up by
//     inserting MoveGroups in the right places.
//
// Merging of LiveRanges into LiveBundles is done in Phase 1, by
// ::mergeAndQueueRegisters, after liveness analysis (which generates only
// LiveRanges).
//
// For the bundle mentioned above, viz
//
//   LB2(parent=none v3 8-21 { 16_v3:A } ## v3 24-25 { 25_v3:F:xmm0 })
//
// the allocator did not in the end choose to allocate it to `xmm0`.  Instead
// it was split into two bundles, LB6 (a "spill parent", or root node in the
// trees described above), and LB9, a leaf node, that points to its parent LB6:
//
//   LB6(parent=none v3 8-21 %xmm1.s { 16_v3:A } ## v3 24-25 %xmm1.s { })
//   LB9(parent=LB6 v3 24-25 %xmm0.s { 25_v3:F:rax })
//
// Note that both bundles now have an allocation, and that is printed,
// redundantly, for each LiveRange in the bundle -- hence the repeated
// `%xmm1.s` in the lines above.  Since all LiveRanges in a LiveBundle must be
// allocated to the same storage location, we never expect to see output like
// this
//
//   LB6(parent=none v3 8-21 %xmm1.s { 16_v3:A } ## v3 24-25 %xmm2.s { })
//
// and that is in any case impossible, since a LiveRange doesn't have an
// LAllocation field.  Instead it has a pointer to its LiveBundle, and the
// LAllocation lives in the LiveBundle.
//
// For the resulting allocation (LB6 and LB9), all the LiveRanges are use-only
// or flow-through.  There are no definitions.  But they are all for the same
// VirtualReg, v3, so they all have the same value.  An important question is
// where they "get their value from".  The answer is that
// ::createMoveGroupsFromLiveRangeTransitions will have to insert suitable
// MoveGroups so that each LiveRange for v3 can "acquire" the value from a
// previously-executed LiveRange, except for the range that defines it.  The
// defining LiveRange is not visible here; either it is in some other
// LiveBundle, not shown, or (more likely) the value is defined by a phi-node,
// in which case, as mentioned previously, it is not shown as having an
// explicit definition in any LiveRange.
//
// LiveBundles also have a `SpillSet* spill_` field (see below) and a
// `LiveBundle* spillParent_`.  The latter is used to ensure that all bundles
// originating from an "original" bundle share the same spill slot.  The
// `spillParent_` pointers can be thought of creating a 1-level tree, where
// each node points at its parent.  Since the tree can be only 1-level, the
// following invariant (INVAR) must be maintained:
//
// * if a LiveBundle has a non-null spillParent_ field, then it is a leaf node,
//   and no other LiveBundle can point at this one.
//
// * else (it has a null spillParent_ field) it is a root node, and so other
//   LiveBundles may point at it.
//
// LiveBundle has a 32-bit `id_` field. This is used for debug printing, and
// makes it easier to see parent-child relationships induced by the
// `spillParent_` pointers. It's also used for sorting live ranges in
// VirtualRegister::sortRanges.
//
// The "life cycle" of LiveBundles is described in Section 2 below.
//
//
// Secondary data structures: SpillSet, Requirement
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
//
// SpillSet
// --------
// A SpillSet is a container for a set of LiveBundles that have been spilled,
// all of which are assigned the same spill slot.  The set is represented as a
// vector of points to LiveBundles.  SpillSet also contains the identity of the
// spill slot (its LAllocation).
//
// A LiveBundle, if it is to be spilled, has a pointer to the relevant
// SpillSet, and the SpillSet in turn has a pointer back to the LiveBundle in
// its vector thereof.  So LiveBundles (that are to be spilled) and SpillSets
// point at each other.
//
// (SPEC) LiveBundles that are not to be spilled (or for which the decision has
// yet to be made, have their SpillSet pointers as null.  (/SPEC)
//
// Requirement
// -----------
// Requirements are used transiently during the main allocation loop.  It
// summarises the set of constraints on storage location (must be any register,
// must be this specific register, must be stack, etc) for a LiveBundle.  This
// is so that the main allocation loop knows what kind of storage location it
// must choose in order to satisfy all of the defs and uses within the bundle.
//
// What Requirement provides is (a) a partially ordered set of locations, and
// (b) a constraint-merging method `merge`.
//
// Requirement needs a rewrite (and, in fact, that has already happened in
// un-landed code in bug 1758274) for the following reasons:
//
// * it's potentially buggy (bug 1761654), although that doesn't currently
//   affect us, for reasons which are unclear.
