if-then-else、loop控制語句的后端實現
本文是通過代碼而來，主要記錄了在SIMD指令集上，編譯器后端對控制語句（if-then-else、loop）的指令生成方法。
引言：
if-then-else語句
進入到if-then-else語句塊，轉換為branch指令時，因為使用的是SIMD指令，所以各個channel的跳轉控制流程可能會出現分歧。
在此我們先假設condition等於true，執行if-then語句塊；condition等於false，執行else語句。
當各個channel的condition相同時，各個channel不會出現分歧，各個channel的跳轉地址（代碼塊）也是相同的，這種情況下，當condition等於true時，所有channel執行if-then語句塊，反之，condition等於false，所以channel執行else語句。
當各個channel的condition條件不一樣，那么各個channel就會出現分歧，if、else兩個語句塊都需要被按條件被執行一次。對於condition等於1的channel，需要執行if-then語句塊，而不能執行else語句；對於condition等於false的channel，要執行else語句，而不能執行if-then語句塊。
最后，進入到匯合點后，所有的channel又可以並行的執行相同的指令了。
如何處理上述的兩種情況呢？
首先這需要機器指令級別上的支持，不同的處理器有不同的實現。
來看看VC4提供的指令方案：
1.每個channel有獨立的標志位，比如，N、Z、C
2.運算指令的執行結果能設置每個channel的標志位
3.指令支持條件執行
4.branch指令支持跳轉條件，且支持各個channel標志位間的邏輯運算
具體來看.
偽代碼：
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:
偽代碼中condition表示if的條件“
if(condition)”，而execute實時記錄了各個channel的執行條件。
當各個channel的condition相等時，這種情況相對簡單些，各個channel執行的流程是相同的，要么執行if-then語句塊，那么執行else語句。
當各個channels的condition值不相等時，“if-then”“else”兩個語句塊，均要被執行一次，但是，不是每個channel都要執行，只有在進入到語句塊中execute等於零的channel才能執行其中的指令，而非零值的channel不能執行語句塊中的指令（非零值是等於else語句塊的index號，指向執行完當前語句塊后，接下來要進入執行的語句塊）。具體來看，執行流程首先（PC指針）進入到“if”基本塊中，對於execute值等於0的channel會執行基本塊中的指令，非0的要跳過基本塊中的所有指令。在if-then語句塊執行后，執行過“if”語句的channel，就不能再執行else語句的指令，所以在if-then語句塊結束后需要對execute更新，在執行if-then語句塊時execute等於0的channel，需要把execute更新為after block index，即執行完else基本塊后的基本塊的index號，非0的channel的execute需要更新為0，表明在接下來的else基本塊中需要執行指令，所以在執行流程（PC指針）進入else基本塊中后，同樣的execute等於零的channel才會執行指令，非零不執行.
進入某個語句塊前，需要對execute進行測試，進入某個語句塊前execute保存了各個channel的將要執行的語句塊的地址。
對滿足if語句塊的channel的退出if語句塊時，需要將execute更新為下一個執行的語句塊地址，即@after_block。
回到偽代碼：
當我們開始處理if-then-else語句時，我們先判斷執行條件，以取得下一句指令的入口，這時可能出現3種情況：
1.所有channel的condition等於0，則跳轉到else_block
2.所有channel的condition不等於0，則執行if_block，並且在if_block執行完畢后，要跳過else_block。
3.各個channel的condition不全為零，按標志位，先執行if_block，再執行else_block。
1.將execute初始化為0，execute保存了各個channel的執行條件，在進入if-then語句塊后，對execute等於0的channel，要執行if-then語句塊中的指令，在進入else語句后，這些channel就不能再執行其中的else語句中的指令了。對不執行if-then語句塊的channel，對應的execute值等於@else_block。
2.將condition與0做比較，並且運算結果會設置各個channel的標志位，如果condition等於0，會將對應channel的 Z標志位設置為0，否則設置為1。
3.語句3中，mov會利用語句2中對Z標志位的設置結果，更新各個channel的execute值。如果Z標志位等於0，則將@else_block的地址跟新到execute中。
4.語句4，根據execute的值，更新Z標志位
