if-then-else、loop控制语句的后端实现
本文是通过代码而来，主要记录了在SIMD指令集上，编译器后端对控制语句（if-then-else、loop）的指令生成方法。
引言：
if-then-else语句
进入到if-then-else语句块，转换为branch指令时，因为使用的是SIMD指令，所以各个channel的跳转控制流程可能会出现分歧。
在此我们先假设condition等于true，执行if-then语句块；condition等于false，执行else语句。
当各个channel的condition相同时，各个channel不会出现分歧，各个channel的跳转地址（代码块）也是相同的，这种情况下，当condition等于true时，所有channel执行if-then语句块，反之，condition等于false，所以channel执行else语句。
当各个channel的condition条件不一样，那么各个channel就会出现分歧，if、else两个语句块都需要被按条件被执行一次。对于condition等于1的channel，需要执行if-then语句块，而不能执行else语句；对于condition等于false的channel，要执行else语句，而不能执行if-then语句块。
最后，进入到汇合点后，所有的channel又可以并行的执行相同的指令了。
如何处理上述的两种情况呢？
首先这需要机器指令级别上的支持，不同的处理器有不同的实现。
来看看VC4提供的指令方案：
1.每个channel有独立的标志位，比如，N、Z、C
2.运算指令的执行结果能设置每个channel的标志位
3.指令支持条件执行
4.branch指令支持跳转条件，且支持各个channel标志位间的逻辑运算
具体来看.
伪代码：
sf: set flag
zs: zero set
zc: zero clear
01: mov execute, 0
02: OR.sf tmp0, condition, 0
03: mov.zs execute, @else_block
04: mov.sf null, execute
05: Branch.all_zero_clear @else_block
06: then_block:
07: …
08: mov.sf null, execute
09: mov.zs execute, @after_block
10: sub.sf tmp1, execute, @after_block
11: branch.all_zero_set @after_block
12: end_then:
13: else_block:
14: sub.sf tmp2, execute, @else_block
15: mov.zs execute, 0
16: …
17: end_else:
18: after_block:
伪代码中condition表示if的条件“if(condition)”，而execute实时记录了各个channel的执行条件。
当各个channel的condition相等时，这种情况相对简单些，各个channel执行的流程是相同的，要么执行if-then语句块，那么执行else语句。
当各个channels的condition值不相等时，“if-then”“else”两个语句块，均要被执行一次，但是，不是每个channel都要执行，只有在进入到语句块中execute等于零的channel才能执行其中的指令，而非零值的channel不能执行语句块中的指令（非零值是等于else语句块的index号，指向执行完当前语句块后，接下来要进入执行的语句块）。具体来看，执行流程首先（PC指针）进入到“if”基本块中，对于execute值等于0的channel会执行基本块中的指令，非0的要跳过基本块中的所有指令。在if-then语句块执行后，执行过“if”语句的channel，就不能再执行else语句的指令，所以在if-then语句块结束后需要对execute更新，在执行if-then语句块时execute等于0的channel，需要把execute更新为after block index，即执行完else基本块后的基本块的index号，非0的channel的execute需要更新为0，表明在接下来的else基本块中需要执行指令，所以在执行流程（PC指针）进入else基本块中后，同样的execute等于零的channel才会执行指令，非零不执行.
