0507b39b7d9feefacbc98e013c6090b68c59cfa8
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
6 // the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains the implementation of the scalar evolution analysis
11 // engine, which is used primarily to analyze expressions involving induction
12 // variables in loops.
13 //
14 // There are several aspects to this library.  First is the representation of
15 // scalar expressions, which are represented as subclasses of the SCEV class.
16 // These classes are used to represent certain types of subexpressions that we
17 // can handle.  These classes are reference counted, managed by the SCEVHandle
18 // class.  We only create one SCEV of a particular shape, so pointer-comparisons
19 // for equality are legal.
20 //
21 // One important aspect of the SCEV objects is that they are never cyclic, even
22 // if there is a cycle in the dataflow for an expression (ie, a PHI node).  If
23 // the PHI node is one of the idioms that we can represent (e.g., a polynomial
24 // recurrence) then we represent it directly as a recurrence node, otherwise we
25 // represent it as a SCEVUnknown node.
26 //
27 // In addition to being able to represent expressions of various types, we also
28 // have folders that are used to build the *canonical* representation for a
29 // particular expression.  These folders are capable of using a variety of
30 // rewrite rules to simplify the expressions.
31 //
32 // Once the folders are defined, we can implement the more interesting
33 // higher-level code, such as the code that recognizes PHI nodes of various
34 // types, computes the execution count of a loop, etc.
35 //
36 // TODO: We should use these routines and value representations to implement
37 // dependence analysis!
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40 //
41 // There are several good references for the techniques used in this analysis.
42 //
43 //  Chains of recurrences -- a method to expedite the evaluation
44 //  of closed-form functions
45 //  Olaf Bachmann, Paul S. Wang, Eugene V. Zima
46 //
47 //  On computational properties of chains of recurrences
48 //  Eugene V. Zima
49 //
50 //  Symbolic Evaluation of Chains of Recurrences for Loop Optimization
51 //  Robert A. van Engelen
52 //
53 //  Efficient Symbolic Analysis for Optimizing Compilers
54 //  Robert A. van Engelen
55 //
56 //  Using the chains of recurrences algebra for data dependence testing and
57 //  induction variable substitution
58 //  MS Thesis, Johnie Birch
59 //
60 //===----------------------------------------------------------------------===//
61
62 #define DEBUG_TYPE "scalar-evolution"
63 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
64 #include "llvm/Constants.h"
65 #include "llvm/DerivedTypes.h"
66 #include "llvm/GlobalVariable.h"
67 #include "llvm/Instructions.h"
68 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
69 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
70 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
71 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
72 #include "llvm/Support/CFG.h"
73 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
74 #include "llvm/Support/Compiler.h"
75 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
76 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
77 #include "llvm/Support/ManagedStatic.h"
78 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
79 #include "llvm/Support/Streams.h"
80 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
81 #include <ostream>
82 #include <algorithm>
83 #include <cmath>
84 using namespace llvm;
85
86 STATISTIC(NumBruteForceEvaluations,
87           "Number of brute force evaluations needed to "
88           "calculate high-order polynomial exit values");
89 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
90           "Number of trip counts computed with array length");
91 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
92           "Number of loops with predictable loop counts");
93 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
94           "Number of loops without predictable loop counts");
95 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
96           "Number of loops with trip counts computed by force");
97
98 cl::opt<unsigned>
99 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
100                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
101                                  "symbolically execute a constant derived loop"),
102                         cl::init(100));
103
104 namespace {
105   RegisterPass<ScalarEvolution>
106   R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis");
107 }
108
109 //===----------------------------------------------------------------------===//
110 //                           SCEV class definitions
111 //===----------------------------------------------------------------------===//
112
113 //===----------------------------------------------------------------------===//
114 // Implementation of the SCEV class.
115 //
116 SCEV::~SCEV() {}
117 void SCEV::dump() const {
118   print(cerr);
119 }
120
121 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
122 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
123 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
124   const Type *Ty = getType();
125   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
126   // Default to a full range if no better information is available.
127   return ConstantRange(getType());
128 }
129
130
131 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
132
133 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
134   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
135   return false;
136 }
137
138 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
139   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
140   return 0;
141 }
142
143 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
144   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
145   return false;
146 }
147
148 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
149 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
150                                   const SCEVHandle &Conc) const {
151   return this;
152 }
153
154 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
155   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
156 }
157
158 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
159   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
160 }
161
162
163 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
164 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
165 // never be deleted!
166 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
167
168
169 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
170   SCEVConstants->erase(V);
171 }
172
173 SCEVHandle SCEVConstant::get(ConstantInt *V) {
174   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
175   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
176   return R;
177 }
178
179 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
180   return ConstantRange(V->getValue());
181 }
182
183 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
184
185 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
186   WriteAsOperand(OS, V, false);
187 }
188
189 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
190 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
191 // never be deleted!
192 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
193                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
194
195 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
196   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
197   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
198          "Cannot truncate non-integer value!");
199   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits()
200          && "This is not a truncating conversion!");
201 }
202
203 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
204   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
205 }
206
207 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
208   return getOperand()->getValueRange().truncate(getType());
209 }
210
211 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
212   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
213 }
214
215 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
216 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
217 // be deleted!
218 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
219                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
220
221 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
222   : SCEV(scZeroExtend), Op(op), Ty(ty) {
223   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
224          "Cannot zero extend non-integer value!");
225   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
226          && "This is not an extending conversion!");
227 }
228
229 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
230   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
231 }
232
233 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
234   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getType());
235 }
236
237 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
238   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
239 }
240
241 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
242 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
243 // be deleted!
244 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
245                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
246
247 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
248   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
249                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
250                                                          Operands.end())));
251 }
252
253 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
254   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
255   const char *OpStr = getOperationStr();
256   OS << "(" << *Operands[0];
257   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
258     OS << OpStr << *Operands[i];
259   OS << ")";
260 }
261
262 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
263 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
264                                   const SCEVHandle &Conc) const {
265   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
266     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
267     if (H != getOperand(i)) {
268       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
269       NewOps.reserve(getNumOperands());
270       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
271         NewOps.push_back(getOperand(j));
272       NewOps.push_back(H);
273       for (++i; i != e; ++i)
274         NewOps.push_back(getOperand(i)->
275                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
276
277       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
278         return SCEVAddExpr::get(NewOps);
279       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
280         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
281       else
282         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
283     }
284   }
285   return this;
286 }
287
288
289 // SCEVSDivs - Only allow the creation of one SCEVSDivExpr for any particular
290 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
291 // deleted!
292 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
293                      SCEVSDivExpr*> > SCEVSDivs;
294
295 SCEVSDivExpr::~SCEVSDivExpr() {
296   SCEVSDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
297 }
298
299 void SCEVSDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
300   OS << "(" << *LHS << " /s " << *RHS << ")";
301 }
302
303 const Type *SCEVSDivExpr::getType() const {
304   return LHS->getType();
305 }
306
307 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
308 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
309 // be deleted!