//
// * the partially ordered set has a top point, meaning "no constraint", but it
//   doesn't have a corresponding bottom point, meaning "impossible
//   constraints".  (So it's a partially ordered set, but not a lattice).  This
//   leads to awkward coding in some places, which would be simplified if there
//   were an explicit way to indicate "impossible constraint".
//
//
// Some ASCII art
// ~~~~~~~~~~~~~~
//
// Here's some not-very-good ASCII art that tries to summarise the data
// structures that persist for the entire allocation of a function:
//
//     BacktrackingAllocator
//        |
//      (vregs)
//        |
//        v
//        |
//     VirtualRegister -->--(ins)--> LNode
//     |            |  `->--(def)--> LDefinition
//     v            ^
//     |            |
// (ranges vector)  |
//     |            |
//     |          (vreg)
//     `--v->--.    |
//              \   |
//               LiveRange -->--b-->-- LiveRange -->--b-->-- NULL
//              /    |
//     ,--b->--'    /
//     |         (bundle)
//     ^          /
//     |         v
//  (ranges)    /
//     |       /
//     LiveBundle --s-->- LiveBundle
//       |      \           /    |
//       |       \         /     |
//      (spill)   ^       ^     (spill)
//       |         \     /       |
//       v          \   /        ^
//       |          (list)       |
//       \            |          /
//        `--->---> SpillSet <--'
//
// --b-- LiveRange::next_: links in the list of LiveRanges that belong to
//       a LiveBundle
//
// --v-- VirtualRegister::ranges_: vector of LiveRanges that belong to a
//       VirtualRegister
//
// --s-- LiveBundle::spillParent: a possible link to my "spill parent bundle"
//
//
// * LiveRange is in the center.  Each LiveRange is a member of a linked list,
//   the --b-- list, and is also stored in VirtualRegister's `ranges` vector.
//
// * VirtualRegister has a `ranges` vector that contains its LiveRanges.
//
// * LiveBundle has a pointer `ranges` that points to the start of its --b--
//   list of LiveRanges.
//
// * LiveRange points back at both its owning VirtualRegister (`vreg`) and its
//   owning LiveBundle (`bundle`).
//
// * LiveBundle has a pointer --s-- `spillParent`, which may be null, to its
//   conceptual "spill parent bundle", as discussed in detail above.
//
// * LiveBundle has a pointer `spill` to its SpillSet.
//
// * SpillSet has a vector `list` of pointers back to the LiveBundles that
//   point at it.
//
// * VirtualRegister has pointers `ins` to the LNode that defines the value and
//   `def` to the LDefinition within that LNode.
//
// * BacktrackingAllocator has a vector `vregs` of pointers to all the
//   VirtualRegisters for the function.  There is no equivalent top-level table
//   of all the LiveBundles for the function.
//
// Note that none of these pointers are "owning" in the C++-storage-management
// sense.  Rather, everything is stored in single arena which is freed when
// compilation of the function is complete.  For this reason,
// BacktrackingAllocator.{h,cpp} is almost completely free of the usual C++
// storage-management artefacts one would normally expect to see.
//
//
// ========================================================================
// ====                                                                ====
// ==== Section 2: The core allocation loop, and bundle splitting      ====
// ====                                                                ====
// ========================================================================
//
// Phase 1 of the allocator (described at the start of this SMDOC) computes
// live ranges, merges them into bundles, and places the bundles in a priority
// queue ::allocationQueue, ordered by what ::computePriority computes.
//
//
// The allocation loops
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
// The core of the allocation machinery consists of two loops followed by a
// call to ::pickStackSlots.  The latter is uninteresting.  The two loops live
// in ::go and are documented in detail there.
//
//
// Bundle splitting
// ~~~~~~~~~~~~~~~~
// If the first of the two abovementioned loops cannot find a register for a
// bundle, either directly or as a result of evicting conflicting bundles, then
// it will have to either split or spill the bundle.  The entry point to the
// split/spill subsystem is ::chooseBundleSplit.  See comments there.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// End of documentation                                                      //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include "jit/BacktrackingAllocator.h"

