[memprof] Upgrade a unit test to MemProf Version 3 (#117063)
[llvm-project.git] / mlir / docs / BufferDeallocationInternals.md
blob00830ba9d2dc2e3185f48f9df9527636a86645e8
1 # Buffer Deallocation - Internals
3 **Note:** This pass is deprecated. Please use the ownership-based buffer
4 deallocation pass instead.
6 This section covers the internal functionality of the BufferDeallocation
7 transformation. The transformation consists of several passes. The main pass
8 called BufferDeallocation can be applied via “-buffer-deallocation” on MLIR
9 programs.
11 [TOC]
13 ## Requirements
15 In order to use BufferDeallocation on an arbitrary dialect, several control-flow
16 interfaces have to be implemented when using custom operations. This is
17 particularly important to understand the implicit control-flow dependencies
18 between different parts of the input program. Without implementing the following
19 interfaces, control-flow relations cannot be discovered properly and the
20 resulting program can become invalid:
22 *   Branch-like terminators should implement the `BranchOpInterface` to query
23     and manipulate associated operands.
24 *   Operations involving structured control flow have to implement the
25     `RegionBranchOpInterface` to model inter-region control flow.
26 *   Terminators yielding values to their parent operation (in particular in the
27     scope of nested regions within `RegionBranchOpInterface`-based operations),
28     should implement the `ReturnLike` trait to represent logical “value
29     returns”.
31 Example dialects that are fully compatible are the “std” and “scf” dialects with
32 respect to all implemented interfaces.
34 During Bufferization, we convert immutable value types (tensors) to mutable
35 types (memref). This conversion is done in several steps and in all of these
36 steps the IR has to fulfill SSA like properties. The usage of memref has to be
37 in the following consecutive order: allocation, write-buffer, read- buffer. In
38 this case, there are only buffer reads allowed after the initial full buffer
39 write is done. In particular, there must be no partial write to a buffer after
40 the initial write has been finished. However, partial writes in the initializing
41 is allowed (fill buffer step by step in a loop e.g.). This means, all buffer
42 writes needs to dominate all buffer reads.
44 Example for breaking the invariant:
46 ```mlir
47 func.func @condBranch(%arg0: i1, %arg1: memref<2xf32>) {
48   %0 = memref.alloc() : memref<2xf32>
49   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2
50 ^bb1:
51   cf.br ^bb3()
52 ^bb2:
53   partial_write(%0, %0)
54   cf.br ^bb3()
55 ^bb3():
56   test.copy(%0, %arg1) : (memref<2xf32>, memref<2xf32>) -> ()
57   return
59 ```
61 The maintenance of the SSA like properties is only needed in the bufferization
62 process. Afterwards, for example in optimization processes, the property is no
63 longer needed.
65 ## Detection of Buffer Allocations
67 The first step of the BufferDeallocation transformation is to identify
68 manageable allocation operations that implement the `SideEffects` interface.
69 Furthermore, these ops need to apply the effect `MemoryEffects::Allocate` to a
70 particular result value while not using the resource
71 `SideEffects::AutomaticAllocationScopeResource` (since it is currently reserved
72 for allocations, like `Alloca` that will be automatically deallocated by a
73 parent scope). Allocations that have not been detected in this phase will not be
74 tracked internally, and thus, not deallocated automatically. However,
75 BufferDeallocation is fully compatible with “hybrid” setups in which tracked and
76 untracked allocations are mixed:
78 ```mlir
79 func.func @mixedAllocation(%arg0: i1) {
80    %0 = memref.alloca() : memref<2xf32>  // aliases: %2
81    %1 = memref.alloc() : memref<2xf32>  // aliases: %2
82    cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2
83 ^bb1:
84   use(%0)
85   cf.br ^bb3(%0 : memref<2xf32>)
86 ^bb2:
87   use(%1)
88   cf.br ^bb3(%1 : memref<2xf32>)
89 ^bb3(%2: memref<2xf32>):
90   ...