310 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
311                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
312
313 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
314   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
315                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
316                                                            Operands.end())));
317 }
318
319 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
320 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
321                                   const SCEVHandle &Conc) const {
322   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
323     SCEVHandle H = getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc);
324     if (H != getOperand(i)) {
325       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
326       NewOps.reserve(getNumOperands());
327       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
328         NewOps.push_back(getOperand(j));
329       NewOps.push_back(H);
330       for (++i; i != e; ++i)
331         NewOps.push_back(getOperand(i)->
332                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc));
333
334       return get(NewOps, L);
335     }
336   }
337   return this;
338 }
339
340
341 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
342   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
343   // contain L and if the start is invariant.
344   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
345          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
346 }
347
348
349 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
350   OS << "{" << *Operands[0];
351   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
352     OS << ",+," << *Operands[i];
353   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
354 }
355
356 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
357 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
358 // deleted!
359 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
360
361 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
362
363 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
364   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
365   // invariant if they are not contained in the specified loop.
366   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
367     return !L->contains(I->getParent());
368   return true;
369 }
370
371 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
372   return V->getType();
373 }
374
375 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
376   WriteAsOperand(OS, V, false);
377 }
378
379 //===----------------------------------------------------------------------===//
380 //                               SCEV Utilities
381 //===----------------------------------------------------------------------===//
382
383 namespace {
384   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
385   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
386   /// expressions.
387   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
388     bool operator()(SCEV *LHS, SCEV *RHS) {
389       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
390     }
391   };
392 }
393
394 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
395 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
396 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
397 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
398 ///
399 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
400 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
401 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
402 /// land in memory.
403 ///
404 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
405   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
406   if (Ops.size() == 2) {
407     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
408     // Special case it.
409     if (Ops[0]->getSCEVType() > Ops[1]->getSCEVType())
410       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
411     return;
412   }
413
414   // Do the rough sort by complexity.
415   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
416
417   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
418   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
419   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
420   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
421   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
422     SCEV *S = Ops[i];
423     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
424
425     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
426     // one, group them.
427     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
428       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
429         // Move it to immediately after i'th element.
430         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
431         ++i;   // no need to rescan it.
432         if (i == e-2) return;  // Done!
433       }
434     }
435   }
436 }
437
438
439
440 //===----------------------------------------------------------------------===//
441 //                      Simple SCEV method implementations
442 //===----------------------------------------------------------------------===//
443
444 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
445 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
446 SCEVHandle SCEVUnknown::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
447   Constant *C;
448   if (Val == 0)
449     C = Constant::getNullValue(Ty);
450   else if (Ty->isFloatingPoint())
451     C = ConstantFP::get(Ty, Val);
452   else 
453     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
454   return SCEVUnknown::get(C);
455 }
456
457 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
458 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
459 /// extended.
460 static SCEVHandle getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V, const Type *Ty) {
461   const Type *SrcTy = V->getType();
462   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
463          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
464   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() == Ty->getPrimitiveSizeInBits())
465     return V;  // No conversion
466   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits())
467     return SCEVTruncateExpr::get(V, Ty);
468   return SCEVZeroExtendExpr::get(V, Ty);
469 }
470
471 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
472 ///
473 SCEVHandle SCEV::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
474   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
475     return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
476
477   return SCEVMulExpr::get(V, SCEVUnknown::getIntegerSCEV(-1, V->getType()));
478 }
479
480 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
481 ///
482 SCEVHandle SCEV::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
483   // X - Y --> X + -Y
484   return SCEVAddExpr::get(LHS, SCEV::getNegativeSCEV(RHS));
485 }
486
487
488 /// PartialFact - Compute V!/(V-NumSteps)!
489 static SCEVHandle PartialFact(SCEVHandle V, unsigned NumSteps) {
490   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
491   // counts while computing loop exit values.
492   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
493     APInt Val = SC->getValue()->getValue();
494     APInt Result(Val.getBitWidth(), 1);
495     for (; NumSteps; --NumSteps)
496       Result *= Val-(NumSteps-1);
497     return SCEVUnknown::get(ConstantInt::get(V->getType(), Result));
498   }
499
500   const Type *Ty = V->getType();
501   if (NumSteps == 0)
502     return SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
503
504   SCEVHandle Result = V;
505   for (unsigned i = 1; i != NumSteps; ++i)
506     Result = SCEVMulExpr::get(Result, SCEV::getMinusSCEV(V,
507                                           SCEVUnknown::getIntegerSCEV(i, Ty)));
508   return Result;
509 }
510
511
512 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
513 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
514 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
515 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
516 ///
517 ///   A*choose(It, 0) + B*choose(It, 1) + C*choose(It, 2) + D*choose(It, 3)
518 ///
519 /// FIXME/VERIFY: I don't trust that this is correct in the face of overflow.
520 /// Is the binomial equation safe using modular arithmetic??
521 ///
522 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It) const {
523   SCEVHandle Result = getStart();
524   int Divisor = 1;
525   const Type *Ty = It->getType();
526   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
527     SCEVHandle BC = PartialFact(It, i);
528     Divisor *= i;
529     SCEVHandle Val = SCEVSDivExpr::get(SCEVMulExpr::get(BC, getOperand(i)),
530                                        SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Divisor,Ty));
531     Result = SCEVAddExpr::get(Result, Val);
532   }
533   return Result;
534 }
535
536
537 //===----------------------------------------------------------------------===//
538 //                    SCEV Expression folder implementations
539 //===----------------------------------------------------------------------===//
540
541 SCEVHandle SCEVTruncateExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
542   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
543     return SCEVUnknown::get(
544         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
545
546   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
547   // all of the constants.
548   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
549     std::vector<SCEVHandle> Operands;
550     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
551       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
552       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
553         Operands.push_back(get(AddRec->getOperand(i), Ty));
554       else
555         break;
556     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
557       return SCEVAddRecExpr::get(Operands, AddRec->getLoop());
558   }
559
560   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
561   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
562   return Result;
563 }
564
565 SCEVHandle SCEVZeroExtendExpr::get(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
566   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
567     return SCEVUnknown::get(
568         ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), Ty));
569
570   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
571   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
572   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
573   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
574
575   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
576   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
577   return Result;
578 }
579
580 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
581 SCEVHandle SCEVAddExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
582   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
583   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
584
585   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
586   GroupByComplexity(Ops);
587
588   // If there are any constants, fold them together.
589   unsigned Idx = 0;
590   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
591     ++Idx;
592     assert(Idx < Ops.size());
593     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
594       // We found two constants, fold them together!
595       Constant *Fold = ConstantExpr::getAdd(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
596       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
597         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
598         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
599         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
600         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
601       } else {
602         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
603         // that this is impossible to happen in practice because we always
604         // constant fold constant ints to constant ints.
605         ++Idx;
606       }
607     }
608
609     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
610     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
611       Ops.erase(Ops.begin());
612       --Idx;
613     }
614   }
615
616   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
617
618   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
619   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
620   // list, these values are required to be adjacent.
621   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
622   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
623     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
624       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
625       // remaining values to the result.
626       SCEVHandle Two = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(2, Ty);
627       SCEVHandle Mul = SCEVMulExpr::get(Ops[i], Two);
628       if (Ops.size() == 2)
629         return Mul;
630       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
631       Ops.push_back(Mul);
632       return SCEVAddExpr::get(Ops);
633     }
634
635   // Okay, now we know the first non-constant operand.  If there are add
636   // operands they would be next.
637   if (Idx < Ops.size()) {
638     bool DeletedAdd = false;
639     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
640       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
641       // list.
