ab0de275b04df75e73bf8b46fbd90542e81bf512
[oota-llvm.git] / lib / Analysis / ScalarEvolution.cpp
1 //===- ScalarEvolution.cpp - Scalar Evolution Analysis ----------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // 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 static 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 static RegisterPass<ScalarEvolution>
105 R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis", false, true);
106 char ScalarEvolution::ID = 0;
107
108 //===----------------------------------------------------------------------===//
109 //                           SCEV class definitions
110 //===----------------------------------------------------------------------===//
111
112 //===----------------------------------------------------------------------===//
113 // Implementation of the SCEV class.
114 //
115 SCEV::~SCEV() {}
116 void SCEV::dump() const {
117   print(cerr);
118 }
119
120 uint32_t SCEV::getBitWidth() const {
121   if (const IntegerType* ITy = dyn_cast<IntegerType>(getType()))
122     return ITy->getBitWidth();
123   return 0;
124 }
125
126 bool SCEV::isZero() const {
127   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
128     return SC->getValue()->isZero();
129   return false;
130 }
131
132
133 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
134
135 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
136   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
137   return false;
138 }
139
140 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
141   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
142   return 0;
143 }
144
145 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
146   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
147   return false;
148 }
149
150 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
151 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
152                                   const SCEVHandle &Conc,
153                                   ScalarEvolution &SE) const {
154   return this;
155 }
156
157 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
158   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
159 }
160
161 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
162   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
163 }
164
165
166 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
167 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
168 // never be deleted!
169 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
170
171
172 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
173   SCEVConstants->erase(V);
174 }
175
176 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
177   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
178   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
179   return R;
180 }
181
182 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
183   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
184 }
185
186 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
187
188 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
189   WriteAsOperand(OS, V, false);
190 }
191
192 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
193 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
194 // never be deleted!
195 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
196                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
197
198 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
199   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
200   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
201          "Cannot truncate non-integer value!");
202   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits()
203          && "This is not a truncating conversion!");
204 }
205
206 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
207   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
208 }
209
210 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
211   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
212 }
213
214 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
215 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
216 // be deleted!
217 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
218                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
219
220 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
221   : SCEV(scZeroExtend), Op(op), Ty(ty) {
222   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
223          "Cannot zero extend non-integer value!");
224   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
225          && "This is not an extending conversion!");
226 }
227
228 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
229   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
230 }
231
232 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
233   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
234 }
235
236 // SCEVSignExtends - Only allow the creation of one SCEVSignExtendExpr for any
237 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
238 // be deleted!
239 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
240                      SCEVSignExtendExpr*> > SCEVSignExtends;
241
242 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
243   : SCEV(scSignExtend), Op(op), Ty(ty) {
244   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
245          "Cannot sign extend non-integer value!");
246   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
247          && "This is not an extending conversion!");
248 }
249
250 SCEVSignExtendExpr::~SCEVSignExtendExpr() {
251   SCEVSignExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
252 }
253
254 void SCEVSignExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
255   OS << "(signextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
256 }
257
258 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
259 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
260 // be deleted!
261 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
262                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
263
264 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
265   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
266                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
267                                                          Operands.end())));
268 }
269
270 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
271   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
272   const char *OpStr = getOperationStr();
273   OS << "(" << *Operands[0];
274   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
275     OS << OpStr << *Operands[i];
276   OS << ")";
277 }
278
279 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
280 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
281                                   const SCEVHandle &Conc,
282                                   ScalarEvolution &SE) const {
283   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
284     SCEVHandle H =
285       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
286     if (H != getOperand(i)) {
287       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
288       NewOps.reserve(getNumOperands());
289       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
290         NewOps.push_back(getOperand(j));
291       NewOps.push_back(H);
292       for (++i; i != e; ++i)
293         NewOps.push_back(getOperand(i)->
294                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
295
296       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
297         return SE.getAddExpr(NewOps);
298       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
299         return SE.getMulExpr(NewOps);
300       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
301         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
302       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
303         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
304       else
305         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
306     }
307   }
308   return this;
309 }
310
311
312 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
313 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
314 // deleted!
315 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
316                      SCEVUDivExpr*> > SCEVUDivs;
317
318 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
319   SCEVUDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
320 }
321
322 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
323   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
324 }
325
326 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
327   return LHS->getType();
328 }
329
330 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
331 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
332 // be deleted!
