MLIR 学习笔记

• 参考 MLIR 官网、MLIR 技术细节整理以及 MLIR 源码完成。其中一些细节可能随 LLVM 版本变化而变化。
• 学到哪里写到哪里。

IR 结构

MLIR 结构按照 mlir::Operation -> mlir::Region -> mlir::Block -> mlir::Operation 规则循环嵌套。一般情况下 mlir::ModuleOp 为最外层。

mlir::Operation

MLIR 所有操作的基础

可以视作有如下域	说明	方法
parent	父节点	Block *getBlock()
name	名称	OperationName getName()
location	位置	Location getLoc()
discardableAttrs/attrs	普通属性	ArrayRef getDiscardableAttrs()
inherentAttrs/properties	固有属性	std::optional getInherentAttr(StringRef name)
operands	操作数	operand_range getOperands()
results	返回值	result_range getResults()
regions	子区域	MutableArrayRef getRegions()
successors	后继（仅 terminator）	SuccessorRange getSuccessors()
uses/users	使用关系	use_range getUses(); user_range getUsers()

注：

• inherentAttrs/properties 主要由 tablegen 定义，主要包括 arguments 中的 Attr 类型参数以及部分 Trait 生成，用于与普通属性（attribute）区分。而 ArrayRef getAttrs() 方法可以同时获得两种属性。

  // 示例
  // 使用<{...}>表示固有属性
  // 使用{...}表示普通属性
  %1 = "func.call"(%0) <{callee = @func}> {newattr = "test"} : (i32) -> i32
  

• 使用walk函数遍历

• 可定义 RegionKindInterface，默认情况下 Region 为 RegionKind::SSACFG 模式，表示存在 SSA 格式的控制流；也可以设置为 RegionKind::Graph 模式 ，表示 Region 内无控制流。

mlir::Op

tablegen 中继承 Op 时生成的基类，MLIR中的绝大多数操作都通过它来生成。可以视为 mlir::Operation 的某种封装？根据不同操作的实际需要，可以在tablegen文件中自定义。

可以视作有如下域	说明	方法
Operation *state	操作	Operation *getOperation()
Properties（实际储存在 state 中）	固有属性	InferredProperties &getProperties()

注：

• mlir::Op 定义了操作 * 和 ->，因此既可以使用 op.func 访问 mlir::Op 及其子类封装的方法，也可以使用 op->func 访问 mlir::Operation 类的方法。

• MLIR 里的模块、函数、控制流等等结构实际上都可以定义为 mlir::Op 。

mlir::Block

用于包裹一组 mlir::Operation

可以视作有如下域	说明	方法
parent	父节点	Region *getParent()
operations	一组操作	OpListType &getOperations()
arguments	参数	BlockArgListType getArguments()
terminator	终结符操作	Operation *getTerminator()
successors	前驱（由 terminator 计算）	SuccessorRange getSuccessors()
predecessors	后继（由 terminator 计算）	iterator_range getPredecessors()

注：

• 使用 walk 函数遍历
• 与 llvm::Block 的定义不同，默认情况下 mlir::Block 内定义的值，可视范围仅为当前 Block 及其嵌套子结构，无法跨越 Block 边界，因此无法像 LLVM IR 中一样通过 Phi 节点实现跨 Block 的 SSA 结构，而是必须要通过参数传递的方式显示传递所有的值。

mlir::Region

用于包裹一组 mlir::Block

可以视作有如下域	说明	方法
blocks	一组 Block	BlockListType &getBlocks()
arguments	首个 Block 的参数	BlockArgListType getArguments()
parent/container	父节点	Operation *getParentOp()
CFG	调试用	void viewGraph()

注：

• 使用 walk 函数遍历

mlir::Value

类似 llvm::Value 作用，表示值。
// TODO SSA 模式与图模式

mlir::Type

// TODO

mlir::Attribute

// TODO

操作定义规范（ODS）

使用 TableGen 自动生成 C++ 代码的方法（文件名以 .inc 为结尾），这些代码需要手动导入。

TableGen语法

与 C++ 语法类似，文件名以 .td 结尾，需要使用专门的后端编译。详细语法参考 TableGen Programmer’s Reference。（需要注意，这一套规则仅供语法参考，实际的 MLIR 方言生成大多使用特殊规则，需要看特定注释，简单的建议只使用 let）

• class 可以继承，使用如下。TableGen class 的作用类似于 C++ 中的模板，需要 def 才会实际生成 C++ 类。

  class A : B {
    let x = t1; // 覆盖父类的字段
    Type3 y = ?; // 定义新的字段
    code z = [{ ... }]; // 强调该字段是代码， [{ ... }]包裹一段字符串，可以转行。
    defvar t = 0; // 定义一个局部变量（不是字段），例如 defvar t = !ne(t2, "b");
    assert condition, message; // 若条件为假，打印一条非致命错误信息
    ...
  }
  