642       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
643       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
644       DeletedAdd = true;
645     }
646
647     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
648     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
649     // any operands we just aquired.
650     if (DeletedAdd)
651       return get(Ops);
652   }
653
654   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
655   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
656     ++Idx;
657
658   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
659   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
660   // the multiply.
661   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
662     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
663     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
664       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
665       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
666         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
667           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
668           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
669           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
670             // If the multiply has more than two operands, we must get the
671             // Y*Z term.
672             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
673             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
674             InnerMul = SCEVMulExpr::get(MulOps);
675           }
676           SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, Ty);
677           SCEVHandle AddOne = SCEVAddExpr::get(InnerMul, One);
678           SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(AddOne, Ops[AddOp]);
679           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
680           if (AddOp < Idx) {
681             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
682             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
683           } else {
684             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
685             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
686           }
687           Ops.push_back(OuterMul);
688           return SCEVAddExpr::get(Ops);
689         }
690
691       // Check this multiply against other multiplies being added together.
692       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
693            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
694            ++OtherMulIdx) {
695         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
696         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
697         // together.
698         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
699              OMulOp != e; ++OMulOp)
700           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
701             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
702             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
703             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
704               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
705               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
706               InnerMul1 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
707             }
708             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
709             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
710               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
711                                              OtherMul->op_end());
712               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
713               InnerMul2 = SCEVMulExpr::get(MulOps);
714             }
715             SCEVHandle InnerMulSum = SCEVAddExpr::get(InnerMul1,InnerMul2);
716             SCEVHandle OuterMul = SCEVMulExpr::get(MulOpSCEV, InnerMulSum);
717             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
718             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
719             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
720             Ops.push_back(OuterMul);
721             return SCEVAddExpr::get(Ops);
722           }
723       }
724     }
725   }
726
727   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
728   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
729   // recurrence.
730   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
731     ++Idx;
732
733   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
734   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
735     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
736     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
737     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
738     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
739     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
740       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
741         LIOps.push_back(Ops[i]);
742         Ops.erase(Ops.begin()+i);
743         --i; --e;
744       }
745
746     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
747     if (!LIOps.empty()) {
748       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
749       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
750
751       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
752       AddRecOps[0] = SCEVAddExpr::get(LIOps);
753
754       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(AddRecOps, AddRec->getLoop());
755       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
756       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
757
758       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
759       for (unsigned i = 0;; ++i)
760         if (Ops[i] == AddRec) {
761           Ops[i] = NewRec;
762           break;
763         }
764       return SCEVAddExpr::get(Ops);
765     }
766
767     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
768     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
769     // added together.  If so, we can fold them.
770     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
771          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
772       if (OtherIdx != Idx) {
773         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
774         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
775           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
776           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
777           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
778             if (i >= NewOps.size()) {
779               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
780                             OtherAddRec->op_end());
781               break;
782             }
783             NewOps[i] = SCEVAddExpr::get(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
784           }
785           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
786
787           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
788
789           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
790           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
791           Ops.push_back(NewAddRec);
792           return SCEVAddExpr::get(Ops);
793         }
794       }
795
796     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
797     // next one.
798   }
799
800   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
801   // already have one, otherwise create a new one.
802   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
803   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
804                                                                  SCEVOps)];
805   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
806   return Result;
807 }
808
809
810 SCEVHandle SCEVMulExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
811   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
812
813   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
814   GroupByComplexity(Ops);
815
816   // If there are any constants, fold them together.
817   unsigned Idx = 0;
818   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
819
820     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
821     if (Ops.size() == 2)
822       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
823         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
824             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
825           return SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(0)),
826                                   SCEVMulExpr::get(LHSC, Add->getOperand(1)));
827
828
829     ++Idx;
830     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
831       // We found two constants, fold them together!
832       Constant *Fold = ConstantExpr::getMul(LHSC->getValue(), RHSC->getValue());
833       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Fold)) {
834         Ops[0] = SCEVConstant::get(CI);
835         Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
836         if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
837         LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
838       } else {
839         // If we couldn't fold the expression, move to the next constant.  Note
840         // that this is impossible to happen in practice because we always
841         // constant fold constant ints to constant ints.
842         ++Idx;
843       }
844     }
845
846     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
847     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
848       Ops.erase(Ops.begin());
849       --Idx;
850     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isNullValue()) {
851       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
852       return Ops[0];
853     }
854   }
855
856   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
857   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
858     ++Idx;
859
860   if (Ops.size() == 1)
861     return Ops[0];
862
863   // If there are mul operands inline them all into this expression.
864   if (Idx < Ops.size()) {
865     bool DeletedMul = false;
866     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
867       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
868       // list.
869       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
870       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
871       DeletedMul = true;
872     }
873
874     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
875     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
876     // any operands we just aquired.
877     if (DeletedMul)
878       return get(Ops);
879   }
880
881   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
882   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
883   // recurrence.
884   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
885     ++Idx;
886
887   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
888   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
889     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
890     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
891     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
892     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
893     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
894       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
895         LIOps.push_back(Ops[i]);
896         Ops.erase(Ops.begin()+i);
897         --i; --e;
898       }
899
900     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
901     if (!LIOps.empty()) {
902       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
903       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
904       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
905       if (LIOps.size() == 1) {
906         SCEV *Scale = LIOps[0];
907         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
908           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(Scale, AddRec->getOperand(i)));
909       } else {
910         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
911           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
912           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
913           NewOps.push_back(SCEVMulExpr::get(MulOps));
914         }
915       }
916
917       SCEVHandle NewRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, AddRec->getLoop());
918
919       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
920       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
921
922       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
923       for (unsigned i = 0;; ++i)
924         if (Ops[i] == AddRec) {
925           Ops[i] = NewRec;
926           break;
927         }
928       return SCEVMulExpr::get(Ops);
929     }
930
931     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
932     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
933     // multiplied together.  If so, we can fold them.
934     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
935          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
936       if (OtherIdx != Idx) {
937         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
938         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
939           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
940           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
941           SCEVHandle NewStart = SCEVMulExpr::get(F->getStart(),
942                                                  G->getStart());
943           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence();
944           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence();
945           SCEVHandle NewStep = SCEVAddExpr::get(SCEVMulExpr::get(F, D),
946                                                 SCEVMulExpr::get(G, B),
947                                                 SCEVMulExpr::get(B, D));
948           SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewStart, NewStep,
949                                                      F->getLoop());
950           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
951
952           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
953           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
954           Ops.push_back(NewAddRec);
955           return SCEVMulExpr::get(Ops);
956         }
957       }
958
959     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
960     // next one.
961   }
962
963   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
964   // already have one, otherwise create a new one.
