[发明专利]基于区域优先级的寄存器分配方法

权利要求书

1.一种基于区域优先级的寄存器分配方法，其特征是：具体含有下列步骤：

步骤1：将寄存器分配问题转换为一种矩阵填充模型；

步骤2：设计贪婪式的填充方法，用该贪婪式的填充方法将一个空的矩阵填充为一个满足要求的非空矩阵；该贪婪式的填充方法的贪婪性存在于划分循环区域、构建长度优先级队列和溢出权重优先级排队的过程中；

步骤3：根据步骤2的填充来实现寄存器的分配。

2.根据权利要求1所述的基于区域优先级的寄存器分配方法，其特征是：在进行所述步骤1的工作时，首先定义下列名词：

指令序号：指令序号是指程序段中的每条指令的编号；基本块内的指令顺序是固定的，基本块之间的指令顺序是任意的，在步骤1中，采用基于深度优先遍历形成的控制流图来对指令进行排序；

变量的活跃范围：变量的活跃范围是一个间隔，在此间隔内，变量是活跃的，必须为变量分配一致的存储位置；

变量生命域间隔：变量生命域间隔是由多个不连续的活跃范围组成的间隔，不连续的活跃范围之间的区域是生命域间隙，在生命域间隙中，变量不活跃；

变量的溢出代价：变量的溢出代价是对变量分配到内存中所引起的性能损失的抽象表示，变量的溢出代价用变量所在指令的执行频率来表征，指令执行次数多的情况下，访存次数相应增多，性能损失越厉害，因此溢出代价也就越大；

设目标机可供使用的物理寄存器集合为R={r₁,r₂,...,r_i,...r_m}，r_i表示第i个物理寄存器，m表示可供使用的物理寄存器的数量；变量生命域间隔集L={l₁,l₂,...l_i,...,l_n}，l_i表示第i个变量生命域间隔，n表示变量生命域间隔的数量；

步骤1中的寄存器分配问题描述为：将变量生命域间隔集L中的变量生命域间隔分配给物理寄存器集合R中的物理寄存器，在程序的每一点，若活跃的变量生命域间隔数量超过物理寄存器数量m，则选择多出的变量生命域间隔溢出到内存，优化的寄存器分配指所有变量的溢出代价之和最小；

步骤1中的矩阵填充指将一个空的矩阵填充为一个满足要求的非空矩阵；

给定一个m行乘N列的矩阵M；行表示物理寄存器，总数为m；列表示程序指令序号，范围是1～N；矩阵中每个元素e_ij只能有0和1两种取值，当取值为0时表示第i个物理寄存器在第j个程序指令位置未分配，当取值为1时表示第i个物理寄存器在第j个程序指令位置已分配；

矩阵M在初始化时是一个空矩阵，寄存器分配的过程相当于给矩阵M填充的过程；变量生命域间隔是矩阵填充的基本单位，每一个变量生命域间隔的列范围都在1～N之间，矩阵填充是指将变量生命域间隔放入某一行的对应位置；矩阵填充时会出现两种情况：

第一：若矩阵M中某一行的列范围内为空，把该行在列范围内的元素设为1；

第二：若矩阵M中所有行的列范围内均不为空，则选择一行释放掉填充在列范围的变量生命域间隔，然后用待填充的变量生命域间隔l填充；当发生矩阵所有行在待填充变量生命域间隔的列范围内均已被填充时，生命域溢出到内存；

步骤2中的贪婪式的填充方法采用变量生命域间隔的溢出权重来表示整个变量生命域间隔溢出时的代价；变量生命域间隔的溢出权重是指整个变量生命域间隔中变量所有定义和使用处都溢出到内存时的代价；变量生命域间隔的溢出权重的值为变量生命域间隔内变量定义和使用的数量除以变量生命域间隔的长度；

在矩阵填充前，首先对整个程序进行划分区域，将循环范围与非循环范围分割，循环嵌套按嵌套深度进行分割，这样矩阵会被分割成多个子矩阵，同时跨越循环的变量生命域间隔也被分割为多个部分；矩阵填充时，首先对最内层嵌套的循环区域进行分配，之后扩展到外层的嵌套，即贪婪式的区域排队；

程序的区域内矩阵填充时，首先按照按变量生命域间隔范围由长至短构造长度优先队列，填充时先填充长度大的变量生命域间隔，当发生矩阵所有行在待填充变量生命域间隔的列范围内均已被填充时，选择溢出权重最低的变量生命域间隔加入到溢出权重队列中，同时释放被填充的矩阵区域，以供变量生命域间隔进行填充；当长度优先队列分配完，剩下的变量生命域间隔按照溢出权值由高到低进行排队形成溢出权重队列，按溢出权重高低进行再次填充，采用分裂方式以填充矩阵空隙，若不成功，则直接溢出；

步骤3含有以下四个步骤：

步骤3.1:区域划分及变量生命域间隔分裂；

步骤3.2:长度和溢出权值优先级队列构造；

步骤3.3:寄存器分配；

步骤3.4:寄存器析构。

3.根据权利要求2所述的基于区域优先级的寄存器分配方法，其特征是：所述步骤3.1的具体内容为：进行区域划分，为每个区域建立变量生命域间隔集；

步骤3.2的具体内容为：区域划分后，在每个区域内构造长度队列和溢出权值队列；长度队列只需要按照变量生命域间隔长度排序即可；溢出权值队列需要首先计算每一个变量生命域间隔的溢出权值，之后按照变量生命域间隔溢出权值进行排序；

步骤3.3的具体内容为：先进行单个区域内部的寄存器分配，然后扩展到多个区域；单个区域扩展到多个区域的方法是：首先选择与当前区域相邻的区域，这样已分配区域的寄存器可以优先考虑用来分配给相同的变量生命域间隔，其余的变量生命域间隔仍要按照队列中的优先级顺序进行排队；

步骤3.4的具体内容为：寄存器分配后，同一个变量可能在不同的定义或使用处分配给不同的物理寄存器或溢出到内存，因此，增加数据传递操作使处于不同存储位置的变量内容保持一致。