92 ```
94 Example of using a conditional branch with alloc and alloca. BufferDeallocation
95 can detect and handle the different allocation types that might be intermixed.
97 Note: the current version does not support allocation operations returning
98 multiple result buffers.
100 ## Conversion from AllocOp to AllocaOp
102 The PromoteBuffersToStack-pass converts AllocOps to AllocaOps, if possible. In
103 some cases, it can be useful to use such stack-based buffers instead of
104 heap-based buffers. The conversion is restricted to several constraints like:
106 *   Control flow
107 *   Buffer Size
108 *   Dynamic Size
110 If a buffer is leaving a block, we are not allowed to convert it into an alloca.
111 If the size of the buffer is large, we could convert it, but regarding stack
112 overflow, it makes sense to limit the size of these buffers and only convert
113 small ones. The size can be set via a pass option. The current default value is
114 1KB. Furthermore, we can not convert buffers with dynamic size, since the
115 dimension is not known a priori.
117 ## Movement and Placement of Allocations
119 Using the buffer hoisting pass, all buffer allocations are moved as far upwards
120 as possible in order to group them and make upcoming optimizations easier by
121 limiting the search space. Such a movement is shown in the following graphs. In
122 addition, we are able to statically free an alloc, if we move it into a
123 dominator of all of its uses. This simplifies further optimizations (e.g. buffer
124 fusion) in the future. However, movement of allocations is limited by external
125 data dependencies (in particular in the case of allocations of dynamically
126 shaped types). Furthermore, allocations can be moved out of nested regions, if
127 necessary. In order to move allocations to valid locations with respect to their
128 uses only, we leverage Liveness information.
130 The following code snippets shows a conditional branch before running the
131 BufferHoisting pass:
133 ![branch_example_pre_move](/includes/img/branch_example_pre_move.svg)
135 ```mlir
136 func.func @condBranch(%arg0: i1, %arg1: memref<2xf32>, %arg2: memref<2xf32>) {
137   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2
138 ^bb1:
139   cf.br ^bb3(%arg1 : memref<2xf32>)
140 ^bb2:
141   %0 = memref.alloc() : memref<2xf32>  // aliases: %1
142   use(%0)
143   cf.br ^bb3(%0 : memref<2xf32>)
144 ^bb3(%1: memref<2xf32>):  // %1 could be %0 or %arg1
145   test.copy(%1, %arg2) : (memref<2xf32>, memref<2xf32>) -> ()
146   return
150 Applying the BufferHoisting pass on this program results in the following piece
151 of code:
153 ![branch_example_post_move](/includes/img/branch_example_post_move.svg)
155 ```mlir
156 func.func @condBranch(%arg0: i1, %arg1: memref<2xf32>, %arg2: memref<2xf32>) {
157   %0 = memref.alloc() : memref<2xf32>  // moved to bb0
158   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2
159 ^bb1:
160   cf.br ^bb3(%arg1 : memref<2xf32>)
161 ^bb2:
162    use(%0)
163    cf.br ^bb3(%0 : memref<2xf32>)
164 ^bb3(%1: memref<2xf32>):
165   test.copy(%1, %arg2) : (memref<2xf32>, memref<2xf32>) -> ()
166   return
170 The alloc is moved from bb2 to the beginning and it is passed as an argument to
171 bb3.
