Add empty let removal normalization pass.
[matthijs/master-project/cλash.git] / cλash / CLasH / Normalize.hs
index 8b35bb986bd4265df2ec58e6988fc21f04fe64de..8cbebad6978b29b687fbc4e6f1f133e2ac145b42 100644 (file)
@@ -4,11 +4,12 @@
 -- top level function "normalize", and defines the actual transformation passes that
 -- are performed.
 --
-module CLasH.Normalize (getNormalized, normalizeExpr) where
+module CLasH.Normalize (getNormalized, normalizeExpr, splitNormalized) where
 
 -- Standard modules
 import Debug.Trace
 import qualified Maybe
+import qualified List
 import qualified "transformers" Control.Monad.Trans as Trans
 import qualified Control.Monad as Monad
 import qualified Control.Monad.Trans.Writer as Writer
@@ -91,31 +92,74 @@ castprop expr = return expr
 castproptop = everywhere ("castprop", castprop)
 
 --------------------------------
--- let recursification
+-- Cast simplification. Mostly useful for state packing and unpacking, but
+-- perhaps for others as well.
 --------------------------------
-letrec, letrectop :: Transform
-letrec (Let (NonRec b expr) res) = change $ Let (Rec [(b, expr)]) res
+castsimpl, castsimpltop :: Transform
+castsimpl expr@(Cast val ty) = do
+  -- Don't extract values that are already simpl
+  local_var <- Trans.lift $ is_local_var val
+  -- Don't extract values that are not representable, to prevent loops with
+  -- inlinenonrep
+  repr <- isRepr val
+  if (not local_var) && repr
+    then do
+      -- Generate a binder for the expression
+      id <- Trans.lift $ mkBinderFor val "castval"
+      -- Extract the expression
+      change $ Let (NonRec id val) (Cast (Var id) ty)
+    else
+      return expr
+-- Leave all other expressions unchanged
+castsimpl expr = return expr
+-- Perform this transform everywhere
+castsimpltop = everywhere ("castsimpl", castsimpl)
+
+--------------------------------
+-- let derecursification
+--------------------------------
+letderec, letderectop :: Transform
+letderec expr@(Let (Rec binds) res) = case liftable of
+  -- Nothing is liftable, just return
+  [] -> return expr
+  -- Something can be lifted, generate a new let expression
+  _ -> change $ MkCore.mkCoreLets newbinds res
+  where
+    -- Make a list of all the binders bound in this recursive let
+    bndrs = map fst binds
+    -- See which bindings are liftable
+    (liftable, nonliftable) = List.partition canlift binds
+    -- Create nonrec bindings for each liftable binding and a single recursive
+    -- binding for all others
+    newbinds = (map (uncurry NonRec) liftable) ++ [Rec nonliftable]
+    -- Any expression that does not use any of the binders in this recursive let
+    -- can be lifted into a nonrec let. It can't use its own binder either,
+    -- since that would mean the binding is self-recursive and should be in a
+    -- single bind recursive let.
+    canlift (bndr, e) = not $ expr_uses_binders bndrs e
 -- Leave all other expressions unchanged
-letrec expr = return expr
+letderec expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
-letrectop = everywhere ("letrec", letrec)
+letderectop = everywhere ("letderec", letderec)
 
