include/llvm/Analysis/ScalarEvolution.h

   1 //===- llvm/Analysis/ScalarEvolution.h - Scalar Evolution -------*- C++ -*-===//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // The ScalarEvolution class is an LLVM pass which can be used to analyze and
  11 // catagorize scalar expressions in loops.  It specializes in recognizing
  12 // general induction variables, representing them with the abstract and opaque
  13 // SCEV class.  Given this analysis, trip counts of loops and other important
  14 // properties can be obtained.
  15 //
  16 // This analysis is primarily useful for induction variable substitution and
  17 // strength reduction.
  18 //
  19 //===----------------------------------------------------------------------===//
  20
  21 #ifndef LLVM_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H
  22 #define LLVM_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H
  23
  24 #include "llvm/Pass.h"
  25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  26 #include "llvm/Support/DataTypes.h"
  27 #include <iosfwd>
  28
  29 namespace llvm {
  30   class APInt;
  31   class ConstantInt;
  32   class Type;
  33   class SCEVHandle;
  34   class ScalarEvolution;
  35   class TargetData;
  36
  37   /// SCEV - This class represent an analyzed expression in the program.  These
  38   /// are reference counted opaque objects that the client is not allowed to
  39   /// do much with directly.
  40   ///
  41   class SCEV {
  42     const unsigned SCEVType;      // The SCEV baseclass this node corresponds to
  43     mutable unsigned RefCount;
  44
  45     friend class SCEVHandle;
  46     void addRef() const { ++RefCount; }
  47     void dropRef() const {
  48       if (--RefCount == 0)
  49         delete this;
  50     }
  51
  52     SCEV(const SCEV &);            // DO NOT IMPLEMENT
  53     void operator=(const SCEV &);  // DO NOT IMPLEMENT
  54   protected:
  55     virtual ~SCEV();
  56   public:
  57     explicit SCEV(unsigned SCEVTy) : SCEVType(SCEVTy), RefCount(0) {}
  58
  59     unsigned getSCEVType() const { return SCEVType; }
  60
  61     /// isLoopInvariant - Return true if the value of this SCEV is unchanging in
  62     /// the specified loop.
  63     virtual bool isLoopInvariant(const Loop *L) const = 0;
  64
  65     /// hasComputableLoopEvolution - Return true if this SCEV changes value in a
  66     /// known way in the specified loop.  This property being true implies that
  67     /// the value is variant in the loop AND that we can emit an expression to
  68     /// compute the value of the expression at any particular loop iteration.
  69     virtual bool hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const = 0;
  70
  71     /// getType - Return the LLVM type of this SCEV expression.
  72     ///
  73     virtual const Type *getType() const = 0;
  74
  75     /// isZero - Return true if the expression is a constant zero.
  76     ///
  77     bool isZero() const;
  78
  79     /// replaceSymbolicValuesWithConcrete - If this SCEV internally references
  80     /// the symbolic value "Sym", construct and return a new SCEV that produces
  81     /// the same value, but which uses the concrete value Conc instead of the
  82     /// symbolic value.  If this SCEV does not use the symbolic value, it
  83     /// returns itself.
  84     virtual SCEVHandle
  85     replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
  86                                       const SCEVHandle &Conc,
  87                                       ScalarEvolution &SE) const = 0;
  88
  89     /// dominates - Return true if elements that makes up this SCEV dominates
  90     /// the specified basic block.
  91     virtual bool dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const = 0;
  92
  93     /// print - Print out the internal representation of this scalar to the
  94     /// specified stream.  This should really only be used for debugging
  95     /// purposes.
  96     virtual void print(raw_ostream &OS) const = 0;
  97     void print(std::ostream &OS) const;
  98     void print(std::ostream *OS) const { if (OS) print(*OS); }
  99
 100     /// dump - This method is used for debugging.
 101     ///
 102     void dump() const;
 103   };
 104
 105   inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS, const SCEV &S) {
 106     S.print(OS);
 107     return OS;
 108   }
 109
 110   inline std::ostream &operator<<(std::ostream &OS, const SCEV &S) {
 111     S.print(OS);
 112     return OS;
 113   }
 114
 115   /// SCEVCouldNotCompute - An object of this class is returned by queries that
 116   /// could not be answered.  For example, if you ask for the number of
 117   /// iterations of a linked-list traversal loop, you will get one of these.