965   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
966   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
967                                                                  SCEVOps)];
968   if (Result == 0)
969     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
970   return Result;
971 }
972
973 SCEVHandle SCEVSDivExpr::get(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
974   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
975     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
976       return LHS;                            // X sdiv 1 --> x
977     if (RHSC->getValue()->isAllOnesValue())
978       return SCEV::getNegativeSCEV(LHS);           // X sdiv -1  -->  -x
979
980     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
981       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
982       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
983       return SCEVUnknown::get(ConstantExpr::getSDiv(LHSCV, RHSCV));
984     }
985   }
986
987   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
988
989   SCEVSDivExpr *&Result = (*SCEVSDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
990   if (Result == 0) Result = new SCEVSDivExpr(LHS, RHS);
991   return Result;
992 }
993
994
995 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
996 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
997 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(const SCEVHandle &Start,
998                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
999   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1000   Operands.push_back(Start);
1001   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1002     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1003       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1004                       StepChrec->op_end());
1005       return get(Operands, L);
1006     }
1007
1008   Operands.push_back(Step);
1009   return get(Operands, L);
1010 }
1011
1012 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1013 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1014 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::get(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1015                                const Loop *L) {
1016   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1017
1018   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
1019     if (StepC->getValue()->isNullValue()) {
1020       Operands.pop_back();
1021       return get(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1022     }
1023
1024   SCEVAddRecExpr *&Result =
1025     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1026                                                             Operands.end()))];
1027   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1028   return Result;
1029 }
1030
1031 SCEVHandle SCEVUnknown::get(Value *V) {
1032   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1033     return SCEVConstant::get(CI);
1034   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1035   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1036   return Result;
1037 }
1038
1039
1040 //===----------------------------------------------------------------------===//
1041 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1042 //===----------------------------------------------------------------------===//
1043 //
1044 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1045 /// evolution code.
1046 ///
1047 namespace {
1048   struct VISIBILITY_HIDDEN ScalarEvolutionsImpl {
1049     /// F - The function we are analyzing.
1050     ///
1051     Function &F;
1052
1053     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1054     ///
1055     LoopInfo &LI;
1056
1057     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1058     /// things.
1059     SCEVHandle UnknownValue;
1060
1061     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1062     ///
1063     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1064
1065     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1066     /// function as they are computed.
1067     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1068
1069     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1070     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1071     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1072     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1073     /// exit value.
1074     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1075
1076   public:
1077     ScalarEvolutionsImpl(Function &f, LoopInfo &li)
1078       : F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1079
1080     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1081     /// expression and create a new one.
1082     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1083
1084     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1085     /// computed.
1086     bool hasSCEV(Value *V) const {
1087       return Scalars.count(V);
1088     }
1089
1090     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
1091     /// the specified value.
1092     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
1093       bool isNew = Scalars.insert(std::make_pair(V, H)).second;
1094       assert(isNew && "This entry already existed!");
1095     }
1096
1097
1098     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1099     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1100     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1101     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1102
1103
1104     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1105     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1106     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1107
1108     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1109     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1110     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1111     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1112
1113     /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1114     /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1115     /// that no dangling references are left around.
1116     void deleteInstructionFromRecords(Instruction *I);
1117
1118   private:
1119     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1120     /// Analyze the expression.
1121     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1122
1123     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1124     /// SCEVs.
1125     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1126
1127     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1128     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1129     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1130     /// PHI resolution.
1131     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1132                                           const SCEVHandle &SymName,
1133                                           const SCEVHandle &NewVal);
1134
1135     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1136     /// will iterate.
1137     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1138
1139     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1140     /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1141     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1142                                                         Constant *RHS,
1143                                                         const Loop *L,
1144                                                         ICmpInst::Predicate p);
1145
1146     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1147     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1148     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1149     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1150     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1151     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1152                                                  bool ExitWhen);
1153
1154     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1155     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1156     /// UnknownValue.
1157     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1158
1159     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1160     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1161     /// UnknownValue.
1162     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1163
1164     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
1165     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
1166     /// UnknownValue.
1167     SCEVHandle HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L);
1168
1169     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1170     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1171     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1172     /// involving constants, fold it.
1173     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its,
1174                                                 const Loop *L);
1175   };
1176 }
1177
1178 //===----------------------------------------------------------------------===//
1179 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1180 //
1181
1182 /// deleteInstructionFromRecords - This method should be called by the
1183 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1184 /// that no dangling references are left around.
1185 void ScalarEvolutionsImpl::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) {
1186   Scalars.erase(I);
1187   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1188     ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1189 }
1190
1191
1192 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1193 /// expression and create a new one.
1194 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1195   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1196
1197   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1198   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1199   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1200   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1201   return S;
1202 }
1203
1204 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1205 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1206 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1207 void ScalarEvolutionsImpl::
1208 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1209                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1210   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1211   if (SI == Scalars.end()) return;
1212
1213   SCEVHandle NV =
1214     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal);
1215   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1216
1217   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1218
1219   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1220   // updated!
1221   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1222        UI != E; ++UI)
1223     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1224 }
1225
1226 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1227 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1228 ///
1229 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1230   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1231     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1232       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1233         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1234         // from outside the loop, and one from inside.
1235         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1236         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1237
1238         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1239         SCEVHandle SymbolicName = SCEVUnknown::get(PN);
1240         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1241                "PHI node already processed?");
1242         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1243
1244         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1245         // the back-edge.
1246         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1247
1248         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1249         // has a special value for the first iteration of the loop.
1250
1251         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1252         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1253         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1254           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1255           // with a recurrence.
1256           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1257           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1258             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1259               if (FoundIndex == e) {
1260                 FoundIndex = i;
1261                 break;
1262               }
1263
1264           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1265             // Create an add with everything but the specified operand.
1266             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1267             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1268               if (i != FoundIndex)
1269                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1270             SCEVHandle Accum = SCEVAddExpr::get(Ops);
1271
1272             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1273             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1274             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1275                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1276                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1277               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1278               SCEVHandle PHISCEV  = SCEVAddRecExpr::get(StartVal, Accum, L);
1279
1280               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1281               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1282               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1283               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1284               // value.
1285               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1286               return PHISCEV;
1287             }
1288           }
1289         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1290           // Otherwise, this could be a loop like this:
1291           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1292           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1293           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1294           // i really is an addrec evolution.
1295           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1296             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1297
1298             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1299             // initial step of the addrec evolution.
1300             if (StartVal == SCEV::getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1301                                                AddRec->getOperand(1))) {
1302               SCEVHandle PHISCEV = 
1303                  SCEVAddRecExpr::get(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1304
1305               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1306               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1307               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1308               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1309               // value.
1310               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1311               return PHISCEV;
1312             }
1313           }
1314         }
1315
1316         return SymbolicName;
1317       }
1318
1319   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1320   return SCEVUnknown::get(PN);
1321 }
1322
1323 /// GetConstantFactor - Determine the largest constant factor that S has.  For
1324 /// example, turn {4,+,8} -> 4.    (S umod result) should always equal zero.
1325 static uint64_t GetConstantFactor(SCEVHandle S) {
1326   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
1327     if (uint64_t V = C->getValue()->getZExtValue())
1328       return V;
1329     else   // Zero is a multiple of everything.
1330       return 1ULL << (S->getType()->getPrimitiveSizeInBits()-1);
1331   }
1332
1333   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1334     return GetConstantFactor(T->getOperand()) &
1335            cast<IntegerType>(T->getType())->getBitMask();
1336   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S))
1337     return GetConstantFactor(E->getOperand());
1338   
1339   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1340     // The result is the min of all operands.
1341     uint64_t Res = GetConstantFactor(A->getOperand(0));
1342     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); i != e && Res > 1; ++i)
1343       Res = std::min(Res, GetConstantFactor(A->getOperand(i)));
1344     return Res;
1345   }
1346
1347   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1348     // The result is the product of all the operands.