 --------------------------------
 -- let simplification
 --------------------------------
 letsimpl, letsimpltop :: Transform
+-- Don't simplify a let that evaluates to another let, since this is already
+-- normal form (and would cause infinite loops with letflat below).
+letsimpl expr@(Let _ (Let _ _)) = return expr
 -- Put the "in ..." value of a let in its own binding, but not when the
 -- expression is already a local variable, or not representable (to prevent loops with inlinenonrep).
-letsimpl expr@(Let (Rec binds) res) = do
+letsimpl expr@(Let binds res) = do
   repr <- isRepr res
   local_var <- Trans.lift $ is_local_var res
   if not local_var && repr
     then do
       -- If the result is not a local var already (to prevent loops with
       -- ourselves), extract it.
-      id <- Trans.lift $ mkInternalVar "foo" (CoreUtils.exprType res)
-      let bind = (id, res)
-      change $ Let (Rec (bind:binds)) (Var id)
+      id <- Trans.lift $ mkBinderFor res "foo"
+      change $ Let binds (Let (NonRec id  res) (Var id))
     else
       -- If the result is already a local var, don't extract it.
       return expr
@@ -128,35 +172,85 @@ letsimpltop = everywhere ("letsimpl", letsimpl)
 --------------------------------
 -- let flattening
 --------------------------------
+-- Takes a let that binds another let, and turns that into two nested lets.
+-- e.g., from:
+-- let b = (let b' = expr' in res') in res
+-- to:
+-- let b' = expr' in (let b = res' in res)
 letflat, letflattop :: Transform
-letflat (Let (Rec binds) expr) = do
-  -- Turn each binding into a list of bindings (possibly containing just one
-  -- element, of course)
-  bindss <- Monad.mapM flatbind binds
-  -- Concat all the bindings
-  let binds' = concat bindss
-  -- Return the new let. We don't use change here, since possibly nothing has
-  -- changed. If anything has changed, flatbind has already flagged that
-  -- change.
-  return $ Let (Rec binds') expr
-  where
-    -- Turns a binding of a let into a multiple bindings, or any other binding
-    -- into a list with just that binding
-    flatbind :: (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad [(CoreBndr, CoreExpr)]
-    flatbind (b, Let (Rec binds) expr) = change ((b, expr):binds)
-    flatbind (b, expr) = return [(b, expr)]
+letflat (Let (NonRec b (Let (NonRec b' expr')  res')) res) = 
+  change $ Let (NonRec b' expr') (Let (NonRec b res') res)
 -- Leave all other expressions unchanged
 letflat expr = return expr
 -- Perform this transform everywhere
 letflattop = everywhere ("letflat", letflat)
 
+--------------------------------
+-- empty let removal
+--------------------------------
+-- Remove empty (recursive) lets
+letremove, letremovetop :: Transform
+letremove (Let (Rec []) res) = change $ res
+-- Leave all other expressions unchanged
+letremove expr = return expr
+-- Perform this transform everywhere
+letremovetop = everywhere ("letremove", letremove)
+
 --------------------------------
 -- Simple let binding removal
 --------------------------------
 -- Remove a = b bindings from let expressions everywhere
-letremovetop :: Transform
-letremovetop = everywhere ("letremove", inlinebind (\(b, e) -> Trans.lift $ is_local_var e))
+letremovesimpletop :: Transform
+letremovesimpletop = everywhere ("letremovesimple", inlinebind (\(b, e) -> Trans.lift $ is_local_var e))
 
+--------------------------------
+-- Unused let binding removal
+--------------------------------
+letremoveunused, letremoveunusedtop :: Transform
+letremoveunused expr@(Let (Rec binds) res) = do
+  -- Filter out all unused binds.
+  let binds' = filter dobind binds
+  -- Only set the changed flag if binds got removed
+  changeif (length binds' /= length binds) (Let (Rec binds') res)
+    where
+      bound_exprs = map snd binds
+      -- For each bind check if the bind is used by res or any of the bound
+      -- expressions
+      dobind (bndr, _) = any (expr_uses_binders [bndr]) (res:bound_exprs)
+-- Leave all other expressions unchanged
+letremoveunused expr = return expr
+letremoveunusedtop = everywhere ("letremoveunused", letremoveunused)
+
+--------------------------------
+-- Identical let binding merging
+--------------------------------
+-- Merge two bindings in a let if they are identical 
+-- TODO: We would very much like to use GHC's CSE module for this, but that
+-- doesn't track if something changed or not, so we can't use it properly.
+letmerge, letmergetop :: Transform
+letmerge expr@(Let (Rec binds) res) = do
+  binds' <- domerge binds
+  return (Let (Rec binds') res)
+  where
+    domerge :: [(CoreBndr, CoreExpr)] -> TransformMonad [(CoreBndr, CoreExpr)]
+    domerge [] = return []
+    domerge (e:es) = do 
+      es' <- mapM (mergebinds e) es
+      es'' <- domerge es'
+      return (e:es'')
+
+    -- Uses the second bind to simplify the second bind, if applicable.
+    mergebinds :: (CoreBndr, CoreExpr) -> (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad (CoreBndr, CoreExpr)
+    mergebinds (b1, e1) (b2, e2)
+      -- Identical expressions? Replace the second binding with a reference to
+      -- the first binder.
+      | CoreUtils.cheapEqExpr e1 e2 = change $ (b2, Var b1)
+      -- Different expressions? Don't change
+      | otherwise = return (b2, e2)
+-- Leave all other expressions unchanged
+letmerge expr = return expr
+letmergetop = everywhere ("letmerge", letmerge)
+    
 --------------------------------
 -- Function inlining
 --------------------------------
@@ -189,8 +283,8 @@ scrutsimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
   repr <- isRepr scrut
   if repr
     then do
-      id <- Trans.lift $ mkInternalVar "scrut" (CoreUtils.exprType scrut)
-      change $ Let (Rec [(id, scrut)]) (Case (Var id) b ty alts)
+      id <- Trans.lift $ mkBinderFor scrut "scrut"
+      change $ Let (NonRec id scrut) (Case (Var id) b ty alts)
     else
       return expr
 -- Leave all other expressions unchanged
@@ -283,7 +377,7 @@ casesimpl expr@(Case scrut b ty alts) = do
         -- prevent loops with inlinenonrep).
         if (not uses_bndrs) && (not local_var) && repr
           then do
-            id <- Trans.lift $ mkInternalVar "caseval" (CoreUtils.exprType expr)
+            id <- Trans.lift $ mkBinderFor expr "caseval"
             -- We don't flag a change here, since casevalsimpl will do that above
             -- based on Just we return here.
             return $ (Just (id, expr), Var id)
@@ -323,8 +417,8 @@ appsimpl expr@(App f arg) = do
   local_var <- Trans.lift $ is_local_var arg
   if repr && not local_var
     then do -- Extract representable arguments
-      id <- Trans.lift $ mkInternalVar "arg" (CoreUtils.exprType arg)
-      change $ Let (Rec [(id, arg)]) (App f (Var id))
+      id <- Trans.lift $ mkBinderFor arg "arg"
+      change $ Let (NonRec id arg) (App f (Var id))
     else -- Leave non-representable arguments unchanged
       return expr
 -- Leave all other expressions unchanged
@@ -473,7 +567,7 @@ funextracttop = everywhere ("funextract", funextract)
 