#include "mozilla/BinarySearch.h"
#include "mozilla/Maybe.h"

#include <algorithm>

#include "jit/BitSet.h"
#include "jit/CompileInfo.h"
#include "js/Printf.h"

using namespace js;
using namespace js::jit;

using mozilla::DebugOnly;
using mozilla::Maybe;

// This is a big, complex file.  Code is grouped into various sections, each
// preceded by a box comment.  Sections not marked as "Misc helpers" are
// pretty much the top level flow, and are presented roughly in the same order
// in which the allocation pipeline operates.  BacktrackingAllocator::go,
// right at the end of the file, is a good starting point.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: linked-list management                                      //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static inline bool SortBefore(UsePosition* a, UsePosition* b) {
  return a->pos <= b->pos;
}

static inline bool SortBefore(LiveRange* a, LiveRange* b) {
  MOZ_ASSERT(!a->intersects(b));
  return a->from() < b->from();
}

template <typename T>
static void InsertSortedList(InlineForwardList<T>& list, T* value,
                             T* startAt = nullptr) {
  if (list.empty()) {
    MOZ_ASSERT(!startAt);
    list.pushFront(value);
    return;
  }

#ifdef DEBUG
  if (startAt) {
    // `startAt` must be an element in `list` that sorts before `value`.
    MOZ_ASSERT(SortBefore(startAt, value));
    MOZ_ASSERT_IF(*list.begin() == list.back(), list.back() == startAt);
    MOZ_ASSERT_IF(startAt != *list.begin(), SortBefore(*list.begin(), startAt));
    MOZ_ASSERT_IF(startAt != list.back(), SortBefore(startAt, list.back()));
  }
#endif

  if (SortBefore(list.back(), value)) {
    list.pushBack(value);
    return;
  }

  // If `startAt` is non-nullptr, we can start iterating there.
  T* prev = nullptr;
  InlineForwardListIterator<T> iter =
      startAt ? list.begin(startAt) : list.begin();
  if (startAt) {
    // `value` must sort after `startAt` so skip to the next element.
    MOZ_ASSERT(!SortBefore(value, *iter));
    ++iter;
    prev = startAt;
  }
  for (; iter; iter++) {
    if (SortBefore(value, *iter)) {
      break;
    }
    prev = *iter;
  }

  if (prev) {
    list.insertAfter(prev, value);
  } else {
    list.pushFront(value);
  }
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: methods for class SpillSet                                  //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void SpillSet::setAllocation(LAllocation alloc) {
  for (size_t i = 0; i < numSpilledBundles(); i++) {
    spilledBundle(i)->setAllocation(alloc);
  }
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: methods for class LiveRange                                 //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static size_t SpillWeightFromUsePolicy(LUse::Policy policy) {
  switch (policy) {
    case LUse::ANY:
      return 1000;

    case LUse::REGISTER:
    case LUse::FIXED:
      return 2000;

    default:
      return 0;
  }
}

inline void LiveRange::noteAddedUse(UsePosition* use) {
  LUse::Policy policy = use->usePolicy();
  usesSpillWeight_ += SpillWeightFromUsePolicy(policy);
  if (policy == LUse::FIXED) {
    ++numFixedUses_;
  }
}

inline void LiveRange::noteRemovedUse(UsePosition* use) {
  LUse::Policy policy = use->usePolicy();
  usesSpillWeight_ -= SpillWeightFromUsePolicy(policy);
  if (policy == LUse::FIXED) {
    --numFixedUses_;
  }
  MOZ_ASSERT_IF(!hasUses(), !usesSpillWeight_ && !numFixedUses_);
}

void LiveRange::addUse(UsePosition* use) {
  MOZ_ASSERT(covers(use->pos));
  InsertSortedList(uses_, use);
  noteAddedUse(use);
}

UsePosition* LiveRange::popUse() {
  UsePosition* ret = uses_.popFront();
  noteRemovedUse(ret);
  return ret;
}

void LiveRange::tryToMoveDefAndUsesInto(LiveRange* other) {
  MOZ_ASSERT(&other->vreg() == &vreg());
  MOZ_ASSERT(this != other);

  // This method shouldn't be called for two non-intersecting live ranges
  // because it's a no-op in that case.
  MOZ_ASSERT(intersects(other));

  CodePosition otherFrom = other->from();
  CodePosition otherTo = other->to();

  // The uses are sorted by position, so first skip all uses before |other|
  // starts.
  UsePositionIterator iter = usesBegin();
  while (iter && iter->pos < otherFrom) {
    iter++;
  }

  // Move over all uses which fit in |other|'s boundaries.
  while (iter && iter->pos < otherTo) {
    UsePosition* use = *iter;
    MOZ_ASSERT(other->covers(use->pos));
    uses_.removeAndIncrement(iter);
    noteRemovedUse(use);
    other->addUse(use);
  }

  MOZ_ASSERT_IF(iter, !other->covers(iter->pos));

  // Distribute the definition to |other| as well, if possible.
  if (hasDefinition() && from() == other->from()) {
    other->setHasDefinition();
  }
}

void LiveRange::moveAllUsesToTheEndOf(LiveRange* other) {
  MOZ_ASSERT(&other->vreg() == &vreg());
  MOZ_ASSERT(this != other);
  MOZ_ASSERT(other->contains(this));

  if (uses_.empty()) {
    return;
  }

  // Assert |other->uses_| remains sorted after adding our uses at the end.
  MOZ_ASSERT_IF(!other->uses_.empty(),
                SortBefore(other->uses_.back(), *uses_.begin()));

  other->uses_.extendBack(std::move(uses_));
  MOZ_ASSERT(!hasUses());

  other->usesSpillWeight_ += usesSpillWeight_;
  other->numFixedUses_ += numFixedUses_;
  usesSpillWeight_ = 0;
  numFixedUses_ = 0;
}

bool LiveRange::contains(LiveRange* other) const {
  return from() <= other->from() && to() >= other->to();
}

void LiveRange::intersect(LiveRange* other, Range* pre, Range* inside,
                          Range* post) const {
  MOZ_ASSERT(pre->empty() && inside->empty() && post->empty());

  CodePosition innerFrom = from();
  if (from() < other->from()) {
    if (to() < other->from()) {
      *pre = range_;
      return;
    }
    *pre = Range(from(), other->from());
    innerFrom = other->from();
  }

  CodePosition innerTo = to();
  if (to() > other->to()) {
    if (from() >= other->to()) {
      *post = range_;
      return;
    }
    *post = Range(other->to(), to());
    innerTo = other->to();
  }

  if (innerFrom != innerTo) {
    *inside = Range(innerFrom, innerTo);
  }
}

bool LiveRange::intersects(LiveRange* other) const {
  Range pre, inside, post;
  intersect(other, &pre, &inside, &post);
  return !inside.empty();
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: methods for class LiveBundle                                //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#ifdef DEBUG
size_t LiveBundle::numRanges() const {
  size_t count = 0;
  for (RangeIterator iter = rangesBegin(); iter; iter++) {
    count++;
  }
  return count;
}
#endif