173 The following example demonstrates an allocation using dynamically shaped types.
174 Due to the data dependency of the allocation to %0, we cannot move the
175 allocation out of bb2 in this case:
177 ```mlir
178 func.func @condBranchDynamicType(
179   %arg0: i1,
180   %arg1: memref<?xf32>,
181   %arg2: memref<?xf32>,
182   %arg3: index) {
183   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2(%arg3: index)
184 ^bb1:
185   cf.br ^bb3(%arg1 : memref<?xf32>)
186 ^bb2(%0: index):
187   %1 = memref.alloc(%0) : memref<?xf32>   // cannot be moved upwards to the data
188                                    // dependency to %0
189   use(%1)
190   cf.br ^bb3(%1 : memref<?xf32>)
191 ^bb3(%2: memref<?xf32>):
192   test.copy(%2, %arg2) : (memref<?xf32>, memref<?xf32>) -> ()
193   return
197 ## Introduction of Clones
199 In order to guarantee that all allocated buffers are freed properly, we have to
200 pay attention to the control flow and all potential aliases a buffer allocation
201 can have. Since not all allocations can be safely freed with respect to their
202 aliases (see the following code snippet), it is often required to introduce
203 copies to eliminate them. Consider the following example in which the
204 allocations have already been placed:
206 ```mlir
207 func.func @branch(%arg0: i1) {
208   %0 = memref.alloc() : memref<2xf32>  // aliases: %2
209   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2
210 ^bb1:
211   %1 = memref.alloc() : memref<2xf32>  // resides here for demonstration purposes
212                                 // aliases: %2
213   cf.br ^bb3(%1 : memref<2xf32>)
214 ^bb2:
215   use(%0)
216   cf.br ^bb3(%0 : memref<2xf32>)
217 ^bb3(%2: memref<2xf32>):
218   …
219   return
223 The first alloc can be safely freed after the live range of its post-dominator
224 block (bb3). The alloc in bb1 has an alias %2 in bb3 that also keeps this buffer
225 alive until the end of bb3. Since we cannot determine the actual branches that
226 will be taken at runtime, we have to ensure that all buffers are freed correctly
227 in bb3 regardless of the branches we will take to reach the exit block. This
228 makes it necessary to introduce a copy for %2, which allows us to free %alloc0
229 in bb0 and %alloc1 in bb1. Afterwards, we can continue processing all aliases of
230 %2 (none in this case) and we can safely free %2 at the end of the sample
231 program. This sample demonstrates that not all allocations can be safely freed
232 in their associated post-dominator blocks. Instead, we have to pay attention to
233 all of their aliases.
235 Applying the BufferDeallocation pass to the program above yields the following
236 result:
238 ```mlir
239 func.func @branch(%arg0: i1) {
240   %0 = memref.alloc() : memref<2xf32>
241   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2
242 ^bb1:
243   %1 = memref.alloc() : memref<2xf32>
244   %3 = bufferization.clone %1 : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
245   memref.dealloc %1 : memref<2xf32> // %1 can be safely freed here
246   cf.br ^bb3(%3 : memref<2xf32>)
247 ^bb2:
248   use(%0)
249   %4 = bufferization.clone %0 : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
250   cf.br ^bb3(%4 : memref<2xf32>)
251 ^bb3(%2: memref<2xf32>):
252   …
253   memref.dealloc %2 : memref<2xf32> // free temp buffer %2
254   memref.dealloc %0 : memref<2xf32> // %0 can be safely freed here
255   return
259 Note that a temporary buffer for %2 was introduced to free all allocations
260 properly. Note further that the unnecessary allocation of %3 can be easily
261 removed using one of the post-pass transformations or the canonicalization pass.