1349     uint64_t Res = GetConstantFactor(M->getOperand(0));
1350     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); i != e; ++i)
1351       Res *= GetConstantFactor(M->getOperand(i));
1352     return Res;
1353   }
1354     
1355   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1356     // For now, we just handle linear expressions.
1357     if (A->getNumOperands() == 2) {
1358       // We want the GCD between the start and the stride value.
1359       uint64_t Start = GetConstantFactor(A->getOperand(0));
1360       if (Start == 1) return 1;
1361       uint64_t Stride = GetConstantFactor(A->getOperand(1));
1362       return GreatestCommonDivisor64(Start, Stride);
1363     }
1364   }
1365   
1366   // SCEVSDivExpr, SCEVUnknown.
1367   return 1;
1368 }
1369
1370 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1371 /// Analyze the expression.
1372 ///
1373 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1374   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1375     switch (I->getOpcode()) {
1376     case Instruction::Add:
1377       return SCEVAddExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1378                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1379     case Instruction::Mul:
1380       return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1381                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1382     case Instruction::SDiv:
1383       return SCEVSDivExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)),
1384                               getSCEV(I->getOperand(1)));
1385       break;
1386
1387     case Instruction::Sub:
1388       return SCEV::getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)),
1389                                 getSCEV(I->getOperand(1)));
1390     case Instruction::Or:
1391       // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1392       // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an add so loop
1393       // optimizations will transparently handle this case.
1394       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1395         SCEVHandle LHS = getSCEV(I->getOperand(0));
1396         uint64_t CommonFact = GetConstantFactor(LHS);
1397         assert(CommonFact && "Common factor should at least be 1!");
1398         if (CommonFact > CI->getZExtValue()) {
1399           // If the LHS is a multiple that is larger than the RHS, use +.
1400           return SCEVAddExpr::get(LHS,
1401                                   getSCEV(I->getOperand(1)));
1402         }
1403       }
1404       break;
1405       
1406     case Instruction::Shl:
1407       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1408       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1409         Constant *X = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1410         X = ConstantExpr::getShl(X, SA);
1411         return SCEVMulExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1412       }
1413       break;
1414
1415     case Instruction::Trunc:
1416       return SCEVTruncateExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1417
1418     case Instruction::ZExt:
1419       return SCEVZeroExtendExpr::get(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1420
1421     case Instruction::BitCast:
1422       // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1423       if (I->getType()->isInteger() &&
1424           I->getOperand(0)->getType()->isInteger())
1425         return getSCEV(I->getOperand(0));
1426       break;
1427
1428     case Instruction::PHI:
1429       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
1430
1431     default: // We cannot analyze this expression.
1432       break;
1433     }
1434   }
1435
1436   return SCEVUnknown::get(V);
1437 }
1438
1439
1440
1441 //===----------------------------------------------------------------------===//
1442 //                   Iteration Count Computation Code
1443 //
1444
1445 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1446 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1447 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1448 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1449   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1450   if (I == IterationCounts.end()) {
1451     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1452     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1453     if (ItCount != UnknownValue) {
1454       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1455              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1456       ++NumTripCountsComputed;
1457     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1458       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1459       ++NumTripCountsNotComputed;
1460     }
1461   }
1462   return I->second;
1463 }
1464
1465 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1466 /// will iterate.
1467 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1468   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1469   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
1470   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1471   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1472
1473   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1474   // loop to be exited.
1475   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1476
1477   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1478   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1479        PI != E; ++PI)
1480     if (L->contains(*PI)) {
1481       if (ExitingBlock == 0)
1482         ExitingBlock = *PI;
1483       else
1484         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1485     }
1486   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1487
1488   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1489   // exit.
1490   //
1491   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1492   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1493   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1494   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1495   
1496   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
1497   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
1498   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
1499   // not be equal to the trip count of the loop.
1500   //
1501   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
1502   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
1503   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
1504   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
1505   // could be done to handle more cases here.
1506   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
1507       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
1508       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
1509     return UnknownValue;
1510   
1511   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
1512
1513   // If its not an integer comparison then compute it the hard way. 
1514   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
1515   // the type of the operand.
1516   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
1517     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1518                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1519
1520   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
1521   ICmpInst::Predicate Cond;
1522   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1523     Cond = ExitCond->getPredicate();
1524   else
1525     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
1526
1527   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1528   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1529     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1530       SCEVHandle ItCnt =
1531         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1532       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1533     }
1534
1535   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1536   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1537
1538   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1539   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1540   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1541   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1542   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1543
1544   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
1545   // loop the predicate will return true for these inputs.
1546   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1547     // If there is a constant, force it into the RHS.
1548     std::swap(LHS, RHS);
1549     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
1550   }
1551
1552   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1553   // while (P != P+100) ++P;
1554
1555   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1556   // ranges to answer this query.
1557   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1558     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1559       if (AddRec->getLoop() == L) {
1560         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1561         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1562         // comparison.
1563         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1564         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1565         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
1566           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
1567         if (CompVal) {
1568           // Form the constant range.
1569           ConstantRange CompRange(Cond, CompVal->getValue());
1570
1571           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, 
1572               false /*Always treat as unsigned range*/);
1573           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1574         }
1575       }
1576
1577   switch (Cond) {
1578   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
1579     // Convert to: while (X-Y != 0)
1580     SCEVHandle TC = HowFarToZero(SCEV::getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1581     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1582     break;
1583   }
1584   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
1585     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1586     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(SCEV::getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1587     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1588     break;
1589   }
1590   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
1591     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L);
1592     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1593     break;
1594   }
1595   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
1596     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(RHS, LHS, L);
1597     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1598     break;
1599   }
1600   default:
1601 #if 0
1602     cerr << "ComputeIterationCount ";
1603     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1604       cerr << "[unsigned] ";
1605     cerr << *LHS << "   "
1606          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
1607          << "   " << *RHS << "\n";
1608 #endif
1609     break;
1610   }
1611   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
1612                                        ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1613 }
1614
1615 static ConstantInt *
1616 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, Constant *C) {
1617   SCEVHandle InVal = SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(C));
1618   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal);
1619   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
1620          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
1621   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
1622 }
1623
1624 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
1625 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
1626 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
1627 /// invalid.
1628 static Constant *
1629 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
1630                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
1631   Constant *Init = GV->getInitializer();
1632   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
1633     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
1634     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
1635       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
1636       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
1637     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
1638       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
1639       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
1640     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
1641       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
1642         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
1643         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
1644       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
1645         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
1646         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
1647       } else {
1648         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
1649       }
1650       return 0;
1651     } else {
1652       return 0; // Unknown initializer type
1653     }
1654   }
1655   return Init;
1656 }
1657
1658 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1659 /// 'setcc load X, cst', try to se if we can compute the trip count.
1660 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1661 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
1662                                          const Loop *L, 
1663                                          ICmpInst::Predicate predicate) {
1664   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
1665
1666   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
1667   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
1668   if (!GEP) return UnknownValue;
1669
1670   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
1671   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
1672   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
1673   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
1674       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
1675       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
1676     return UnknownValue;
1677
1678   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
1679   Value *VarIdx = 0;
1680   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
1681   unsigned VarIdxNum = 0;
1682   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
1683     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1684       Indexes.push_back(CI);
1685     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
1686       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
1687       VarIdx = GEP->getOperand(i);
1688       VarIdxNum = i-2;
1689       Indexes.push_back(0);
1690     }
1691
1692   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
1693   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
1694   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
1695   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
1696   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
1697
1698   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
1699   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
1700   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
1701   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
1702       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
1703       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
1704     return UnknownValue;
1705
1706   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
1707   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
1708     ConstantInt *ItCst =
1709       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
1710     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst);
1711
1712     // Form the GEP offset.