• def 生成对应的 C++ 类。

  def a: A<"name", "size">{
    ...
  }
  

• dag td参数可以是有向无环图（DAG），使用 (operator arg0, arg1, argN) 表示，operator 可以是任何 def ，常用的有 ins outs region 等

注：

• 在 CMakeLists.txt 中可以很方便地使用 MLIR 提供的方法生成 .inc：
  • 使用 add_circt_dialect(dialect dialect_namespace) 生成六个常用文件 ${dialect}.h.inc，${dialect}.cpp.inc，${dialect}Types.h.inc，${dialect}Types.cpp.inc，${dialect}Dialect.h.inc，${dialect}Dialect.cpp.inc 。
  • 使用 add_mlir_interface(interface) 生成两个常用文件 ${interface}.h.inc，${interface}.cpp.inc 。

Op

定义文件 mlir/include/mlir/IR/OpBase.td ，专门用于生成 mlir::Op 派生类的模板，挑一些我觉得重要的列出

字段	说明	生成C++类方法
string summary	简短描述
string description	详细描述
dag arguments	操作的参数，分操作数与属性（固有属性）两种。操作数为运行时值，属性为编译时常量	每个命名参数的 getter
dag results	返回值	每个命名返回值的 getter
dag regions	定义操作的子域	每个命名域的 getter
list builders	使用 mlir::OpBuilder::create 函数生成对应 Op 时，会调用 build 函数	默认生成两种常用的builder，在这里可以声明其他 builder
string assemblyFormat	自定义汇编格式，可通过设置 hasCustomAssemblyFormat 在 C++ 文件中自定义	生成 parser 与 print 两个函数
list traits	traits, interfaces, and constraints 都被定义在这里，似乎可以从 InterfaceMap 中看到所有的内容。有点乱还没完全搞清楚
code extraClassDeclaration	额外的成员函数声明
code extraClassDefinition	额外的成员函数定义

其中汇编格式查询文档参考。

Conversion 方言转换

基于 pattern-match 模式的规则转换，基于 target, patterns, config 等定义的 mlir::OperationConverter ，通常有 Partial，Full 与 Analysis 三种模式。三者均会以先序遍历的方式遍历控制树（包括嵌套子结构），并进行相应的类型转换。

注意：

• 遍历的顺序可能会被改变，详见下文 生成器 章节

Pattern 模式匹配

所有匹配都需要重写 match 与 rewrite，或重写 matchAndRewrite 函数实现。需要满足以下约束：

• match 阶段 IR 不应发生变化
• 所有的 IR 改变均需要通过给定的 rewriter 修改
• 匹配分为两种模式，即字符串匹配与按照标签匹配，其中标签有任意、interfaceID、traitID 三种

类型	说明	注意事项
mlir::RewritePattern	虚基类
mlir::ConversionPattern	方言转换的基类	封装 matchAndRewrite，暴露操作数映射后的值；可添加类型转换器；
mlir::OpConversionPattern	针对 mlir::Op 派生类的封装	依据操作名进行字符串匹配；
mlir::OpInterfaceConversionPattern	针对 mlir::OpInterface 派生类的封装	依据 interfaceID 进行匹配
mlir::OpTraitConversionPattern	几乎没人用？	依据 TraitType 进行匹配

Builder 生成器 / PatternRewriter / ConversionPatternRewriter

类型	说明
mlir::Builder	生成器的基类，管理内置的类型、属性、与 affine 表达式；
mlir::OpBuilder	提供基本的 IR 生成、克隆功能；内置 InsertPoint；内置 Listener，用于通知 IR 的变更
mlir::RewriterBase/mlir::PatternRewriter	重写器的基类，提供大量 IR 重写方法
mlir::ConversionPatternRewriter	提供大量 IR 转换的方法；内置 ConversionPatternRewriterImpl ，记录所有的 IRRewrite 过程

其中 mlir::detail::ConversionPatternRewriterImpl 常用的记录状态如下

域	说明
mapping	记录 Value，Block，Operation 三种映射关系
rewrites	记录所有 IRRewrite 过程
replacedOps	记录删除/替换的操作
regionToConverter	记录每个 Region 使用的类型转换器

其中 IRRewrite 分为如下几类，可能会对 matchAndRewrite 的遍历顺序有一定影响：

类型	说明	对遍历的影响
BlockRewrite	直接反映到 IR 上，不可回退	会检查 block 参数；并立刻遍历父节点
MoveOperationRewrite	直接反映到 IR 上，不可回退
ModifyOperationRewrite	直接反映到 IR 上，但修改前操作会记录，可回退	立刻遍历修改后的节点
ReplaceOperationRewrite	删除/替换均记录为 ReplaceOperationRewrite，不直接反映到 IR 上，直到调用 commit 方法才会真实修改 IR，可回退
CreateOperationRewrite	直接反映到 IR，不可回退	立刻遍历新生成的节点
UnresolvedMaterializationRewrite	-

TypeConverter 类型转换器

ConversionTarget

ConversionConfig