333 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
334                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
335
336 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
337   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
338                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
339                                                            Operands.end())));
340 }
341
342 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
343 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
344                                   const SCEVHandle &Conc,
345                                   ScalarEvolution &SE) const {
346   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
347     SCEVHandle H =
348       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
349     if (H != getOperand(i)) {
350       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
351       NewOps.reserve(getNumOperands());
352       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
353         NewOps.push_back(getOperand(j));
354       NewOps.push_back(H);
355       for (++i; i != e; ++i)
356         NewOps.push_back(getOperand(i)->
357                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
358
359       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
360     }
361   }
362   return this;
363 }
364
365
366 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
367   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
368   // contain L and if the start is invariant.
369   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
370          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
371 }
372
373
374 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
375   OS << "{" << *Operands[0];
376   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
377     OS << ",+," << *Operands[i];
378   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
379 }
380
381 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
382 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
383 // deleted!
384 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
385
386 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
387
388 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
389   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
390   // invariant if they are not contained in the specified loop.
391   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
392     return !L->contains(I->getParent());
393   return true;
394 }
395
396 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
397   return V->getType();
398 }
399
400 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
401   WriteAsOperand(OS, V, false);
402 }
403
404 //===----------------------------------------------------------------------===//
405 //                               SCEV Utilities
406 //===----------------------------------------------------------------------===//
407
408 namespace {
409   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
410   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
411   /// expressions.
412   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
413     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
414       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
415     }
416   };
417 }
418
419 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
420 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
421 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
422 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
423 ///
424 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
425 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
426 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
427 /// land in memory.
428 ///
429 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
430   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
431   if (Ops.size() == 2) {
432     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
433     // Special case it.
434     if (SCEVComplexityCompare()(Ops[1], Ops[0]))
435       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
436     return;
437   }
438
439   // Do the rough sort by complexity.
440   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
441
442   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
443   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
444   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
445   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
446   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
447     SCEV *S = Ops[i];
448     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
449
450     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
451     // one, group them.
452     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
453       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
454         // Move it to immediately after i'th element.
455         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
456         ++i;   // no need to rescan it.
457         if (i == e-2) return;  // Done!
458       }
459     }
460   }
461 }
462
463
464
465 //===----------------------------------------------------------------------===//
466 //                      Simple SCEV method implementations
467 //===----------------------------------------------------------------------===//
468
469 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
470 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
471 SCEVHandle ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
472   Constant *C;
473   if (Val == 0)
474     C = Constant::getNullValue(Ty);
475   else if (Ty->isFloatingPoint())
476     C = ConstantFP::get(APFloat(Ty==Type::FloatTy ? APFloat::IEEEsingle : 
477                                 APFloat::IEEEdouble, Val));
478   else 
479     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
480   return getUnknown(C);
481 }
482
483 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
484 ///
485 SCEVHandle ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
486   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
487     return getUnknown(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
488
489   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(V->getType())));
490 }
491
492 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
493 SCEVHandle ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEVHandle &V) {
494   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
495     return getUnknown(ConstantExpr::getNot(VC->getValue()));
496
497   SCEVHandle AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(V->getType()));
498   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
499 }
500
501 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
502 ///
503 SCEVHandle ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
504                                          const SCEVHandle &RHS) {
505   // X - Y --> X + -Y
506   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
507 }
508
509
510 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result is of the same type as
511 /// It.  Assume, K > 0.
512 static SCEVHandle BinomialCoefficient(SCEVHandle It, unsigned K,
513                                       ScalarEvolution &SE) {
514   // We are using the following formula for BC(It, K):
515   //
516   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
517   //
518   // Suppose, W is the bitwidth of It (and of the return value as well).  We
519   // must be prepared for overflow.  Hence, we must assure that the result of
520   // our computation is equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately,
521   // division isn't safe in modular arithmetic.  This means we must perform the
522   // whole computation accurately and then truncate the result to W bits.
523   //
524   // The dividend of the formula is a multiplication of K integers of bitwidth
525   // W.  K*W bits suffice to compute it accurately.
526   //
527   // FIXME: We assume the divisor can be accurately computed using 16-bit
528   // unsigned integer type. It is true up to K = 8 (AddRecs of length 9). In
529   // future we may use APInt to use the minimum number of bits necessary to
530   // compute it accurately.