1713     Indexes[VarIdxNum] = Val;
1714
1715     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
1716     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
1717
1718     // Evaluate the condition for this iteration.
1719     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
1720     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
1721     if (cast<ConstantInt>(Result)->getZExtValue() == false) {
1722 #if 0
1723       cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
1724            << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
1725            << "***\n";
1726 #endif
1727       ++NumArrayLenItCounts;
1728       return SCEVConstant::get(ItCst);   // Found terminating iteration!
1729     }
1730   }
1731   return UnknownValue;
1732 }
1733
1734
1735 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
1736 /// specified type, assuming that all operands were constants.
1737 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
1738   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
1739       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
1740     return true;
1741
1742   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
1743     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
1744       return canConstantFoldCallTo((Function*)F);  // FIXME: elim cast
1745   return false;
1746 }
1747
1748 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
1749 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
1750 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
1751 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
1752 /// constraints, return null.
1753 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
1754   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
1755   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
1756   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1757   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
1758
1759   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1760     if (L->getHeader() == I->getParent())
1761       return PN;
1762     else
1763       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
1764       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
1765       return 0;
1766
1767   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
1768   // are constants, return early.
1769   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
1770
1771   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
1772   // constant or derived from a PHI node themselves.
1773   PHINode *PHI = 0;
1774   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
1775     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
1776           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
1777       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
1778       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
1779       if (PHI == 0)
1780         PHI = P;
1781       else if (PHI != P)
1782         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
1783     }
1784
1785   // This is a expression evolving from a constant PHI!
1786   return PHI;
1787 }
1788
1789 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
1790 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
1791 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
1792 /// reason, return null.
1793 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
1794   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
1795   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V))
1796     return GV;
1797   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
1798   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
1799
1800   std::vector<Constant*> Operands;
1801   Operands.resize(I->getNumOperands());
1802
1803   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1804     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
1805     if (Operands[i] == 0) return 0;
1806   }
1807
1808   return ConstantFoldInstOperands(I, &Operands[0], Operands.size());
1809 }
1810
1811 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1812 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1813 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1814 /// involving constants, fold it.
1815 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
1816 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, uint64_t Its, const Loop *L) {
1817   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
1818     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
1819   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
1820     return I->second;
1821
1822   if (Its > MaxBruteForceIterations)
1823     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
1824
1825   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
1826
1827   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1828   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1829   // second must be derived from the same PHI.
1830   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1831   Constant *StartCST =
1832     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1833   if (StartCST == 0)
1834     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
1835
1836   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1837   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1838   if (PN2 != PN)
1839     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
1840
1841   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
1842   unsigned IterationNum = 0;
1843   unsigned NumIterations = Its;
1844   if (NumIterations != Its)
1845     return RetVal = 0;  // More than 2^32 iterations??
1846
1847   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
1848     if (IterationNum == NumIterations)
1849       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
1850
1851     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1852     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1853     if (NextPHI == PHIVal)
1854       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
1855     if (NextPHI == 0)
1856       return 0;        // Couldn't evaluate!
1857     PHIVal = NextPHI;
1858   }
1859 }
1860
1861 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1862 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1863 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1864 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1865 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1866 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
1867 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
1868   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
1869   if (PN == 0) return UnknownValue;
1870
1871   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
1872   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
1873   // second must be derived from the same PHI.
1874   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
1875   Constant *StartCST =
1876     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
1877   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
1878
1879   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
1880   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
1881   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
1882
1883   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
1884   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
1885   // "ExitWhen".
1886   unsigned IterationNum = 0;
1887   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
1888   for (Constant *PHIVal = StartCST;
1889        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
1890     ConstantInt *CondVal =
1891       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
1892
1893     // Couldn't symbolically evaluate.
1894     if (!CondVal) return UnknownValue;
1895
1896     if (CondVal->getZExtValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
1897       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
1898       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
1899       return SCEVConstant::get(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
1900     }
1901
1902     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
1903     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
1904     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
1905       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
1906     PHIVal = NextPHI;
1907   }
1908
1909   // Too many iterations were needed to evaluate.
1910   return UnknownValue;
1911 }
1912
1913 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
1914 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1915 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
1916 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
1917   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
1918
1919   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
1920
1921   // If this instruction is evolves from a constant-evolving PHI, compute the
1922   // exit value from the loop without using SCEVs.
1923   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
1924     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
1925       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
1926       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
1927         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
1928           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
1929             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
1930             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
1931             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
1932             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
1933             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
1934               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
1935               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
1936               // the specified iteration number.
1937               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
1938                                                ICC->getValue()->getZExtValue(),
1939                                                                LI);
1940               if (RV) return SCEVUnknown::get(RV);
1941             }
1942           }
1943
1944       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
1945       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
1946       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
1947       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
1948       if (CanConstantFold(I)) {
1949         std::vector<Constant*> Operands;
1950         Operands.reserve(I->getNumOperands());
1951         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1952           Value *Op = I->getOperand(i);
1953           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
1954             Operands.push_back(C);
1955           } else {
1956             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
1957             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
1958               Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(SC->getValue(), 
1959                                                               Op->getType(), 
1960                                                               false));
1961             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
1962               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
1963                 Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(C, 
1964                                                                 Op->getType(), 
1965                                                                 false));
1966               else
1967                 return V;
1968             } else {
1969               return V;
1970             }
1971           }
1972         }
1973         Constant *C =ConstantFoldInstOperands(I, &Operands[0], Operands.size());
1974         return SCEVUnknown::get(C);
1975       }
1976     }
1977
1978     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
1979     return V;
1980   }
1981
1982   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
1983     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
1984     // expression has no loop-variant portions.
1985     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1986       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1987       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
1988         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1989         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
1990         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
1991         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
1992         NewOps.push_back(OpAtScope);
1993
1994         for (++i; i != e; ++i) {
1995           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
1996           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
1997           NewOps.push_back(OpAtScope);
1998         }
1999         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2000           return SCEVAddExpr::get(NewOps);
2001         assert(isa<SCEVMulExpr>(Comm) && "Only know about add and mul!");
2002         return SCEVMulExpr::get(NewOps);
2003       }
2004     }
2005     // If we got here, all operands are loop invariant.
2006     return Comm;
2007   }
2008
2009   if (SCEVSDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVSDivExpr>(V)) {
2010     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2011     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2012     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2013     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2014     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2015       return Div;   // must be loop invariant
2016     return SCEVSDivExpr::get(LHS, RHS);
2017   }
2018
2019   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2020   // are dealing with the final value computed by the loop.
2021   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2022     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2023       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2024       // loop iterates.  Compute this now.
2025       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
2026       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2027       IterationCount = getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
2028                                                AddRec->getType());
2029
2030       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
2031       // Start + Step*IterationCount.
2032       if (AddRec->isAffine())
2033         return SCEVAddExpr::get(AddRec->getStart(),
2034                                 SCEVMulExpr::get(IterationCount,
2035                                                  AddRec->getOperand(1)));
2036
2037       // Otherwise, evaluate it the hard way.