263 The presented example also works with dynamically shaped types.
265 BufferDeallocation performs a fix-point iteration taking all aliases of all
266 tracked allocations into account. We initialize the general iteration process
267 using all tracked allocations and their associated aliases. As soon as we
268 encounter an alias that is not properly dominated by our allocation, we mark
269 this alias as *critical* (needs to be freed and tracked by the internal
270 fix-point iteration). The following sample demonstrates the presence of critical
271 and non-critical aliases:
273 ![nested_branch_example_pre_move](/includes/img/nested_branch_example_pre_move.svg)
275 ```mlir
276 func.func @condBranchDynamicTypeNested(
277   %arg0: i1,
278   %arg1: memref<?xf32>,  // aliases: %3, %4
279   %arg2: memref<?xf32>,
280   %arg3: index) {
281   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2(%arg3: index)
282 ^bb1:
283   cf.br ^bb6(%arg1 : memref<?xf32>)
284 ^bb2(%0: index):
285   %1 = memref.alloc(%0) : memref<?xf32>   // cannot be moved upwards due to the data
286                                    // dependency to %0
287                                    // aliases: %2, %3, %4
288   use(%1)
289   cf.cond_br %arg0, ^bb3, ^bb4
290 ^bb3:
291   cf.br ^bb5(%1 : memref<?xf32>)
292 ^bb4:
293   cf.br ^bb5(%1 : memref<?xf32>)
294 ^bb5(%2: memref<?xf32>):  // non-crit. alias of %1, since %1 dominates %2
295   cf.br ^bb6(%2 : memref<?xf32>)
296 ^bb6(%3: memref<?xf32>):  // crit. alias of %arg1 and %2 (in other words %1)
297   cf.br ^bb7(%3 : memref<?xf32>)
298 ^bb7(%4: memref<?xf32>):  // non-crit. alias of %3, since %3 dominates %4
299   test.copy(%4, %arg2) : (memref<?xf32>, memref<?xf32>) -> ()
300   return
304 Applying BufferDeallocation yields the following output:
306 ![nested_branch_example_post_move](/includes/img/nested_branch_example_post_move.svg)
308 ```mlir
309 func.func @condBranchDynamicTypeNested(
310   %arg0: i1,
311   %arg1: memref<?xf32>,
312   %arg2: memref<?xf32>,
313   %arg3: index) {
314   cf.cond_br %arg0, ^bb1, ^bb2(%arg3 : index)
315 ^bb1:
316   // temp buffer required due to alias %3
317   %5 = bufferization.clone %arg1 : (memref<?xf32>) -> (memref<?xf32>)
318   cf.br ^bb6(%5 : memref<?xf32>)
319 ^bb2(%0: index):
320   %1 = memref.alloc(%0) : memref<?xf32>
321   use(%1)
322   cf.cond_br %arg0, ^bb3, ^bb4
323 ^bb3:
324   cf.br ^bb5(%1 : memref<?xf32>)
325 ^bb4:
326   cf.br ^bb5(%1 : memref<?xf32>)
327 ^bb5(%2: memref<?xf32>):
328   %6 = bufferization.clone %1 : (memref<?xf32>) -> (memref<?xf32>)
329   memref.dealloc %1 : memref<?xf32>
330   cf.br ^bb6(%6 : memref<?xf32>)
331 ^bb6(%3: memref<?xf32>):
332   cf.br ^bb7(%3 : memref<?xf32>)
333 ^bb7(%4: memref<?xf32>):
334   test.copy(%4, %arg2) : (memref<?xf32>, memref<?xf32>) -> ()
335   memref.dealloc %3 : memref<?xf32>  // free %3, since %4 is a non-crit. alias of %3
336   return
340 Since %3 is a critical alias, BufferDeallocation introduces an additional
341 temporary copy in all predecessor blocks. %3 has an additional (non-critical)
342 alias %4 that extends the live range until the end of bb7. Therefore, we can
343 free %3 after its last use, while taking all aliases into account. Note that %4
344 does not need to be freed, since we did not introduce a copy for it.
346 The actual introduction of buffer copies is done after the fix-point iteration
347 has been terminated and all critical aliases have been detected. A critical
348 alias can be either a block argument or another value that is returned by an
349 operation. Copies for block arguments are handled by analyzing all predecessor
350 blocks. This is primarily done by querying the `BranchOpInterface` of the
351 associated branch terminators that can jump to the current block. Consider the
352 following example which involves a simple branch and the critical block argument
355 ```mlir
356   custom.br ^bb1(..., %0, : ...)
357   ...
358   custom.br ^bb1(..., %1, : ...)
359   ...
360 ^bb1(%2: memref<2xf32>):
361   ...
364 The `BranchOpInterface` allows us to determine the actual values that will be
365 passed to block bb1 and its argument %2 by analyzing its predecessor blocks.
