如何在GCC中添加Pass实现Structure Peeling并获取函数参数类型

需求概述 #

我需要在GCC中实现一个Pass来完成**Structure Peeling（结构体拆分）优化：通过将结构体拆分为热字段（频繁访问）和冷字段（极少访问）**的分离存储，提升缓存命中率，进而优化程序运行效率。该优化在SPEC-CPU2006的462.libquantum等测试用例中能带来显著性能提升，类似优化已在ICC中支持。

优化示例 #

原始代码（存在缓存低效问题）：

// origin 
struct node {
  float a;
  long b;
};


// in most functions, 'b' is visited and 'a' is not
void demo_func(struct node* nodes, int size) {
  // 'size' is a huge number here
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    nodes[i]->b += 13; // just for example
  }
}

优化后代码（拆分结构体，提升缓存效率）：

struct node {
  float* a;
  long* b;
};

void demo_func(struct node* nodes, int size) {
  // 'size' is a huge number here
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    nodes->b[i] += 13;
  }
}

当前困境 #

我已将Pass置于ipa-late-pass阶段，但因对GCC内部机制不熟悉推进困难。其中一个具体问题：如何在Pass中获取函数参数的具体结构体类型（如struct node），而非仅得到通用的RECORD_TYPE？相关代码片段如下：

unsigned int
pass_struct_split::execute (function *)
{
  struct cgraph_node *node;
  FOR_EACH_DEFINED_FUNCTION (node) {
    auto param = DECL_ARGUMENTS (node->decl);
    for (; param; param = DECL_CHAIN (param)) {
      // I want to get the specific type of the param, something like `struct node`
      // Is that possible? Or do I only get the `RECORD_TYPE` instead of the specific `struct node`?
      // I'm confused here.
    }
  }
}

具体问题解决方案：获取参数的具体结构体类型 #

你可以通过GCC的tree类型接口逐层解析参数类型，最终获取结构体的具体名称：

unsigned int
pass_struct_split::execute (function *)
{
  struct cgraph_node *node;
  FOR_EACH_DEFINED_FUNCTION (node) {
    auto param = DECL_ARGUMENTS (node->decl);
    for (; param; param = DECL_CHAIN (param)) {
      tree param_type = TREE_TYPE(param);
      // 解析指针类型：如果参数是结构体指针，先解引用得到结构体类型
      if (POINTER_TYPE_P(param_type)) {
        param_type = TREE_TYPE(param_type);
      }
      // 确认是结构体类型（RECORD_TYPE）
      if (TREE_CODE(param_type) == RECORD_TYPE) {
        tree type_decl = TYPE_NAME(param_type);
        if (type_decl && TREE_CODE(type_decl) == TYPE_DECL) {
          // 获取结构体的标识符节点
          tree struct_id = DECL_NAME(type_decl);
          if (struct_id) {
            // 转换为字符串，得到具体的结构体名称（如"struct node"）
            const char* struct_name = IDENTIFIER_POINTER(struct_id);
            // 后续可基于此名称做结构体的匹配与处理
          }
        }
      }
    }
  }
  return 0;
}

核心逻辑：先判断参数是否为指针类型，解引用后得到结构体的RECORD_TYPE，再通过TYPE_NAME和DECL_NAME获取结构体的具体标识符名称。

全面实现Structure Peeling Pass的技术建议 #

1. 确认Pass阶段的合理性 #

选择ipa-late-pass是合适的：

• 该阶段处于**过程间分析（IPA）**后期，能收集跨函数的结构体字段访问信息，更准确地判断热/冷字段
• 避免在早期Pass阶段做变换，此时IR尚未稳定，可能被后续优化破坏

2. 收集结构体字段的访问统计 #

要完成拆分，首先需要准确识别热/冷字段：

• 遍历所有函数的GIMPLE IR，通过gimple_stmt_iterator遍历每一条语句
• 使用get_ref_base_and_extent接口解析结构体字段的引用，识别出访问的具体字段
• 为每个结构体（RECORD_TYPE）维护统计信息：
  • 每个字段的总访问次数
  • 字段是否在循环中被批量访问（循环内的连续访问是缓存优化的关键场景）
  • 字段的访问者范围（是否被多个函数频繁访问）

3. 判定需要拆分的结构体 #

设定筛选规则，选择收益最大的结构体进行拆分：

• 热字段的总访问占比超过阈值（比如80%），且冷字段几乎不被访问
• 结构体本身较大（比如超过64字节，超过L1缓存行大小），拆分后能显著减少缓存无效加载
• 排除存在直接内存操作的结构体（比如使用memcpy直接复制整个结构体、指针强制转换访问内存的场景，这类场景拆分后易破坏语义）

4. 执行结构体拆分与代码变换 #

确定目标结构体后，完成IR层面的变换：

• 生成新结构体类型：创建包含热/冷字段指针的新RECORD_TYPE，替换原结构体类型
• 全局变量转换：如果存在全局的原结构体数组，拆分出两个独立的热/冷字段数组，将全局变量替换为新结构体类型，指针指向对应数组
• 函数参数与内部代码转换：
  • 将函数参数中的原结构体指针替换为新结构体指针
  • 遍历函数内的IR，将原字段访问（如nodes[i]->b）转换为新的数组访问（如nodes->b[i]）
• 调用点更新：遍历所有函数调用点，更新传递的参数，确保与新结构体类型匹配

5. 处理边缘场景 #

• 动态内存分配：将malloc(sizeof(struct node) * size)替换为分配两个数组（热字段数组和冷字段数组），并构造新结构体数组指向这两个数组
• 兼容性处理：对无法自动转换的场景（如外部函数调用、汇编代码访问），可选择跳过该结构体的拆分，或添加适配层

6. 调试与验证 #

• 使用-fdump-tree-all选项生成IR dump文件，检查Pass执行后的IR是否符合预期
• 在SPEC-CPU2006等测试用例上编译运行，对比优化前后的性能指标（运行时间、缓存命中率）
• 验证程序功能正确性，避免因结构体拆分导致的语义错误

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Dbettkk