2038       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount);
2039     }
2040     return UnknownValue;
2041   }
2042
2043   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2044   return UnknownValue;
2045 }
2046
2047
2048 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2049 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2050 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2051 ///
2052 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2053 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec) {
2054   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2055   SCEVConstant *L = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2056   SCEVConstant *M = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2057   SCEVConstant *N = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2058
2059   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2060   if (!L || !M || !N) {
2061     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2062     return std::make_pair(CNC, CNC);
2063   }
2064
2065   Constant *C = L->getValue();
2066   Constant *Two = ConstantInt::get(C->getType(), 2);
2067
2068   // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2069   // The B coefficient is M-N/2
2070   Constant *B = ConstantExpr::getSub(M->getValue(),
2071                                      ConstantExpr::getSDiv(N->getValue(),
2072                                                           Two));
2073   // The A coefficient is N/2
2074   Constant *A = ConstantExpr::getSDiv(N->getValue(), Two);
2075
2076   // Compute the B^2-4ac term.
2077   Constant *SqrtTerm =
2078     ConstantExpr::getMul(ConstantInt::get(C->getType(), 4),
2079                          ConstantExpr::getMul(A, C));
2080   SqrtTerm = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getMul(B, B), SqrtTerm);
2081
2082   // Compute floor(sqrt(B^2-4ac))
2083   uint64_t SqrtValV = cast<ConstantInt>(SqrtTerm)->getZExtValue();
2084   uint64_t SqrtValV2 = (uint64_t)sqrt((double)SqrtValV);
2085   // The square root might not be precise for arbitrary 64-bit integer
2086   // values.  Do some sanity checks to ensure it's correct.
2087   if (SqrtValV2*SqrtValV2 > SqrtValV ||
2088       (SqrtValV2+1)*(SqrtValV2+1) <= SqrtValV) {
2089     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2090     return std::make_pair(CNC, CNC);
2091   }
2092
2093   ConstantInt *SqrtVal = ConstantInt::get(Type::Int64Ty, SqrtValV2);
2094   SqrtTerm = ConstantExpr::getTruncOrBitCast(SqrtVal, SqrtTerm->getType());
2095
2096   Constant *NegB = ConstantExpr::getNeg(B);
2097   Constant *TwoA = ConstantExpr::getMul(A, Two);
2098
2099   // The divisions must be performed as signed divisions.
2100   Constant *Solution1 =
2101     ConstantExpr::getSDiv(ConstantExpr::getAdd(NegB, SqrtTerm), TwoA);
2102   Constant *Solution2 =
2103     ConstantExpr::getSDiv(ConstantExpr::getSub(NegB, SqrtTerm), TwoA);
2104   return std::make_pair(SCEVUnknown::get(Solution1),
2105                         SCEVUnknown::get(Solution2));
2106 }
2107
2108 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2109 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2110 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2111   // If the value is a constant
2112   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2113     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2114     if (C->getValue()->isNullValue()) return C;
2115     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2116   }
2117
2118   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2119   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2120     return UnknownValue;
2121
2122   if (AddRec->isAffine()) {
2123     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2124     // equal to:
2125     //
2126     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2127     //
2128     // Get the initial value for the loop.
2129     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2130     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2131     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2132
2133     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2134
2135     // Figure out if Start % Step == 0.
2136     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2137     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2138       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2139         return SCEV::getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2140       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2141         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2142
2143       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2144       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2145         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2146         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2147         Constant *Rem = ConstantExpr::getSRem(StartNegC, StepC->getValue());
2148         if (Rem->isNullValue()) {
2149           Constant *Result =ConstantExpr::getSDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2150           return SCEVUnknown::get(Result);
2151         }
2152       }
2153     }
2154   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2155     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2156     // the quadratic equation to solve it.
2157     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec);
2158     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2159     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2160     if (R1) {
2161 #if 0
2162       cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2163            << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2164 #endif
2165       // Pick the smallest positive root value.
2166       if (ConstantInt *CB =
2167           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2168                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2169         if (CB->getZExtValue() == false)
2170           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2171
2172         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2173         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2174         // should not accept a root of 2.
2175         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1);
2176         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
2177           if (EvalVal->getValue()->isNullValue())
2178             return R1;  // We found a quadratic root!
2179       }
2180     }
2181   }
2182
2183   return UnknownValue;
2184 }
2185
2186 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2187 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2188 /// UnknownValue
2189 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2190   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2191   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2192   // future as needed.
2193
2194   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2195   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2196   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2197     Constant *Zero = Constant::getNullValue(C->getValue()->getType());
2198     Constant *NonZero = 
2199       ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_NE, C->getValue(), Zero);
2200     if (NonZero == ConstantInt::getTrue())
2201       return getSCEV(Zero);
2202     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2203   }
2204
2205   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2206   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2207   return UnknownValue;
2208 }
2209
2210 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
2211 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
2212 /// UnknownValue.
2213 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2214 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L) {
2215   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
2216   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
2217
2218   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
2219   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2220     return UnknownValue;
2221
2222   if (AddRec->isAffine()) {
2223     // FORNOW: We only support unit strides.
2224     SCEVHandle One = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(1, RHS->getType());
2225     if (AddRec->getOperand(1) != One)
2226       return UnknownValue;
2227
2228     // The number of iterations for "[n,+,1] < m", is m-n.  However, we don't
2229     // know that m is >= n on input to the loop.  If it is, the condition return
2230     // true zero times.  What we really should return, for full generality, is
2231     // SMAX(0, m-n).  Since we cannot check this, we will instead check for a
2232     // canonical loop form: most do-loops will have a check that dominates the
2233     // loop, that only enters the loop if [n-1]<m.  If we can find this check,
2234     // we know that the SMAX will evaluate to m-n, because we know that m >= n.
2235
2236     // Search for the check.
2237     BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
2238     BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
2239     if (Preheader == 0) return UnknownValue;
2240
2241     BranchInst *LoopEntryPredicate =
2242       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2243     if (!LoopEntryPredicate) return UnknownValue;
2244
2245     // This might be a critical edge broken out.  If the loop preheader ends in
2246     // an unconditional branch to the loop, check to see if the preheader has a
2247     // single predecessor, and if so, look for its terminator.
2248     while (LoopEntryPredicate->isUnconditional()) {
2249       PreheaderDest = Preheader;
2250       Preheader = Preheader->getSinglePredecessor();
2251       if (!Preheader) return UnknownValue;  // Multiple preds.
2252       
2253       LoopEntryPredicate =
2254         dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
2255       if (!LoopEntryPredicate) return UnknownValue;
2256     }
2257
2258     // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
2259     // see if it is the comparison we are looking for.
2260     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition())){
2261       Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
2262       Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
2263       ICmpInst::Predicate Cond;
2264       if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
2265         Cond = ICI->getPredicate();
2266       else
2267         Cond = ICI->getInversePredicate();
2268     
2269       switch (Cond) {
2270       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2271         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2272         Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
2273         break;
2274       case ICmpInst::ICMP_SGT:
2275         std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
2276         Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
2277         break;
2278       default: break;
2279       }
2280
2281       if (Cond == ICmpInst::ICMP_SLT) {
2282         if (PreCondLHS->getType()->isInteger()) {
2283           if (RHS != getSCEV(PreCondRHS))
2284             return UnknownValue;  // Not a comparison against 'm'.