LiveRange* LiveBundle::rangeFor(CodePosition pos) const {
  for (RangeIterator iter = rangesBegin(); iter; iter++) {
    LiveRange* range = *iter;
    if (range->covers(pos)) {
      return range;
    }
  }
  return nullptr;
}

void LiveBundle::addRange(LiveRange* range,
                          LiveRange* startAt /* = nullptr */) {
  MOZ_ASSERT(!range->bundle());
  MOZ_ASSERT(range->hasVreg());
  MOZ_ASSERT_IF(startAt, startAt->bundle() == this);
  range->setBundle(this);
  InsertSortedList(ranges_, range, startAt);
}

void LiveBundle::addRangeAtEnd(LiveRange* range) {
  // Note: this method is functionally equivalent to `addRange`, but can be used
  // when we know `range` must be added after all existing ranges in the bundle.
  MOZ_ASSERT(!range->bundle());
  MOZ_ASSERT(range->hasVreg());
  MOZ_ASSERT_IF(!ranges_.empty(), SortBefore(ranges_.back(), range));
  range->setBundle(this);
  ranges_.pushBack(range);
}

bool LiveBundle::addRangeAtEnd(TempAllocator& alloc, VirtualRegister* vreg,
                               CodePosition from, CodePosition to) {
  LiveRange* range = LiveRange::FallibleNew(alloc, vreg, from, to);
  if (!range) {
    return false;
  }
  addRangeAtEnd(range);
  return true;
}

bool LiveBundle::addRangeAndDistributeUses(TempAllocator& alloc,
                                           LiveRange* oldRange,
                                           CodePosition from, CodePosition to) {
  LiveRange* range = LiveRange::FallibleNew(alloc, &oldRange->vreg(), from, to);
  if (!range) {
    return false;
  }
  addRange(range);
  oldRange->tryToMoveDefAndUsesInto(range);
  return true;
}

LiveRange* LiveBundle::popFirstRange() {
  RangeIterator iter = rangesBegin();
  if (!iter) {
    return nullptr;
  }

  LiveRange* range = *iter;
  ranges_.removeAt(iter);

  range->setBundle(nullptr);
  return range;
}

void LiveBundle::removeRange(LiveRange* range) {
  for (RangeIterator iter = rangesBegin(); iter; iter++) {
    LiveRange* existing = *iter;
    if (existing == range) {
      ranges_.removeAt(iter);
      return;
    }
  }
  MOZ_CRASH();
}

void LiveBundle::removeAllRangesFromVirtualRegisters() {
  VirtualRegister* prevVreg = nullptr;
  for (RangeIterator iter = rangesBegin(); iter; iter++) {
    LiveRange* range = *iter;
    MOZ_ASSERT(!range->hasUses());
    if (&range->vreg() != prevVreg) {
      // As an optimization, remove all ranges owned by this bundle from the
      // register's list, instead of a single range at a time.
      range->vreg().removeRangesForBundle(this);
      prevVreg = &range->vreg();
    }
  }
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: methods for class VirtualRegister                           //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

bool VirtualRegister::addInitialRange(TempAllocator& alloc, CodePosition from,
                                      CodePosition to) {
  MOZ_ASSERT(rangesSorted_, "ranges stay sorted during live range building");

  MOZ_ASSERT(from < to);
  MOZ_ASSERT_IF(hasRanges(), from < ranges_.back()->to());

  // Mark [from,to) as a live range for this register during the initial
  // liveness analysis, coalescing with any existing overlapping ranges.

  LiveRange* merged = nullptr;
  for (RangeIterator iter(*this); iter; iter++) {
    LiveRange* existing = *iter;

    MOZ_ASSERT(from < existing->to());

    if (to < existing->from()) {
      // All other ranges start after |to| so can't overlap.
      break;
    }

    if (!merged) {
      // This is the first old range we've found that overlaps the new
      // range. Extend this one to cover its union with the new range.
      merged = existing;

      if (from < existing->from()) {
        existing->setFrom(from);
      }
      if (to > existing->to()) {
        existing->setTo(to);
      }

      // Continue searching to see if any other old ranges can be
      // coalesced with the new merged range.
    } else {
      // Coalesce this range into the previous range we merged into.
      MOZ_ASSERT(existing->from() >= merged->from());
      if (existing->to() > merged->to()) {
        merged->setTo(existing->to());
      }

      MOZ_ASSERT(!existing->hasDefinition());
      existing->moveAllUsesToTheEndOf(merged);
      MOZ_ASSERT(!existing->hasUses());
    }

    removeFirstRange(iter);
  }

  if (merged) {
    // Re-append the merged range.
    if (!ranges_.append(merged)) {
      return false;
    }
  } else {
    // The new range does not overlap any existing range for the vreg.
    MOZ_ASSERT_IF(hasRanges(), to < ranges_.back()->from());