531   //
532   // It is safe to use unsigned division here: the dividend is nonnegative and
533   // the divisor is positive.
534
535   // Handle the simplest case efficiently.
536   if (K == 1)
537     return It;
538
539   assert(K < 9 && "We cannot handle such long AddRecs yet.");
540   
541   // FIXME: A temporary hack to remove in future.  Arbitrary precision integers
542   // aren't supported by the code generator yet.  For the dividend, the bitwidth
543   // we use is the smallest power of 2 greater or equal to K*W and less or equal
544   // to 64.  Note that setting the upper bound for bitwidth may still lead to
545   // miscompilation in some cases.
546   unsigned DividendBits = 1U << Log2_32_Ceil(K * It->getBitWidth());
547   if (DividendBits > 64)
548     DividendBits = 64;
549 #if 0 // Waiting for the APInt support in the code generator...
550   unsigned DividendBits = K * It->getBitWidth();
551 #endif
552
553   const IntegerType *DividendTy = IntegerType::get(DividendBits);
554   const SCEVHandle ExIt = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, DividendTy);
555
556   // The final number of bits we need to perform the division is the maximum of
557   // dividend and divisor bitwidths.
558   const IntegerType *DivisionTy =
559     IntegerType::get(std::max(DividendBits, 16U));
560
561   // Compute K!  We know K >= 2 here.
562   unsigned F = 2;
563   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i)
564     F *= i;
565   APInt Divisor(DivisionTy->getBitWidth(), F);
566
567   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
568   // counts while computing loop exit values.
569   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ExIt)) {
570     const APInt& N = SC->getValue()->getValue();
571     APInt Dividend(N.getBitWidth(), 1);
572     for (; K; --K)
573       Dividend *= N-(K-1);
574     if (DividendTy != DivisionTy)
575       Dividend = Dividend.zext(DivisionTy->getBitWidth());
576
577     APInt Result = Dividend.udiv(Divisor);
578     if (Result.getBitWidth() != It->getBitWidth())
579       Result = Result.trunc(It->getBitWidth());
580
581     return SE.getConstant(Result);
582   }
583   
584   SCEVHandle Dividend = ExIt;
585   for (unsigned i = 1; i != K; ++i)
586     Dividend =
587       SE.getMulExpr(Dividend,
588                     SE.getMinusSCEV(ExIt, SE.getIntegerSCEV(i, DividendTy)));
589
590   return SE.getTruncateOrZeroExtend(
591              SE.getUDivExpr(
592                  SE.getTruncateOrZeroExtend(Dividend, DivisionTy),
593                  SE.getConstant(Divisor)
594              ), It->getType());
595 }
596
597 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
598 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
599 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
600 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
601 ///
602 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
603 ///
604 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
605 ///
606 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It,
607                                                ScalarEvolution &SE) const {
608   SCEVHandle Result = getStart();
609   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
610     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
611     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
612     // coefficient.
613     SCEVHandle Val = SE.getMulExpr(getOperand(i),
614                                    BinomialCoefficient(It, i, SE));
615     Result = SE.getAddExpr(Result, Val);
616   }
617   return Result;
618 }
619
620 //===----------------------------------------------------------------------===//
621 //                    SCEV Expression folder implementations
622 //===----------------------------------------------------------------------===//
623
624 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
625   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
626     return getUnknown(
627         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
628
629   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
630   // all of the constants.
631   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
632     std::vector<SCEVHandle> Operands;
633     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
634       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
635       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
636         Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
637       else
638         break;
639     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
640       return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
641   }
642
643   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
644   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
645   return Result;
646 }
647
648 SCEVHandle ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
649   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
650     return getUnknown(
651         ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), Ty));
652
653   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
654   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
655   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
656   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
657
658   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
659   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
660   return Result;
661 }
662
663 SCEVHandle ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
664   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
665     return getUnknown(
666         ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), Ty));
667
668   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
669   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
670   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
671   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
672
673   SCEVSignExtendExpr *&Result = (*SCEVSignExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
674   if (Result == 0) Result = new SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
675   return Result;
676 }
677
678 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
679 /// of the input value to the specified type.  If the type must be
680 /// extended, it is zero extended.