 118   /// None of the standard SCEV operations are valid on this class, it is just a
 119   /// marker.
 120   struct SCEVCouldNotCompute : public SCEV {
 121     SCEVCouldNotCompute();
 122     ~SCEVCouldNotCompute();
 123
 124     // None of these methods are valid for this object.
 125     virtual bool isLoopInvariant(const Loop *L) const;
 126     virtual const Type *getType() const;
 127     virtual bool hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const;
 128     virtual void print(raw_ostream &OS) const;
 129     virtual SCEVHandle
 130     replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
 131                                       const SCEVHandle &Conc,
 132                                       ScalarEvolution &SE) const;
 133
 134     virtual bool dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
 135       return true;
 136     }
 137
 138     /// Methods for support type inquiry through isa, cast, and dyn_cast:
 139     static inline bool classof(const SCEVCouldNotCompute *S) { return true; }
 140     static bool classof(const SCEV *S);
 141   };
 142
 143   /// SCEVHandle - This class is used to maintain the SCEV object's refcounts,
 144   /// freeing the objects when the last reference is dropped.
 145   class SCEVHandle {
 146     SCEV *S;
 147     SCEVHandle();  // DO NOT IMPLEMENT
 148   public:
 149     SCEVHandle(const SCEV *s) : S(const_cast<SCEV*>(s)) {
 150       assert(S && "Cannot create a handle to a null SCEV!");
 151       S->addRef();
 152     }
 153     SCEVHandle(const SCEVHandle &RHS) : S(RHS.S) {
 154       S->addRef();
 155     }
 156     ~SCEVHandle() { S->dropRef(); }
 157
 158     operator SCEV*() const { return S; }
 159
 160     SCEV &operator*() const { return *S; }
 161     SCEV *operator->() const { return S; }
 162
 163     bool operator==(SCEV *RHS) const { return S == RHS; }
 164     bool operator!=(SCEV *RHS) const { return S != RHS; }
 165
 166     const SCEVHandle &operator=(SCEV *RHS) {
 167       if (S != RHS) {
 168         S->dropRef();
 169         S = RHS;
 170         S->addRef();
 171       }
 172       return *this;
 173     }
 174
 175     const SCEVHandle &operator=(const SCEVHandle &RHS) {
 176       if (S != RHS.S) {
 177         S->dropRef();
 178         S = RHS.S;
 179         S->addRef();
 180       }
 181       return *this;
 182     }
 183   };
 184
 185   template<typename From> struct simplify_type;
 186   template<> struct simplify_type<const SCEVHandle> {
 187     typedef SCEV* SimpleType;
 188     static SimpleType getSimplifiedValue(const SCEVHandle &Node) {
 189       return Node;
 190     }
 191   };
 192   template<> struct simplify_type<SCEVHandle>
 193     : public simplify_type<const SCEVHandle> {};
 194
 195   /// ScalarEvolution - This class is the main scalar evolution driver.  Because
 196   /// client code (intentionally) can't do much with the SCEV objects directly,
 197   /// they must ask this class for services.
 198   ///
 199   class ScalarEvolution : public FunctionPass {
 200     /// F - The function we are analyzing.
 201     ///
 202     Function *F;
 203
 204     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
 205     ///
 206     LoopInfo *LI;
 207
 208     /// TD - The target data information for the target we are targetting.
 209     ///
 210     TargetData *TD;
 211
 212     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
 213     /// things.
 214     SCEVHandle UnknownValue;
 215
 216     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
 217     ///
 218     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
 219
 220     /// BackedgeTakenInfo - Information about the backedge-taken count
 221     /// of a loop. This currently inclues an exact count and a maximum count.
 222     ///
 223     struct BackedgeTakenInfo {
 224       /// Exact - An expression indicating the exact backedge-taken count of
 225       /// the loop if it is known, or a SCEVCouldNotCompute otherwise.
 226       SCEVHandle Exact;
 227
 228       /// Exact - An expression indicating the least maximum backedge-taken
 229       /// count of the loop that is known, or a SCEVCouldNotCompute.