进入某个语句块前，需要对execute进行测试，进入某个语句块前execute保存了各个channel的将要执行的语句块的地址。
对满足if语句块的channel的退出if语句块时，需要将execute更新为下一个执行的语句块地址，即@after_block。
回到伪代码：
当我们开始处理if-then-else语句时，我们先判断执行条件，以取得下一句指令的入口，这时可能出现3种情况：
1.所有channel的condition等于0，则跳转到else_block
2.所有channel的condition不等于0，则执行if_block，并且在if_block执行完毕后，要跳过else_block。
3.各个channel的condition不全为零，按标志位，先执行if_block，再执行else_block。
1.将execute初始化为0，execute保存了各个channel的执行条件，在进入if-then语句块后，对execute等于0的channel，要执行if-then语句块中的指令，在进入else语句后，这些channel就不能再执行其中的else语句中的指令了。对不执行if-then语句块的channel，对应的execute值等于@else_block。
2.将condition与0做比较，并且运算结果会设置各个channel的标志位，如果condition等于0，会将对应channel的 Z标志位设置为0，否则设置为1。
3.语句3中，mov会利用语句2中对Z标志位的设置结果，更新各个channel的execute值。如果Z标志位等于0，则将@else_block的地址跟新到execute中。
4.语句4，根据execute的值，更新Z标志位
5.语句5根据以上4句的运算结果，如果全部channel的execute都不等于0，则跳转到@else_block地址。
具体的说，如果全部channel的condition等于0，那么所有channel的execute都等于@else_block，所以语句4的执行后，所有channel的Z标志位都不为零，语句5满足跳转条件，跳转到@else_block；
如果全部channel的condition都等于1，那么所有channel的execute等于0，所以语句4的执行后，所有channel的Z标志位都为零，语句5的跳转条件不满足，进入@then_block；
如果各个channel的condition不全相等，那么，对于condition等于0的channel的execute值就等于@else_block；而对于1的channel，execute的值等于0，所以语句4的执行后，所有channel的Z标志位不全为零，语句5的跳转条件不满足，进入@then_block。
6.从语句6开始是if-then语句块。一旦能进入if-then语句块中，就需要依据各个channel的execute值，来判断指令能否被执行。所以每条指令执行前都要用execute更新一次Z标志位（暂不考虑优化），且每条指令都要加上条件执行码，例如：
Mov.sf null, execute
Add.zs tmp4, tmp3, tmp2
Mov.sf null, execute
Sub.zs tmp5, tmp3, tmp1
如前文所述，对于execute等于0的channel，执行“Mov.sf null, execute”后，Z标志位置位，接下来的“Add.zs tmp4, tmp3, tmp2”就能被执行。
7.在if-then语句块执行完毕后，离开if-then语句块前，需要判断执行流程的下一个入口。如5中所述，能进入到if-then语句块中有两种情况，分别对应不同的出口。
- 如果是全部channel的condition等于1，这种情况下我们接下来不需要执行else语句了。因为各个channel的execute均等于0，所以语句8执行后会把每个channel的Z标志位置位，紧接着语句9，也就把每个channel的execute值都更新为@after_block，在语句10测试跳转条件，与@after_block相减，结果为0，所以各个channel的Z标志位被置位，语句11的跳转条件是全部Z标志位置位，此时条件满足，即跳转到after_block，也就结束了if-then-else语句的处理。
-
如果不是全部channel的condition都等于1，接下来我们需要进入到else语句，执行非零的channel。语句8会把execute等于0的channel的Z标志位置位，语句9把Z标志位置位的channel的execute更新为@after_blcok，其余保存不变，语句10做条件测试的结果，不能满足语句11的跳转条件。接下进入else语句，并且这时各个channel的execute的值等于@else_blcok或@after_block。
8.能进入到else语句，也有两种情况，并且else语句中的指令也需要做if-then语句块中相同的处理，依据execute更新Z标准位，每条执行要交条件执行码。
在执行else语句中的指令前，我们需要更新execute的值。只有在进入else语句前execute值等于@else_block的channel才能执行else语句中的指令。所以语句14先对execute做测试，与@else_block相减，对于execute等于@else_block的channel的N标志位会被置位，语句15据此更新execute的值，Z标志位被置位的channel的execute被更新为0。这样就能满足我们前提到的，只有当execute等于0的channel才会执行指令。
当else语句执行完毕后，我们就退出了if-then-else语句的处理流程。
LOOP
在SIMD指令下的loop语句块实现，与if-then-else语句块的实现方法类似。同样的，在loop中也会因为各个channel的情况不同，可能会产生控制流程分歧。当控制流存在分歧时，同样要依据各个channel的控制条件决定是否执行对应的指令，处理完分歧后，每个channel再汇合到一起。
这里考虑一种一般的情况，示例代码如下：
Loop {
if (…) {
…
Break;
}
… …
if (…) {
…
Continue;
}
… …
}
如果没有遇到break、continue语句loop会一直循环下去。而break中断并结束循环，continue中断本次循环，继续下一次循环（与C语言的类似）。
从上面的示例代码可以看出，loop中会产生分歧主要是源自于其中的if-then-else语句。当各个channel在执行if-then-else语句出现分歧后，在执行loop中语句就channel的执行情况就不一样了。
例如，当两个channel出现执行if语句出现分歧，A满足if语句块执行条件，B不满足，在if语句块中有break语句，if语句按前文所述的if-then-else语句处理分歧，A执行，B不执行，执行完毕if语句块后，A不再执行loop中的指令，B继续执行loop中的语句，直到满足推出loop的条件，最终与A汇合。
具体的实现与if-then-else语句类似，使用一个变量execute来记录执行条件，当channel的execute等于0时表示，该channel需要执行当前指令；对于不需要执行当前指令的channel，execute的值等于下一个需要执行的语句块的入口地址。
伪代码：
LOOP
01: mov execute, 0
02: loop:
03: sub.sf tmp0, execute, @loop_block
04: mov.zs execute, 0
05: …
/* inside an if block */
06: mov.sf null, execute
07: mov.zs execute, jump_block /* jump_block = @loop_block or @break_block */
08: sub.sf null, execute, jump_block
09: branch.all_zero_set jump_block
10: ...