681 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V,
682                                                     const Type *Ty) {
683   const Type *SrcTy = V->getType();
684   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
685          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
686   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() == Ty->getPrimitiveSizeInBits())
687     return V;  // No conversion
688   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits())
689     return getTruncateExpr(V, Ty);
690   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
691 }
692
693 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
694 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
695   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
696   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
697
698   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
699   GroupByComplexity(Ops);
700
701   // If there are any constants, fold them together.
702   unsigned Idx = 0;
703   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
704     ++Idx;
705     assert(Idx < Ops.size());
706     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
707       // We found two constants, fold them together!
708       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() + 
709                                            RHSC->getValue()->getValue());
710       Ops[0] = getConstant(Fold);
711       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
712       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
713       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
714     }
715
716     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
717     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
718       Ops.erase(Ops.begin());
719       --Idx;
720     }
721   }
722
723   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
724
725   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
726   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
727   // list, these values are required to be adjacent.
728   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
729   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
730     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
731       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
732       // remaining values to the result.
733       SCEVHandle Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
734       SCEVHandle Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
735       if (Ops.size() == 2)
736         return Mul;
737       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
738       Ops.push_back(Mul);
739       return getAddExpr(Ops);
740     }
741
742   // Now we know the first non-constant operand.  Skip past any cast SCEVs.
743   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
744     ++Idx;
745
746   // If there are add operands they would be next.
747   if (Idx < Ops.size()) {
748     bool DeletedAdd = false;
749     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
750       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
751       // list.
752       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
753       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
754       DeletedAdd = true;
755     }
756
757     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
758     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
759     // any operands we just aquired.
760     if (DeletedAdd)
761       return getAddExpr(Ops);
762   }
763
764   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
765   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
766     ++Idx;
767
768   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
769   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
770   // the multiply.
771   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
772     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
773     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
774       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
775       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
776         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
777           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
778           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
779           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
780             // If the multiply has more than two operands, we must get the
781             // Y*Z term.
782             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
783             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
784             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
785           }
786           SCEVHandle One = getIntegerSCEV(1, Ty);
787           SCEVHandle AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
788           SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
789           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
790           if (AddOp < Idx) {
791             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
792             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
793           } else {
794             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
795             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
796           }
797           Ops.push_back(OuterMul);
798           return getAddExpr(Ops);
799         }
800
801       // Check this multiply against other multiplies being added together.
802       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
803            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
804            ++OtherMulIdx) {
805         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
806         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
807         // together.
808         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
809              OMulOp != e; ++OMulOp)
810           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
811             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
812             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
813             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
814               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
815               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
816               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
817             }
818             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
819             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
820               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
821                                              OtherMul->op_end());
822               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
823               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
824             }
825             SCEVHandle InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
826             SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
827             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
828             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
829             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
830             Ops.push_back(OuterMul);
831             return getAddExpr(Ops);
832           }
833       }
834     }
835   }
836
837   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
838   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
839   // recurrence.
840   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
841     ++Idx;
842
843   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
844   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
845     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
846     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
847     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
848     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
849     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
850       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
851         LIOps.push_back(Ops[i]);
852         Ops.erase(Ops.begin()+i);
853         --i; --e;
854       }
855
856     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
857     if (!LIOps.empty()) {
858       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
859       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
860
861       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
862       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
863
864       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
865       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
866       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
867
868       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
869       for (unsigned i = 0;; ++i)
870         if (Ops[i] == AddRec) {
871           Ops[i] = NewRec;
872           break;
873         }
874       return getAddExpr(Ops);
875     }
876
877     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
878     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
879     // added together.  If so, we can fold them.
880     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
881          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
882       if (OtherIdx != Idx) {
883         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
884         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
885           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
886           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
887           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
888             if (i >= NewOps.size()) {
889               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
890                             OtherAddRec->op_end());
891               break;
892             }
893             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
894           }
895           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
896
897           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
898
899           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
900           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
901           Ops.push_back(NewAddRec);
902           return getAddExpr(Ops);
903         }
904       }
905
906     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
907     // next one.
908   }
909
910   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
911   // already have one, otherwise create a new one.
912   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
913   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
914                                                                  SCEVOps)];
915   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
916   return Result;
917 }
918
919
920 SCEVHandle ScalarEvolution::getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
921   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
922
923   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
924   GroupByComplexity(Ops);
925
926   // If there are any constants, fold them together.