    LiveRange* range = LiveRange::FallibleNew(alloc, this, from, to);
    if (!range) {
      return false;
    }

    if (!ranges_.append(range)) {
      return false;
    }
  }

  MOZ_ASSERT(rangesSorted_, "ranges are still sorted");

#ifdef DEBUG
  // Check the last few ranges don't overlap and are in the correct order.
  size_t len = ranges_.length();
  static constexpr size_t MaxIterations = 4;
  size_t start = len > MaxIterations ? (len - MaxIterations) : 1;

  for (size_t i = start; i < len; i++) {
    LiveRange* range = ranges_[i];
    LiveRange* prev = ranges_[i - 1];
    MOZ_ASSERT(range->from() < range->to());
    MOZ_ASSERT(range->to() < prev->from());
  }
#endif

  return true;
}

void VirtualRegister::addInitialUse(UsePosition* use) {
  MOZ_ASSERT(rangesSorted_, "ranges stay sorted during live range building");
  ranges_.back()->addUse(use);
}

void VirtualRegister::setInitialDefinition(CodePosition from) {
  MOZ_ASSERT(rangesSorted_, "ranges stay sorted during live range building");
  LiveRange* first = ranges_.back();
  MOZ_ASSERT(from >= first->from());
  first->setFrom(from);
  first->setHasDefinition();
}

LiveRange* VirtualRegister::rangeFor(CodePosition pos,
                                     bool preferRegister /* = false */) const {
  assertRangesSorted();

  size_t len = ranges_.length();

  // Because the ranges are sorted in order of descending start position, we use
  // binary search to find the first range where |range->from <= pos|. All
  // ranges before that definitely don't cover |pos|.
  auto compare = [pos](LiveRange* other) {
    if (pos < other->from()) {
      return 1;
    }
    if (pos > other->from()) {
      return -1;
    }
    return 0;
  };
  size_t index;
  mozilla::BinarySearchIf(ranges_, 0, len, compare, &index);

  if (index == len) {
    // None of the ranges overlap.
    MOZ_ASSERT(ranges_.back()->from() > pos);
    return nullptr;
  }

  // There can be multiple ranges with |range->from == pos|. We want to start at
  // the first one.
  while (index > 0 && ranges_[index - 1]->from() == pos) {
    index--;
  }

  // Verify the above code is correct:
  // * The range at |index| starts before or at |pos| and needs to be searched.
  // * All ranges before |index| start after |pos| and can be ignored.
  MOZ_ASSERT(ranges_[index]->from() <= pos);
  MOZ_ASSERT_IF(index > 0, ranges_[index - 1]->from() > pos);

  LiveRange* found = nullptr;
  do {
    LiveRange* range = ranges_[index];
    if (range->covers(pos)) {
      if (!preferRegister || range->bundle()->allocation().isRegister()) {
        return range;
      }
      if (!found) {
        found = range;
      }
    }
    index++;
  } while (index < len);

  return found;
}

void VirtualRegister::sortRanges() {
  if (rangesSorted_) {
    assertRangesSorted();
    return;
  }

  // Sort ranges by start position in descending order.
  //
  // It would be correct to only compare the start position, but std::sort is
  // not a stable sort and we don't want the order of ranges with the same start
  // position to depend on the sort implementation. Use the end position and the
  // bundle's id to ensure ranges are always sorted the same way.
  auto compareRanges = [](LiveRange* a, LiveRange* b) -> bool {
    if (a->from() != b->from()) {
      return a->from() > b->from();
    }
    if (a->to() != b->to()) {
      return a->to() > b->to();
    }
    // Overlapping live ranges must belong to different bundles.
    MOZ_ASSERT_IF(a != b, a->bundle()->id() != b->bundle()->id());
    return a->bundle()->id() > b->bundle()->id();
  };
  std::sort(ranges_.begin(), ranges_.end(), compareRanges);

  rangesSorted_ = true;
}

#ifdef DEBUG
void VirtualRegister::assertRangesSorted() const {
  MOZ_ASSERT(rangesSorted_);

  // Assert the last N ranges in the vector are sorted correctly. We don't check
  // the whole vector to not slow down debug builds too much.

  size_t len = ranges_.length();
  static constexpr size_t MaxIterations = 4;
  size_t start = len > MaxIterations ? (len - MaxIterations) : 1;

  for (size_t i = start; i < len; i++) {
    LiveRange* prev = ranges_[i - 1];
    LiveRange* range = ranges_[i];
    MOZ_ASSERT(range->from() <= prev->from());