 230       SCEVHandle Max;
 231
 232       /*implicit*/ BackedgeTakenInfo(SCEVHandle exact) :
 233         Exact(exact), Max(exact) {}
 234
 235       /*implicit*/ BackedgeTakenInfo(SCEV *exact) :
 236         Exact(exact), Max(exact) {}
 237
 238       BackedgeTakenInfo(SCEVHandle exact, SCEVHandle max) :
 239         Exact(exact), Max(max) {}
 240
 241       /// hasAnyInfo - Test whether this BackedgeTakenInfo contains any
 242       /// computed information, or whether it's all SCEVCouldNotCompute
 243       /// values.
 244       bool hasAnyInfo() const {
 245         return !isa<SCEVCouldNotCompute>(Exact) ||
 246                !isa<SCEVCouldNotCompute>(Max);
 247       }
 248     };
 249
 250     /// BackedgeTakenCounts - Cache the backedge-taken count of the loops for
 251     /// this function as they are computed.
 252     std::map<const Loop*, BackedgeTakenInfo> BackedgeTakenCounts;
 253
 254     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
 255     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
 256     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
 257     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
 258     /// exit value.
 259     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
 260
 261     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
 262     /// Analyze the expression.
 263     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
 264
 265     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
 266     /// SCEVs.
 267     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
 268
 269     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
 270     /// for the specified instruction and replaces any references to the
 271     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
 272     /// PHI resolution.
 273     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
 274                                           const SCEVHandle &SymName,
 275                                           const SCEVHandle &NewVal);
 276
 277     /// getBackedgeTakenInfo - Return the BackedgeTakenInfo for the given
 278     /// loop, lazily computing new values if the loop hasn't been analyzed
 279     /// yet.
 280     const BackedgeTakenInfo &getBackedgeTakenInfo(const Loop *L);
 281
 282     /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the specified
 283     /// loop will iterate.
 284     BackedgeTakenInfo ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L);
 285
 286     /// ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount - Given an exit condition
 287     /// of 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
 288     SCEVHandle
 289       ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LoadInst *LI,
 290                                                    Constant *RHS,
 291                                                    const Loop *L,
 292                                                    ICmpInst::Predicate p);
 293
 294     /// ComputeBackedgeTakenCountExhaustively - If the trip is known to execute
 295     /// a constant number of times (the condition evolves only from constants),
 296     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
 297     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
 298     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
 299     SCEVHandle ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
 300                                                      bool ExitWhen);
 301
 302     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
 303     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
 304     /// UnknownValue.
 305     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
 306
 307     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
 308     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
 309     /// UnknownValue.
 310     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
 311
 312     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
 313     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
 314     /// UnknownValue. isSigned specifies whether the less-than is signed.
 315     BackedgeTakenInfo HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L,
 316                                        bool isSigned);
 317
 318     /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
 319     /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
 320     /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
 321     /// found.
 322     BasicBlock* getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB);
 323
 324     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
 325     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
 326     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
 327     /// involving constants, fold it.
 328     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs,
 329                                                 const Loop *L);
 330
 331     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
 332     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
 333     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
 334     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *S, const Loop *L);
 335
 336   public:
 337     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 338     ScalarEvolution();
 339
 340     /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
 341     /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
 342     /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
 343     /// has access to target-specific information.
 344     bool isSCEVable(const Type *Ty) const;
 345
 346     /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
 347     /// for which isSCEVable must return true.
 348     uint64_t getTypeSizeInBits(const Type *Ty) const;
 349
 350     /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
 351     /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
 352     /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
 353     /// this is the pointer-sized integer type.
 354     const Type *getEffectiveSCEVType(const Type *Ty) const;
 355
 356     /// getSCEV - Return a SCEV expression handle for the full generality of the
 357     /// specified expression.