5.語句5根據以上4句的運算結果，如果全部channel的execute都不等於0，則跳轉到@else_block地址。
具體的說，如果全部channel的condition等於0，那么所有channel的execute都等於@else_block，所以語句4的執行后，所有channel的Z標志位都不為零，語句5滿足跳轉條件，跳轉到@else_block；
如果全部channel的condition都等於1，那么所有channel的execute等於0，所以語句4的執行后，所有channel的Z標志位都為零，語句5的跳轉條件不滿足，進入@then_block；
如果各個channel的condition不全相等，那么，對於condition等於0的channel的execute值就等於@else_block；而對於1的channel，execute的值等於0，所以語句4的執行后，所有channel的Z標志位不全為零，語句5的跳轉條件不滿足，進入@then_block。
6.從語句6開始是if-then語句塊。一旦能進入if-then語句塊中，就需要依據各個channel的execute值，來判斷指令能否被執行。所以每條指令執行前都要用execute更新一次Z標志位（暫不考慮優化），且每條指令都要加上條件執行碼，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，對於execute等於0的channel，執行“Mov.sf null, execute”后，Z標志位置位，接下來的“Add.zs tmp4, tmp3, tmp2”就能被執行。
7.在if-then語句塊執行完畢后，離開if-then語句塊前，需要判斷執行流程的下一個入口。如5中所述，能進入到if-then語句塊中有兩種情況，分別對應不同的出口。
- 如果是全部channel的condition等於1，這種情況下我們接下來不需要執行else語句了。因為各個channel的execute均等於0，所以語句8執行后會把每個channel的Z標志位置位，緊接着語句9，也就把每個channel的execute值都更新為@after_block，在語句10測試跳轉條件，與@after_block相減，結果為0，所以各個channel的Z標志位被置位，語句11的跳轉條件是全部Z標志位置位，此時條件滿足，即跳轉到after_block，也就結束了if-then-else語句的處理。
-
如果不是全部channel的condition都等於1，接下來我們需要進入到else語句，執行非零的channel。語句8會把execute等於0的channel的Z標志位置位，語句9把Z標志位置位的channel的execute更新為@after_blcok，其余保存不變，語句10做條件測試的結果，不能滿足語句11的跳轉條件。接下進入else語句，並且這時各個channel的execute的值等於@else_blcok或@after_block。
8.能進入到else語句，也有兩種情況，並且else語句中的指令也需要做if-then語句塊中相同的處理，依據execute更新Z標准位，每條執行要交條件執行碼。
在執行else語句中的指令前，我們需要更新execute的值。只有在進入else語句前execute值等於@else_block的channel才能執行else語句中的指令。所以語句14先對execute做測試，與@else_block相減，對於execute等於@else_block的channel的N標志位會被置位，語句15據此更新execute的值，Z標志位被置位的channel的execute被更新為0。這樣就能滿足我們前提到的，只有當execute等於0的channel才會執行指令。
當else語句執行完畢后，我們就退出了if-then-else語句的處理流程。
LOOP
在SIMD指令下的loop語句塊實現，與if-then-else語句塊的實現方法類似。同樣的，在loop中也會因為各個channel的情況不同，可能會產生控制流程分歧。當控制流存在分歧時，同樣要依據各個channel的控制條件決定是否執行對應的指令，處理完分歧后，每個channel再匯合到一起。
這里考慮一種一般的情況，示例代碼如下：
Loop {
if (…) {
…
Break;
}
… …
if (…) {
…
Continue;
}
… …
}
如果沒有遇到break、continue語句loop會一直循環下去。而break中斷並結束循環，continue中斷本次循環，繼續下一次循環（與C語言的類似）。
從上面的示例代碼可以看出，loop中會產生分歧主要是源自於其中的if-then-else語句。當各個channel在執行if-then-else語句出現分歧后，在執行loop中語句就channel的執行情況就不一樣了。
例如，當兩個channel出現執行if語句出現分歧，A滿足if語句塊執行條件，B不滿足，在if語句塊中有break語句，if語句按前文所述的if-then-else語句處理分歧，A執行，B不執行，執行完畢if語句塊后，A不再執行loop中的指令，B繼續執行loop中的語句，直到滿足推出loop的條件，最終與A匯合。