    // If two ranges have the same |from| position, neither must be defining.
    // This ensures the defining range, if any, always comes first after
    // sorting.
    MOZ_ASSERT_IF(range->from() == prev->from(),
                  !range->hasDefinition() && !prev->hasDefinition());
  }
}
#endif

bool VirtualRegister::addRange(LiveRange* range) {
  bool sorted = ranges_.empty() ||
                (rangesSorted_ && ranges_.back()->from() >= range->from());
  if (!ranges_.append(range)) {
    return false;
  }
  rangesSorted_ = sorted;
  return true;
}

void VirtualRegister::removeFirstRange(RangeIterator& iter) {
  MOZ_ASSERT(iter.index() == ranges_.length() - 1);
  ranges_.popBack();
}

void VirtualRegister::removeRangesForBundle(LiveBundle* bundle) {
  auto bundleMatches = [bundle](LiveRange* range) {
    return range->bundle() == bundle;
  };
  ranges_.eraseIf(bundleMatches);
}

template <typename Pred>
void VirtualRegister::removeRangesIf(Pred&& pred) {
  assertRangesSorted();
  ranges_.eraseIf([&](LiveRange* range) { return pred(ranges_, range); });
}

// Helper for ::tryMergeReusedRegister.
bool VirtualRegister::replaceLastRangeLinear(LiveRange* old, LiveRange* newPre,
                                             LiveRange* newPost) {
  assertRangesSorted();

  // |old| is currently the first range in the Vector (the range with the
  // highest start position). This range is being replaced with two new ranges,
  // |newPre| and |newPost|. The relative order of these ranges by start
  // position is:
  //
  //   old <= newPre <= newPost
  //
  // To keep the vector sorted by descending start position, |newPost| must
  // become the new last range and |newPre| must be inserted after it.

  MOZ_ASSERT(ranges_[0] == old);
  MOZ_ASSERT(old->from() <= newPre->from());
  MOZ_ASSERT(newPre->from() <= newPost->from());

  ranges_[0] = newPost;

  if (!ranges_.insert(ranges_.begin() + 1, newPre)) {
    return false;
  }

  assertRangesSorted();
  return true;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: queries about uses                                          //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static inline LDefinition* FindReusingDefOrTemp(LNode* node,
                                                LAllocation* alloc) {
  if (node->isPhi()) {
    MOZ_ASSERT(node->toPhi()->numDefs() == 1);
    MOZ_ASSERT(node->toPhi()->getDef(0)->policy() !=
               LDefinition::MUST_REUSE_INPUT);
    return nullptr;
  }

  LInstruction* ins = node->toInstruction();

  for (size_t i = 0; i < ins->numDefs(); i++) {
    LDefinition* def = ins->getDef(i);
    if (def->policy() == LDefinition::MUST_REUSE_INPUT &&
        ins->getOperand(def->getReusedInput()) == alloc) {
      return def;
    }
  }
  for (size_t i = 0; i < ins->numTemps(); i++) {
    LDefinition* def = ins->getTemp(i);
    if (def->policy() == LDefinition::MUST_REUSE_INPUT &&
        ins->getOperand(def->getReusedInput()) == alloc) {
      return def;
    }
  }
  return nullptr;
}

bool BacktrackingAllocator::isReusedInput(LUse* use, LNode* ins,
                                          bool considerCopy) {
  if (LDefinition* def = FindReusingDefOrTemp(ins, use)) {
    return considerCopy || !vregs[def->virtualRegister()].mustCopyInput();
  }
  return false;
}

bool BacktrackingAllocator::isRegisterUse(UsePosition* use, LNode* ins,
                                          bool considerCopy) {
  switch (use->usePolicy()) {
    case LUse::ANY:
      return isReusedInput(use->use(), ins, considerCopy);

    case LUse::REGISTER:
    case LUse::FIXED:
      return true;

    default:
      return false;
  }
}

bool BacktrackingAllocator::isRegisterDefinition(LiveRange* range) {
  if (!range->hasDefinition()) {
    return false;
  }

  VirtualRegister& reg = range->vreg();
  if (reg.ins()->isPhi()) {
    return false;
  }

  if (reg.def()->policy() == LDefinition::FIXED &&
      !reg.def()->output()->isRegister()) {
    return false;
  }

  return true;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: atomic LIR groups                                           //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// The following groupings contain implicit (invisible to ::buildLivenessInfo)
// value flows, and therefore no split points may be requested inside them.
// This is an otherwise unstated part of the contract between LIR generation
// and the allocator.
//
// (1) (any insn) ; OsiPoint
//
// [Further group definitions and supporting code to come, pending rework
//  of the wasm atomic-group situation.]

CodePosition RegisterAllocator::minimalDefEnd(LNode* ins) const {
  // Compute the shortest interval that captures vregs defined by ins.
  // Watch for instructions that are followed by an OSI point.
  // If moves are introduced between the instruction and the OSI point then
  // safepoint information for the instruction may be incorrect.
  while (true) {
    LNode* next = insData[ins->id() + 1];
    if (!next->isOsiPoint()) {
      break;
    }
    ins = next;
  }

  return outputOf(ins);
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Misc helpers: computation of bundle priorities and spill weights          //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

size_t BacktrackingAllocator::computePriority(LiveBundle* bundle) {
  // The priority of a bundle is its total length, so that longer lived
  // bundles will be processed before shorter ones (even if the longer ones
  // have a low spill weight). See processBundle().
  size_t lifetimeTotal = 0;

  for (LiveBundle::RangeIterator iter = bundle->rangesBegin(); iter; iter++) {
    LiveRange* range = *iter;
    lifetimeTotal += range->to() - range->from();
  }