366 Once we have resolved the values %0 and %1 (that are associated with %2 in this
367 sample), we can introduce a temporary buffer and clone its contents into the new
368 buffer. Afterwards, we rewire the branch operands to use the newly allocated
369 buffer instead. However, blocks can have implicitly defined predecessors by
370 parent ops that implement the `RegionBranchOpInterface`. This can be the case if
371 this block argument belongs to the entry block of a region. In this setting, we
372 have to identify all predecessor regions defined by the parent operation. For
373 every region, we need to get all terminator operations implementing the
374 `ReturnLike` trait, indicating that they can branch to our current block.
375 Finally, we can use a similar functionality as described above to add the
376 temporary copy. This time, we can modify the terminator operands directly
377 without touching a high-level interface.
379 Consider the following inner-region control-flow sample that uses an imaginary
380 “custom.region_if” operation. It either executes the “then” or “else” region and
381 always continues to the “join” region. The “custom.region_if_yield” operation
382 returns a result to the parent operation. This sample demonstrates the use of
383 the `RegionBranchOpInterface` to determine predecessors in order to infer the
384 high-level control flow:
386 ```mlir
387 func.func @inner_region_control_flow(
388   %arg0 : index,
389   %arg1 : index) -> memref<?x?xf32> {
390   %0 = memref.alloc(%arg0, %arg0) : memref<?x?xf32>
391   %1 = custom.region_if %0 : memref<?x?xf32> -> (memref<?x?xf32>)
392    then(%arg2 : memref<?x?xf32>) {  // aliases: %arg4, %1
393     custom.region_if_yield %arg2 : memref<?x?xf32>
394    } else(%arg3 : memref<?x?xf32>) {  // aliases: %arg4, %1
395     custom.region_if_yield %arg3 : memref<?x?xf32>
396    } join(%arg4 : memref<?x?xf32>) {  // aliases: %1
397     custom.region_if_yield %arg4 : memref<?x?xf32>
398    }
399   return %1 : memref<?x?xf32>
403 ![region_branch_example_pre_move](/includes/img/region_branch_example_pre_move.svg)
405 Non-block arguments (other values) can become aliases when they are returned by
406 dialect-specific operations. BufferDeallocation supports this behavior via the
407 `RegionBranchOpInterface`. Consider the following example that uses an “scf.if”
408 operation to determine the value of %2 at runtime which creates an alias:
410 ```mlir
411 func.func @nested_region_control_flow(%arg0 : index, %arg1 : index) -> memref<?x?xf32> {
412   %0 = arith.cmpi "eq", %arg0, %arg1 : index
413   %1 = memref.alloc(%arg0, %arg0) : memref<?x?xf32>
414   %2 = scf.if %0 -> (memref<?x?xf32>) {
415     scf.yield %1 : memref<?x?xf32>   // %2 will be an alias of %1
416   } else {
417     %3 = memref.alloc(%arg0, %arg1) : memref<?x?xf32>  // nested allocation in a div.
418                                                 // branch
419     use(%3)
420     scf.yield %1 : memref<?x?xf32>   // %2 will be an alias of %1
421   }
422   return %2 : memref<?x?xf32>
426 In this example, a dealloc is inserted to release the buffer within the else
427 block since it cannot be accessed by the remainder of the program. Accessing the
428 `RegionBranchOpInterface`, allows us to infer that %2 is a non-critical alias of
429 %1 which does not need to be tracked.
431 ```mlir
432 func.func @nested_region_control_flow(%arg0: index, %arg1: index) -> memref<?x?xf32> {
433     %0 = arith.cmpi "eq", %arg0, %arg1 : index
434     %1 = memref.alloc(%arg0, %arg0) : memref<?x?xf32>
435     %2 = scf.if %0 -> (memref<?x?xf32>) {
436       scf.yield %1 : memref<?x?xf32>
437     } else {
438       %3 = memref.alloc(%arg0, %arg1) : memref<?x?xf32>
439       use(%3)
440       memref.dealloc %3 : memref<?x?xf32>  // %3 can be safely freed here
441       scf.yield %1 : memref<?x?xf32>
442     }
443     return %2 : memref<?x?xf32>
447 Analogous to the previous case, we have to detect all terminator operations in
448 all attached regions of “scf.if” that provides a value to its parent operation
449 (in this sample via scf.yield). Querying the `RegionBranchOpInterface` allows us
450 to determine the regions that “return” a result to their parent operation. Like
451 before, we have to update all `ReturnLike` terminators as described above.