具體的實現與if-then-else語句類似，使用一個變量execute來記錄執行條件，當channel的execute等於0時表示，該channel需要執行當前指令；對於不需要執行當前指令的channel，execute的值等於下一個需要執行的語句塊的入口地址。
偽代碼：
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）
進入loop語句，首先對各個channel的execute進行測試，等於0的channel可以執行loop語句塊中的指令。
同樣loop語句塊中的指令依然需要通過在每條語句執行前添加“mov.sf null, execute”來設置Z標志位（贊不考慮優化），每條指令添加條件執行碼。
語句1，對execute初始化。
語句3，對execute測試，在進入loop前如果execute等於@loop_block，表示該channel會遭loop中執行，Z標志位被置位，然后語句4將對應channel的execute更新為0，反之，保存execute原值不變（初次進入時execute保持為0值）。
這樣loop中的指令語句就能根據execute的值，判斷是否被執行。
2）
當遇到if語句時，if語句的處理與前文所述的不變，只是在進入if-then-else語句塊前不再將各個channel的execute初始化為0。
3）
當if語句中存在break指令時，並能執行break指令，對於滿足if語句塊執行條件的channel，將在break執行完畢后，結束loop語句塊的執行，這些channel的下一個執行語句塊是@break_loop（即退出loop語句塊的指令語句地址）。而不滿足if語句塊執行條件的channel將繼續執行loop中的指令語句。
語句6、7首先完成對break的channel的execute進行更新，這些channel下一個要執行的語句塊地址為@break_loop，這樣在接下來的循環體中，如果沒有發生共同跳轉，那么剩下的loop語句塊中的條件執行指令，均不能滿足執行條件。
語句8、9是為應對當所有channel均執行了break指令的情況，這時所有channel同時結束loop語句塊的執行。具體來看，首先對更新后的execute進行測試，語句8與jump_block（break_block）相減，其結果會影響Z標准位，如果所有channel均置位了Z標志位，語句9的跳轉條件滿足，所有channel將共同跳轉到break_block（break_block），也就跳出了loop語句塊。
break指令是loop的唯一出口，所以各個channel一定會從某個break語句結束循環（死循環除外）。
4）
當if語句中存在continue指令時，並且continue指令能被執行，對於滿足if語句塊執行條件的channel，在執行完continue指令后，中斷本次循環的執行，重新跳轉到loop的開始處@loop_block，繼續執行下一次的循環。
與break的情況類似，同樣可以通過偽代碼的語句6-8來處理continue指令，語句6置位測試條件，語句7根據測試結果設置新的跳轉地址 @loop_block，語句8、9同樣會判斷是否所有channel的執行情況相同，相同時時直接開始下一次循環。
當各個channel的情況不一樣時，還會接着loop語句塊往下執行，同樣的執行了continue的channel的execute已被更新，且不為0，loop語句塊中剩余的代碼也不會被這些channel執行了。
在完成一次loop語句塊中代碼的執行后，后開始新的一次循環前（如1中所述），均要做條件測試。
執行完一次loop后，語句11根據execute當前的值對Z標志位進行更新，語句12是條件執行指令，並且滿足執行條件的channel會更新Z標志位，而不滿足語句12執行條件的channel的Z標志位保存會不變（處於Z標志位置位狀態）。
滿足Z標志位未被置位的channel，會將execute與@loop_block相減，並更新Z標志位，對於執行過continue的channel，Z標志位會被置位，語句13，branch的跳轉條件是任意channel為Z標志位被置位，就會回到loop的開頭處@loop_block，繼而進行下一循環.
這里能滿足語句13跳轉條件的channel，來至兩種情況，一種是在循環體中未執行過break和continue指令的channel，execute一直保持為0，在語句11中置位Z標志位，且語句12不會清除Z標志位；另一種是執行了continue指令的channel。
所以在執行下一次循環前，各個channel的execute的值可能是0或@loop_block，且一定有某個channel的值為其中之一。
重新開始循環后，會先按上述1中的方式更新execute，然后就是再一次的循環體代碼執行了。
總結一下：
1.控制語句塊中，執行每條代碼前必須做條件測試（不考慮優化），每條代碼必須按條件執行。
2.進入控制語句塊前需做語句塊執行條件測試
3.退出控制語句前，需要更新各個channel的跳轉地址
參考資料：
mesa：src/gallium/drivers/vc4/vc4_program.c
https://people.freedesktop.org/~cwabbott0/nir-docs/intro.html