  return lifetimeTotal;
}

bool BacktrackingAllocator::minimalDef(LiveRange* range, LNode* ins) {
  // Whether this is a minimal range capturing a definition at ins.
  return (range->to() <= minimalDefEnd(ins).next()) &&
         ((!ins->isPhi() && range->from() == inputOf(ins)) ||
          range->from() == outputOf(ins));
}

bool BacktrackingAllocator::minimalUse(LiveRange* range, UsePosition* use) {
  // Whether this is a minimal range capturing |use|.
  LNode* ins = insData[use->pos];
  return (range->from() == inputOf(ins)) &&
         (range->to() ==
          (use->use()->usedAtStart() ? outputOf(ins) : outputOf(ins).next()));
}

bool BacktrackingAllocator::minimalBundle(LiveBundle* bundle, bool* pfixed) {
  // Return true iff |bundle| is a minimal bundle. A minimal bundle is a bundle
  // that can't be split further. Minimal bundles have a single (very short)
  // range.
  //
  // If the bundle is minimal we also set the |*pfixed| outparam to indicate
  // whether the bundle must be allocated to a fixed register. The value of
  // |*pfixed| is undefined if this function returns false.

  LiveBundle::RangeIterator iter = bundle->rangesBegin();
  LiveRange* range = *iter;

  MOZ_ASSERT(range->hasVreg(), "Call ranges are not added to LiveBundles");

  // If a bundle contains multiple ranges, splitAtAllRegisterUses will split
  // each range into a separate bundle.
  if (++iter) {
    return false;
  }

  if (range->hasDefinition()) {
    VirtualRegister& reg = range->vreg();
    if (!minimalDef(range, reg.ins())) {
      return false;
    }
    if (pfixed) {
      *pfixed = reg.def()->policy() == LDefinition::FIXED &&
                reg.def()->output()->isRegister();
    }
    return true;
  }

  // Performance optimization: |minimalUse| will only return true for length-1
  // or length-2 ranges so if this is a longer range it can't be minimal.
  if (range->to() - range->from() > 2) {
#ifdef DEBUG
    for (UsePositionIterator iter = range->usesBegin(); iter; iter++) {
      MOZ_ASSERT(!minimalUse(range, *iter));
    }
#endif
    return false;
  }

  bool fixed = false, minimal = false, multiple = false;

  for (UsePositionIterator iter = range->usesBegin(); iter; iter++) {
    if (iter != range->usesBegin()) {
      multiple = true;
    }

    switch (iter->usePolicy()) {
      case LUse::FIXED:
        if (fixed) {
          return false;
        }
        fixed = true;
        if (minimalUse(range, *iter)) {
          minimal = true;
        }
        break;

      case LUse::REGISTER:
        if (minimalUse(range, *iter)) {
          minimal = true;
        }
        break;

      default:
        break;
    }
  }

  // If a range contains a fixed use and at least one other use,
  // splitAtAllRegisterUses will split each use into a different bundle.
  if (multiple && fixed) {
    return false;
  }

  if (!minimal) {
    return false;
  }
  if (pfixed) {
    *pfixed = fixed;
  }
  return true;
}

size_t BacktrackingAllocator::computeSpillWeight(LiveBundle* bundle) {
  // Minimal bundles have an extremely high spill weight, to ensure they
  // can evict any other bundles and be allocated to a register.
  bool fixed;
  if (minimalBundle(bundle, &fixed)) {
    return fixed ? 2000000 : 1000000;
  }

  size_t usesTotal = 0;
  fixed = false;

  for (LiveBundle::RangeIterator iter = bundle->rangesBegin(); iter; iter++) {
    LiveRange* range = *iter;

    if (range->hasDefinition()) {
      VirtualRegister& reg = range->vreg();
      if (reg.def()->policy() == LDefinition::FIXED &&
          reg.def()->output()->isRegister()) {
        usesTotal += 2000;
        fixed = true;
      } else if (!reg.ins()->isPhi()) {
        usesTotal += 2000;
      }
    }

    usesTotal += range->usesSpillWeight();
    if (range->numFixedUses() > 0) {
      fixed = true;
    }
  }

  // Bundles with fixed uses are given a higher spill weight, since they must
  // be allocated to a specific register.
  if (testbed && fixed) {
    usesTotal *= 2;
  }

  // Compute spill weight as a use density, lowering the weight for long
  // lived bundles with relatively few uses.
  size_t lifetimeTotal = computePriority(bundle);
  return lifetimeTotal ? usesTotal / lifetimeTotal : 0;
}

size_t BacktrackingAllocator::maximumSpillWeight(
    const LiveBundleVector& bundles) {
  size_t maxWeight = 0;
  for (size_t i = 0; i < bundles.length(); i++) {
    maxWeight = std::max(maxWeight, computeSpillWeight(bundles[i]));
  }
  return maxWeight;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Initialization of the allocator                                           //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// This function pre-allocates and initializes as much global state as possible
// to avoid littering the algorithms with memory management cruft.
bool BacktrackingAllocator::init() {
  if (!RegisterAllocator::init()) {
    return false;
  }

  uint32_t numBlocks = graph.numBlockIds();
  MOZ_ASSERT(liveIn.empty());
  if (!liveIn.growBy(numBlocks)) {
    return false;
  }

  size_t numVregs = graph.numVirtualRegisters();
  if (!vregs.initCapacity(numVregs)) {
    return false;
  }
  for (uint32_t i = 0; i < numVregs; i++) {
    vregs.infallibleEmplaceBack();
  }