452 Reconsider a slightly adapted version of the “custom.region_if” example from
453 above that uses a nested allocation:
455 ```mlir
456 func.func @inner_region_control_flow_div(
457   %arg0 : index,
458   %arg1 : index) -> memref<?x?xf32> {
459   %0 = memref.alloc(%arg0, %arg0) : memref<?x?xf32>
460   %1 = custom.region_if %0 : memref<?x?xf32> -> (memref<?x?xf32>)
461    then(%arg2 : memref<?x?xf32>) {  // aliases: %arg4, %1
462     custom.region_if_yield %arg2 : memref<?x?xf32>
463    } else(%arg3 : memref<?x?xf32>) {
464     %2 = memref.alloc(%arg0, %arg1) : memref<?x?xf32>  // aliases: %arg4, %1
465     custom.region_if_yield %2 : memref<?x?xf32>
466    } join(%arg4 : memref<?x?xf32>) {  // aliases: %1
467     custom.region_if_yield %arg4 : memref<?x?xf32>
468    }
469   return %1 : memref<?x?xf32>
473 Since the allocation %2 happens in a divergent branch and cannot be safely
474 deallocated in a post-dominator, %arg4 will be considered a critical alias.
475 Furthermore, %arg4 is returned to its parent operation and has an alias %1. This
476 causes BufferDeallocation to introduce additional copies:
478 ```mlir
479 func.func @inner_region_control_flow_div(
480   %arg0 : index,
481   %arg1 : index) -> memref<?x?xf32> {
482   %0 = memref.alloc(%arg0, %arg0) : memref<?x?xf32>
483   %1 = custom.region_if %0 : memref<?x?xf32> -> (memref<?x?xf32>)
484    then(%arg2 : memref<?x?xf32>) {
485     %4 = bufferization.clone %arg2 : (memref<?x?xf32>) -> (memref<?x?xf32>)
486     custom.region_if_yield %4 : memref<?x?xf32>
487    } else(%arg3 : memref<?x?xf32>) {
488     %2 = memref.alloc(%arg0, %arg1) : memref<?x?xf32>
489     %5 = bufferization.clone %2 : (memref<?x?xf32>) -> (memref<?x?xf32>)
490     memref.dealloc %2 : memref<?x?xf32>
491     custom.region_if_yield %5 : memref<?x?xf32>
492    } join(%arg4: memref<?x?xf32>) {
493     %4 = bufferization.clone %arg4 : (memref<?x?xf32>) -> (memref<?x?xf32>)
494     memref.dealloc %arg4 : memref<?x?xf32>
495     custom.region_if_yield %4 : memref<?x?xf32>
496    }
497   memref.dealloc %0 : memref<?x?xf32>  // %0 can be safely freed here
498   return %1 : memref<?x?xf32>
502 ## Placement of Deallocs
504 After introducing allocs and copies, deallocs have to be placed to free
505 allocated memory and avoid memory leaks. The deallocation needs to take place
506 after the last use of the given value. The position can be determined by
507 calculating the common post-dominator of all values using their remaining
508 non-critical aliases. A special-case is the presence of back edges: since such
509 edges can cause memory leaks when a newly allocated buffer flows back to another
510 part of the program. In these cases, we need to free the associated buffer
511 instances from the previous iteration by inserting additional deallocs.