 
 -- What transforms to run?
-transforms = [argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovetop, letrectop, letsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop]
+transforms = [argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovesimpletop, letderectop, letremovetop, letsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop, letmergetop, letremoveunusedtop, castsimpltop]
 
 -- | Returns the normalized version of the given function.
 getNormalized ::
@@ -497,15 +591,11 @@ normalizeExpr ::
   -> TranslatorSession CoreSyn.CoreExpr -- ^ The normalized expression
 
 normalizeExpr what expr = do
-      -- Introduce an empty Let at the top level, so there will always be
-      -- a let in the expression (none of the transformations will remove
-      -- the last let).
-      let expr' = Let (Rec []) expr
       -- Normalize this expression
-      trace ("Transforming " ++ what ++ "\nBefore:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr' ) ++ "\n") $ return ()
-      expr'' <- dotransforms transforms expr'
-      trace ("\nAfter:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr')) $ return ()
-      return expr''
+      trace (what ++ " before normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr ) ++ "\n") $ return ()
+      expr' <- dotransforms transforms expr
+      trace ("\n" ++ what ++ " after normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr')) $ return ()
+      return expr'
 
 -- | Get the value that is bound to the given binder at top level. Fails when
 --   there is no such binding.
@@ -517,3 +607,31 @@ getBinding bndr = Utils.makeCached bndr tsBindings $ do
   -- If the binding isn't in the "cache" (bindings map), then we can't create
   -- it out of thin air, so return an error.
   error $ "Normalize.getBinding: Unknown function requested: " ++ show bndr
+
+-- | Split a normalized expression into the argument binders, top level
+--   bindings and the result binder.
+splitNormalized ::
+  CoreExpr -- ^ The normalized expression
+  -> ([CoreBndr], [Binding], CoreBndr)
+splitNormalized expr = (args, binds, res)
+  where
+    (args, letexpr) = CoreSyn.collectBinders expr
+    (binds, resexpr) = flattenLets letexpr
+    res = case resexpr of 
+      (Var x) -> x
+      _ -> error $ "Normalize.splitNormalized: Not in normal form: " ++ pprString expr ++ "\n"
+
+-- | Flattens nested lets into a single list of bindings. The expression
+--   passed does not have to be a let expression, if it isn't an empty list of
+--   bindings is returned.
+flattenLets ::
+  CoreExpr -- ^ The expression to flatten.
+  -> ([Binding], CoreExpr) -- ^ The bindings and resulting expression.
+flattenLets (Let binds expr) = 
+  (bindings ++ bindings', expr')
+  where
+    -- Recursively flatten the contained expression
+    (bindings', expr') =flattenLets expr
+    -- Flatten our own bindings to remove the Rec / NonRec constructors
+    bindings = CoreSyn.flattenBinds [binds]
+flattenLets expr = ([], expr)