  // Build virtual register objects.
  for (size_t i = 0; i < graph.numBlocks(); i++) {
    if (mir->shouldCancel("Create data structures (main loop)")) {
      return false;
    }

    LBlock* block = graph.getBlock(i);
    for (LInstructionIterator ins = block->begin(); ins != block->end();
         ins++) {
      if (mir->shouldCancel("Create data structures (inner loop 1)")) {
        return false;
      }

      for (size_t j = 0; j < ins->numDefs(); j++) {
        LDefinition* def = ins->getDef(j);
        if (def->isBogusTemp()) {
          continue;
        }
        vreg(def).init(*ins, def, /* isTemp = */ false);
      }

      for (size_t j = 0; j < ins->numTemps(); j++) {
        LDefinition* def = ins->getTemp(j);
        if (def->isBogusTemp()) {
          continue;
        }
        vreg(def).init(*ins, def, /* isTemp = */ true);
      }
    }
    for (size_t j = 0; j < block->numPhis(); j++) {
      LPhi* phi = block->getPhi(j);
      LDefinition* def = phi->getDef(0);
      vreg(def).init(phi, def, /* isTemp = */ false);
    }
  }

  LiveRegisterSet remainingRegisters(allRegisters_.asLiveSet());
  while (!remainingRegisters.emptyGeneral()) {
    AnyRegister reg = AnyRegister(remainingRegisters.takeAnyGeneral());
    registers[reg.code()].allocatable = true;
  }
  while (!remainingRegisters.emptyFloat()) {
    AnyRegister reg =
        AnyRegister(remainingRegisters.takeAnyFloat<RegTypeName::Any>());
    registers[reg.code()].allocatable = true;
  }

  LifoAlloc* lifoAlloc = mir->alloc().lifoAlloc();
  for (size_t i = 0; i < AnyRegister::Total; i++) {
    registers[i].reg = AnyRegister::FromCode(i);
    registers[i].allocations.setAllocator(lifoAlloc);
  }

  hotcode.setAllocator(lifoAlloc);

  // Partition the graph into hot and cold sections, for helping to make
  // splitting decisions. Since we don't have any profiling data this is a
  // crapshoot, so just mark the bodies of inner loops as hot and everything
  // else as cold.

  LBlock* backedge = nullptr;
  for (size_t i = 0; i < graph.numBlocks(); i++) {
    LBlock* block = graph.getBlock(i);

    // If we see a loop header, mark the backedge so we know when we have
    // hit the end of the loop. Don't process the loop immediately, so that
    // if there is an inner loop we will ignore the outer backedge.
    if (block->mir()->isLoopHeader()) {
      backedge = block->mir()->backedge()->lir();
    }

    if (block == backedge) {
      LBlock* header = block->mir()->loopHeaderOfBackedge()->lir();
      LiveRange* range = LiveRange::FallibleNew(
          alloc(), nullptr, entryOf(header), exitOf(block).next());
      if (!range || !hotcode.insert(range)) {
        return false;
      }
    }
  }

  return true;
}

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//                                                                           //
// Liveness analysis                                                         //
//                                                                           //
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

// Helper for ::buildLivenessInfo
bool BacktrackingAllocator::addInitialFixedRange(AnyRegister reg,
                                                 CodePosition from,
                                                 CodePosition to) {
  LiveRange* range = LiveRange::FallibleNew(alloc(), nullptr, from, to);
  if (!range) {
    return false;
  }
  LiveRangePlus rangePlus(range);
  return registers[reg.code()].allocations.insert(rangePlus);
}

// Helper for ::buildLivenessInfo
#ifdef DEBUG
// Returns true iff ins has a def/temp reusing the input allocation.
static bool IsInputReused(LInstruction* ins, LUse* use) {
  for (size_t i = 0; i < ins->numDefs(); i++) {
    if (ins->getDef(i)->policy() == LDefinition::MUST_REUSE_INPUT &&
        ins->getOperand(ins->getDef(i)->getReusedInput())->toUse() == use) {
      return true;
    }
  }

  for (size_t i = 0; i < ins->numTemps(); i++) {
    if (ins->getTemp(i)->policy() == LDefinition::MUST_REUSE_INPUT &&
        ins->getOperand(ins->getTemp(i)->getReusedInput())->toUse() == use) {
      return true;
    }
  }

  return false;
}
#endif

/*
 * This function builds up liveness ranges for all virtual registers
 * defined in the function.
 *
 * The algorithm is based on the one published in:
 *
 * Wimmer, Christian, and Michael Franz. "Linear Scan Register Allocation on
 *     SSA Form." Proceedings of the International Symposium on Code Generation
--> --------------------

--> maximum size reached

--> --------------------