513 Consider the following “scf.for” use case containing a nested structured
514 control-flow if:
516 ```mlir
517 func.func @loop_nested_if(
518   %lb: index,
519   %ub: index,
520   %step: index,
521   %buf: memref<2xf32>,
522   %res: memref<2xf32>) {
523   %0 = scf.for %i = %lb to %ub step %step
524     iter_args(%iterBuf = %buf) -> memref<2xf32> {
525     %1 = arith.cmpi "eq", %i, %ub : index
526     %2 = scf.if %1 -> (memref<2xf32>) {
527       %3 = memref.alloc() : memref<2xf32>  // makes %2 a critical alias due to a
528                                     // divergent allocation
529       use(%3)
530       scf.yield %3 : memref<2xf32>
531     } else {
532       scf.yield %iterBuf : memref<2xf32>
533     }
534     scf.yield %2 : memref<2xf32>
535   }
536   test.copy(%0, %res) : (memref<2xf32>, memref<2xf32>) -> ()
537   return
541 In this example, the *then* branch of the nested “scf.if” operation returns a
542 newly allocated buffer.
544 Since this allocation happens in the scope of a divergent branch, %2 becomes a
545 critical alias that needs to be handled. As before, we have to insert additional
546 copies to eliminate this alias using copies of %3 and %iterBuf. This guarantees
547 that %2 will be a newly allocated buffer that is returned in each iteration.
548 However, “returning” %2 to its alias %iterBuf turns %iterBuf into a critical
549 alias as well. In other words, we have to create a copy of %2 to pass it to
550 %iterBuf. Since this jump represents a back edge, and %2 will always be a new
551 buffer, we have to free the buffer from the previous iteration to avoid memory
552 leaks:
554 ```mlir
555 func.func @loop_nested_if(
556   %lb: index,
557   %ub: index,
558   %step: index,
559   %buf: memref<2xf32>,
560   %res: memref<2xf32>) {
561   %4 = bufferization.clone %buf : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
562   %0 = scf.for %i = %lb to %ub step %step
563     iter_args(%iterBuf = %4) -> memref<2xf32> {
564     %1 = arith.cmpi "eq", %i, %ub : index
565     %2 = scf.if %1 -> (memref<2xf32>) {
566       %3 = memref.alloc() : memref<2xf32> // makes %2 a critical alias
567       use(%3)
568       %5 = bufferization.clone %3 : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
569       memref.dealloc %3 : memref<2xf32>
570       scf.yield %5 : memref<2xf32>
571     } else {
572       %6 = bufferization.clone %iterBuf : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
573       scf.yield %6 : memref<2xf32>
574     }
575     %7 = bufferization.clone %2 : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
576     memref.dealloc %2 : memref<2xf32>
577     memref.dealloc %iterBuf : memref<2xf32> // free backedge iteration variable
578     scf.yield %7 : memref<2xf32>
579   }
580   test.copy(%0, %res) : (memref<2xf32>, memref<2xf32>) -> ()
581   memref.dealloc %0 : memref<2xf32> // free temp copy %0
582   return
586 Example for loop-like control flow. The CFG contains back edges that have to be
587 handled to avoid memory leaks. The bufferization is able to free the backedge
588 iteration variable %iterBuf.
590 ## Private Analyses Implementations
592 The BufferDeallocation transformation relies on one primary control-flow
593 analysis: BufferPlacementAliasAnalysis. Furthermore, we also use dominance and
594 liveness to place and move nodes. The liveness analysis determines the live
595 range of a given value. Within this range, a value is alive and can or will be
596 used in the course of the program. After this range, the value is dead and can
597 be discarded - in our case, the buffer can be freed. To place the allocs, we
598 need to know from which position a value will be alive. The allocs have to be
599 placed in front of this position. However, the most important analysis is the
600 alias analysis that is needed to introduce copies and to place all
601 deallocations.
603 # Post Phase
605 In order to limit the complexity of the BufferDeallocation transformation, some
606 tiny code-polishing/optimization transformations are not applied on-the-fly
607 during placement. Currently, a canonicalization pattern is added to the clone
608 operation to reduce the appearance of unnecessary clones.