 358     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
 359
 360     SCEVHandle getConstant(ConstantInt *V);
 361     SCEVHandle getConstant(const APInt& Val);
 362     SCEVHandle getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty);
 363     SCEVHandle getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty);
 364     SCEVHandle getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty);
 365     SCEVHandle getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops);
 366     SCEVHandle getAddExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
 367       std::vector<SCEVHandle> Ops;
 368       Ops.push_back(LHS);
 369       Ops.push_back(RHS);
 370       return getAddExpr(Ops);
 371     }
 372     SCEVHandle getAddExpr(const SCEVHandle &Op0, const SCEVHandle &Op1,
 373                           const SCEVHandle &Op2) {
 374       std::vector<SCEVHandle> Ops;
 375       Ops.push_back(Op0);
 376       Ops.push_back(Op1);
 377       Ops.push_back(Op2);
 378       return getAddExpr(Ops);
 379     }
 380     SCEVHandle getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops);
 381     SCEVHandle getMulExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
 382       std::vector<SCEVHandle> Ops;
 383       Ops.push_back(LHS);
 384       Ops.push_back(RHS);
 385       return getMulExpr(Ops);
 386     }
 387     SCEVHandle getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS);
 388     SCEVHandle getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start, const SCEVHandle &Step,
 389                              const Loop *L);
 390     SCEVHandle getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
 391                              const Loop *L);
 392     SCEVHandle getAddRecExpr(const std::vector<SCEVHandle> &Operands,
 393                              const Loop *L) {
 394       std::vector<SCEVHandle> NewOp(Operands);
 395       return getAddRecExpr(NewOp, L);
 396     }
 397     SCEVHandle getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS);
 398     SCEVHandle getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Operands);
 399     SCEVHandle getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS);
 400     SCEVHandle getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Operands);
 401     SCEVHandle getUnknown(Value *V);
 402     SCEVHandle getCouldNotCompute();
 403
 404     /// getNegativeSCEV - Return the SCEV object corresponding to -V.
 405     ///
 406     SCEVHandle getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V);
 407
 408     /// getNotSCEV - Return the SCEV object corresponding to ~V.
 409     ///
 410     SCEVHandle getNotSCEV(const SCEVHandle &V);
 411
 412     /// getMinusSCEV - Return LHS-RHS.
 413     ///
 414     SCEVHandle getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
 415                             const SCEVHandle &RHS);
 416
 417     /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
 418     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
 419     /// extended, it is zero extended.
 420     SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
 421
 422     /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
 423     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
 424     /// extended, it is sign extended.
 425     SCEVHandle getTruncateOrSignExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty);
 426
 427     /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
 428     /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
 429     SCEVHandle getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty);
 430
 431     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
 432     /// computed.
 433     bool hasSCEV(Value *V) const;
 434
 435     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
 436     /// the specified value.
 437     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H);
 438
 439     /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression handle for the specified value
 440     /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
 441     /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
 442     /// specified loop is immediately inside of the loop.
 443     ///
 444     /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
 445     /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
 446     ///
 447     /// If this value is not computable at this scope, a SCEVCouldNotCompute
 448     /// object is returned.
 449     SCEVHandle getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L);
 450
 451     /// isLoopGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected by
 452     /// a conditional between LHS and RHS.
 453     bool isLoopGuardedByCond(const Loop *L, ICmpInst::Predicate Pred,
 454                              SCEV *LHS, SCEV *RHS);
 455
 456     /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
 457     /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
 458     /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
 459     /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
 460     /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
 461     /// when the header is branched to from outside the loop.
 462     ///
 463     /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
 464     /// loop-invariant backedge-taken count (see
 465     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
 466     ///
 467     SCEVHandle getBackedgeTakenCount(const Loop *L);
 468
 469     /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
 470     /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
 471     /// actual backedge taken count.
 472     SCEVHandle getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L);
 473
 474     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount - Return true if the specified loop
 475     /// has an analyzable loop-invariant backedge-taken count.
 476     bool hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L);
 477
 478     /// forgetLoopBackedgeTakenCount - This method should be called by the
 479     /// client when it has changed a loop in a way that may effect
 480     /// ScalarEvolution's ability to compute a trip count, or if the loop
 481     /// is deleted.
 482     void forgetLoopBackedgeTakenCount(const Loop *L);
 483
 484     /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
 485     /// client before it removes a Value from the program, to make sure
 486     /// that no dangling references are left around.
 487     void deleteValueFromRecords(Value *V);
 488
 489     virtual bool runOnFunction(Function &F);
 490     virtual void releaseMemory();
 491     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
 492     void print(raw_ostream &OS, const Module* = 0) const;
 493     virtual void print(std::ostream &OS, const Module* = 0) const;
 494     void print(std::ostream *OS, const Module* M = 0) const {
 495       if (OS) print(*OS, M);
 496     }
 497   };
 498 }
 499
 500 #endif