2285
2286           if (SCEV::getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0), One)
2287                       != getSCEV(PreCondLHS))
2288             return UnknownValue;  // Not a comparison against 'n-1'.
2289         }
2290         else return UnknownValue;
2291       } else if (Cond == ICmpInst::ICMP_ULT)
2292         return UnknownValue;
2293
2294       // cerr << "Computed Loop Trip Count as: " 
2295       //      << //  *SCEV::getMinusSCEV(RHS, AddRec->getOperand(0)) << "\n";
2296       return SCEV::getMinusSCEV(RHS, AddRec->getOperand(0));
2297     }
2298     else 
2299       return UnknownValue;
2300   }
2301
2302   return UnknownValue;
2303 }
2304
2305 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2306 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2307 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2308 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2309 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2310 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range, 
2311                                                    bool isSigned) const {
2312   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2313     return new SCEVCouldNotCompute();
2314
2315   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2316   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2317     if (!SC->getValue()->isNullValue()) {
2318       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2319       Operands[0] = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2320       SCEVHandle Shifted = SCEVAddRecExpr::get(Operands, getLoop());
2321       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2322         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2323                                       Range.subtract(SC->getValue()),isSigned);
2324       // This is strange and shouldn't happen.
2325       return new SCEVCouldNotCompute();
2326     }
2327
2328   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2329   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2330   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2331     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2332       return new SCEVCouldNotCompute();
2333
2334
2335   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2336   // that the start element is zero.
2337
2338   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2339   // iteration exits.
2340   ConstantInt *Zero = ConstantInt::get(getType(), 0);
2341   if (!Range.contains(Zero, isSigned)) return SCEVConstant::get(Zero);
2342
2343   if (isAffine()) {
2344     // If this is an affine expression then we have this situation:
2345     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2346
2347     // Since we know that zero is in the range, we know that the upper value of
2348     // the range must be the first possible exit value.  Also note that we
2349     // already checked for a full range.
2350     ConstantInt *Upper = cast<ConstantInt>(Range.getUpper());
2351     ConstantInt *A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue();
2352     ConstantInt *One   = ConstantInt::get(getType(), 1);
2353
2354     // The exit value should be (Upper+A-1)/A.
2355     Constant *ExitValue = Upper;
2356     if (A != One) {
2357       ExitValue = ConstantExpr::getSub(ConstantExpr::getAdd(Upper, A), One);
2358       ExitValue = ConstantExpr::getSDiv(ExitValue, A);
2359     }
2360     assert(isa<ConstantInt>(ExitValue) &&
2361            "Constant folding of integers not implemented?");
2362
2363     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2364     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2365     // things must have happened.
2366     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue);
2367     if (Range.contains(Val, isSigned))
2368       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2369
2370     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2371     assert(Range.contains(EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2372                           ConstantExpr::getSub(ExitValue, One)), isSigned) &&
2373            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2374     return SCEVConstant::get(cast<ConstantInt>(ExitValue));
2375   } else if (isQuadratic()) {
2376     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2377     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2378     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2379     // Range.getUpper() is crossed.
2380     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2381     NewOps[0] = SCEV::getNegativeSCEV(SCEVUnknown::get(Range.getUpper()));
2382     SCEVHandle NewAddRec = SCEVAddRecExpr::get(NewOps, getLoop());
2383
2384     // Next, solve the constructed addrec
2385     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2386       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec));
2387     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2388     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2389     if (R1) {
2390       // Pick the smallest positive root value.
2391       if (ConstantInt *CB =
2392           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2393                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2394         if (CB->getZExtValue() == false)
2395           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2396
2397         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2398         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2399         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2400         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2401                                                              R1->getValue());
2402         if (Range.contains(R1Val, isSigned)) {
2403           // The next iteration must be out of the range...
2404           Constant *NextVal =
2405             ConstantExpr::getAdd(R1->getValue(),
2406                                  ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2407
2408           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2409           if (!Range.contains(R1Val, isSigned))
2410             return SCEVUnknown::get(NextVal);
2411           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2412         }
2413
2414         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2415         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2416         Constant *NextVal =
2417           ConstantExpr::getSub(R1->getValue(),
2418                                ConstantInt::get(R1->getType(), 1));
2419         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal);
2420         if (Range.contains(R1Val, isSigned))
2421           return R1;
2422         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2423       }
2424     }
2425   }
2426
2427   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2428   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2429   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2430   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2431   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2432   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2433   ConstantInt *One     = ConstantInt::get(getType(), 1);
2434   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2435   do {
2436     ++NumBruteForceEvaluations;
2437     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SCEVConstant::get(TestVal));
2438     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2439       return new SCEVCouldNotCompute();
2440
2441     // Check to see if we found the value!
2442     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue(), isSigned))
2443       return SCEVConstant::get(TestVal);
2444
2445     // Increment to test the next index.
2446     TestVal = cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getAdd(TestVal, One));
2447   } while (TestVal != EndVal);
2448
2449   return new SCEVCouldNotCompute();
2450 }
2451
2452
2453
2454 //===----------------------------------------------------------------------===//
2455 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2456 //===----------------------------------------------------------------------===//
2457
2458 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2459   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(F, getAnalysis<LoopInfo>());
2460   return false;
2461 }
2462
2463 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2464   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2465   Impl = 0;
2466 }
2467
2468 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2469   AU.setPreservesAll();
2470   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2471 }
2472
2473 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2474   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2475 }
2476
2477 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
2478 /// computed.
2479 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
2480   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->hasSCEV(V);
2481 }
2482
2483
2484 /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
2485 /// the specified value.
2486 void ScalarEvolution::setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
2487   ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->setSCEV(V, H);
2488 }
2489
2490
2491 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2492   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2493 }
2494
2495 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2496   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2497 }
2498
2499 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2500   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2501 }
2502
2503 void ScalarEvolution::deleteInstructionFromRecords(Instruction *I) const {
2504   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteInstructionFromRecords(I);
2505 }
2506
2507 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE,
2508                           const Loop *L) {
2509   // Print all inner loops first
2510   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2511     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2512
2513   cerr << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2514
2515   std::vector<BasicBlock*> ExitBlocks;
2516   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2517   if (ExitBlocks.size() != 1)
2518     cerr << "<multiple exits> ";
2519
2520   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2521     cerr << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2522   } else {
2523     cerr << "Unpredictable iteration count. ";
2524   }
2525
2526   cerr << "\n";
2527 }
2528
2529 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
2530   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2531   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2532
2533   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2534   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2535     if (I->getType()->isInteger()) {
2536       OS << *I;
2537       OS << "  --> ";
2538       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2539       SV->print(OS);
2540       OS << "\t\t";
2541
2542       if ((*I).getType()->isInteger()) {
2543         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2544         if (!Bounds.isFullSet())
2545           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2546       }
2547
2548       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2549         OS << "Exits: ";
2550         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2551         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2552           OS << "<<Unknown>>";
2553         } else {
2554           OS << *ExitValue;
2555         }
2556       }
2557
2558
2559       OS << "\n";
2560     }
2561
2562   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2563   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2564     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2565 }
2566