610 Note: further transformations might be added to the post-pass phase in the
611 future.
613 ## Clone Canonicalization
615 During placement of clones it may happen, that unnecessary clones are inserted.
616 If these clones appear with their corresponding dealloc operation within the
617 same block, we can use the canonicalizer to remove these unnecessary operations.
618 Note, that this step needs to take place after the insertion of clones and
619 deallocs in the buffer deallocation step. The canonicalization inludes both, the
620 newly created target value from the clone operation and the source operation.
622 ## Canonicalization of the Source Buffer of the Clone Operation
624 In this case, the source of the clone operation can be used instead of its
625 target. The unused allocation and deallocation operations that are defined for
626 this clone operation are also removed. Here is a working example generated by
627 the BufferDeallocation pass that allocates a buffer with dynamic size. A deeper
628 analysis of this sample reveals that the highlighted operations are redundant
629 and can be removed.
631 ```mlir
632 func.func @dynamic_allocation(%arg0: index, %arg1: index) -> memref<?x?xf32> {
633   %1 = memref.alloc(%arg0, %arg1) : memref<?x?xf32>
634   %2 = bufferization.clone %1 : (memref<?x?xf32>) -> (memref<?x?xf32>)
635   memref.dealloc %1 : memref<?x?xf32>
636   return %2 : memref<?x?xf32>
640 Will be transformed to:
642 ```mlir
643 func.func @dynamic_allocation(%arg0: index, %arg1: index) -> memref<?x?xf32> {
644   %1 = memref.alloc(%arg0, %arg1) : memref<?x?xf32>
645   return %1 : memref<?x?xf32>
649 In this case, the additional copy %2 can be replaced with its original source
650 buffer %1. This also applies to the associated dealloc operation of %1.
652 ## Canonicalization of the Target Buffer of the Clone Operation
654 In this case, the target buffer of the clone operation can be used instead of
655 its source. The unused deallocation operation that is defined for this clone
656 operation is also removed.
658 Consider the following example where a generic test operation writes the result
659 to %temp and then copies %temp to %result. However, these two operations can be
660 merged into a single step. Canonicalization removes the clone operation and
661 %temp, and replaces the uses of %temp with %result:
663 ```mlir
664 func.func @reuseTarget(%arg0: memref<2xf32>, %result: memref<2xf32>){
665   %temp = memref.alloc() : memref<2xf32>
666   test.generic {
667     args_in = 1 : i64,
668     args_out = 1 : i64,
669     indexing_maps = [#map0, #map0],
670     iterator_types = ["parallel"]} %arg0, %temp {
671   ^bb0(%gen2_arg0: f32, %gen2_arg1: f32):
672     %tmp2 = math.exp %gen2_arg0 : f32
673     test.yield %tmp2 : f32
674   }: memref<2xf32>, memref<2xf32>
675   %result = bufferization.clone %temp : (memref<2xf32>) -> (memref<2xf32>)
676   memref.dealloc %temp : memref<2xf32>
677   return
681 Will be transformed to:
683 ```mlir
684 func.func @reuseTarget(%arg0: memref<2xf32>, %result: memref<2xf32>){
685   test.generic {
686     args_in = 1 : i64,
687     args_out = 1 : i64,
688     indexing_maps = [#map0, #map0],
689     iterator_types = ["parallel"]} %arg0, %result {
690   ^bb0(%gen2_arg0: f32, %gen2_arg1: f32):
691     %tmp2 = math.exp %gen2_arg0 : f32
692     test.yield %tmp2 : f32
693   }: memref<2xf32>, memref<2xf32>
694   return
698 ## Known Limitations
700 BufferDeallocation introduces additional clones from “memref” dialect
701 (“bufferization.clone”). Analogous, all deallocations use the “memref”
702 dialect-free operation “memref.dealloc”. The actual copy process is realized
703 using “test.copy”. Furthermore, buffers are essentially immutable after their
704 creation in a block. Another limitations are known in the case using
705 unstructered control flow.