11: mov.sf null, execute
12: sub.zc.sf null, execute, @loop_block
13: branch.any_zero_set @loop_block
14: loop_end:
15: break_block:
1）
进入loop语句，首先对各个channel的execute进行测试，等于0的channel可以执行loop语句块中的指令。
同样loop语句块中的指令依然需要通过在每条语句执行前添加“mov.sf null, execute”来设置Z标志位（赞不考虑优化），每条指令添加条件执行码。
语句1，对execute初始化。
语句3，对execute测试，在进入loop前如果execute等于@loop_block，表示该channel会遭loop中执行，Z标志位被置位，然后语句4将对应channel的execute更新为0，反之，保存execute原值不变（初次进入时execute保持为0值）。
这样loop中的指令语句就能根据execute的值，判断是否被执行。
2）
当遇到if语句时，if语句的处理与前文所述的不变，只是在进入if-then-else语句块前不再将各个channel的execute初始化为0。
3）
当if语句中存在break指令时，并能执行break指令，对于满足if语句块执行条件的channel，将在break执行完毕后，结束loop语句块的执行，这些channel的下一个执行语句块是@break_loop（即退出loop语句块的指令语句地址）。而不满足if语句块执行条件的channel将继续执行loop中的指令语句。
语句6、7首先完成对break的channel的execute进行更新，这些channel下一个要执行的语句块地址为@break_loop，这样在接下来的循环体中，如果没有发生共同跳转，那么剩下的loop语句块中的条件执行指令，均不能满足执行条件。
语句8、9是为应对当所有channel均执行了break指令的情况，这时所有channel同时结束loop语句块的执行。具体来看，首先对更新后的execute进行测试，语句8与jump_block（break_block）相减，其结果会影响Z标准位，如果所有channel均置位了Z标志位，语句9的跳转条件满足，所有channel将共同跳转到break_block（break_block），也就跳出了loop语句块。
break指令是loop的唯一出口，所以各个channel一定会从某个break语句结束循环（死循环除外）。
4）
当if语句中存在continue指令时，并且continue指令能被执行，对于满足if语句块执行条件的channel，在执行完continue指令后，中断本次循环的执行，重新跳转到loop的开始处@loop_block，继续执行下一次的循环。
与break的情况类似，同样可以通过伪代码的语句6-8来处理continue指令，语句6置位测试条件，语句7根据测试结果设置新的跳转地址 @loop_block，语句8、9同样会判断是否所有channel的执行情况相同，相同时时直接开始下一次循环。
当各个channel的情况不一样时，还会接着loop语句块往下执行，同样的执行了continue的channel的execute已被更新，且不为0，loop语句块中剩余的代码也不会被这些channel执行了。
在完成一次loop语句块中代码的执行后，后开始新的一次循环前（如1中所述），均要做条件测试。
执行完一次loop后，语句11根据execute当前的值对Z标志位进行更新，语句12是条件执行指令，并且满足执行条件的channel会更新Z标志位，而不满足语句12执行条件的channel的Z标志位保存会不变（处于Z标志位置位状态）。
满足Z标志位未被置位的channel，会将execute与@loop_block相减，并更新Z标志位，对于执行过continue的channel，Z标志位会被置位，语句13，branch的跳转条件是任意channel为Z标志位被置位，就会回到loop的开头处@loop_block，继而进行下一循环.
这里能满足语句13跳转条件的channel，来至两种情况，一种是在循环体中未执行过break和continue指令的channel，execute一直保持为0，在语句11中置位Z标志位，且语句12不会清除Z标志位；另一种是执行了continue指令的channel。
所以在执行下一次循环前，各个channel的execute的值可能是0或@loop_block，且一定有某个channel的值为其中之一。
重新开始循环后，会先按上述1中的方式更新execute，然后就是再一次的循环体代码执行了。
总结一下：
1.控制语句块中，执行每条代码前必须做条件测试（不考虑优化），每条代码必须按条件执行。
2.进入控制语句块前需做语句块执行条件测试
3.退出控制语句前，需要更新各个channel的跳转地址
参考资料：
mesa：src/gallium/drivers/vc4/vc4_program.c
https://people.freedesktop.org/~cwabbott0/nir-docs/intro.html