927   unsigned Idx = 0;
928   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
929
930     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
931     if (Ops.size() == 2)
932       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
933         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
934             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
935           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
936                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
937
938
939     ++Idx;
940     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
941       // We found two constants, fold them together!
942       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() * 
943                                            RHSC->getValue()->getValue());
944       Ops[0] = getConstant(Fold);
945       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
946       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
947       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
948     }
949
950     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
951     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
952       Ops.erase(Ops.begin());
953       --Idx;
954     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
955       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
956       return Ops[0];
957     }
958   }
959
960   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
961   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
962     ++Idx;
963
964   if (Ops.size() == 1)
965     return Ops[0];
966
967   // If there are mul operands inline them all into this expression.
968   if (Idx < Ops.size()) {
969     bool DeletedMul = false;
970     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
971       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
972       // list.
973       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
974       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
975       DeletedMul = true;
976     }
977
978     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
979     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
980     // any operands we just aquired.
981     if (DeletedMul)
982       return getMulExpr(Ops);
983   }
984
985   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
986   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
987   // recurrence.
988   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
989     ++Idx;
990
991   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
992   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
993     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
994     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
995     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
996     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
997     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
998       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
999         LIOps.push_back(Ops[i]);
1000         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1001         --i; --e;
1002       }
1003
1004     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1005     if (!LIOps.empty()) {
1006       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
1007       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
1008       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1009       if (LIOps.size() == 1) {
1010         SCEV *Scale = LIOps[0];
1011         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1012           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1013       } else {
1014         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1015           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
1016           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1017           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1018         }
1019       }
1020
1021       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1022
1023       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1024       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1025
1026       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1027       for (unsigned i = 0;; ++i)
1028         if (Ops[i] == AddRec) {
1029           Ops[i] = NewRec;
1030           break;
1031         }
1032       return getMulExpr(Ops);
1033     }
1034
1035     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1036     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1037     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1038     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1039          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1040       if (OtherIdx != Idx) {
1041         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1042         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1043           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1044           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1045           SCEVHandle NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1046                                                  G->getStart());
1047           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence(*this);
1048           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence(*this);
1049           SCEVHandle NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1050                                           getMulExpr(G, B),
1051                                           getMulExpr(B, D));
1052           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1053                                                F->getLoop());
1054           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1055
1056           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1057           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1058           Ops.push_back(NewAddRec);
1059           return getMulExpr(Ops);
1060         }
1061       }
1062
1063     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1064     // next one.
1065   }
1066
1067   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1068   // already have one, otherwise create a new one.
1069   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1070   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
1071                                                                  SCEVOps)];
1072   if (Result == 0)
1073     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
1074   return Result;
1075 }
1076
1077 SCEVHandle ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1078   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1079     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1080       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1081
1082     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1083       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1084       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1085       return getUnknown(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV, RHSCV));
1086     }
1087   }
1088
1089   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1090
1091   SCEVUDivExpr *&Result = (*SCEVUDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1092   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1093   return Result;
1094 }
1095
1096
1097 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1098 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1099 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start,
1100                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1101   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1102   Operands.push_back(Start);
1103   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1104     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1105       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1106                       StepChrec->op_end());
1107       return getAddRecExpr(Operands, L);
1108     }
1109
1110   Operands.push_back(Step);
1111   return getAddRecExpr(Operands, L);
1112 }
1113
1114 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1115 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1116 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1117                                const Loop *L) {
1118   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1119
1120   if (Operands.back()->isZero()) {
1121     Operands.pop_back();
1122     return getAddRecExpr(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1123   }
1124
1125   SCEVAddRecExpr *&Result =
1126     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1127                                                             Operands.end()))];
1128   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1129   return Result;
1130 }
1131
1132 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1133                                         const SCEVHandle &RHS) {
1134   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1135   Ops.push_back(LHS);
1136   Ops.push_back(RHS);
1137   return getSMaxExpr(Ops);
1138 }
1139
1140 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1141   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1142   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1143
1144   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1145   GroupByComplexity(Ops);
1146
1147   // If there are any constants, fold them together.
1148   unsigned Idx = 0;
1149   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1150     ++Idx;
1151     assert(Idx < Ops.size());
1152     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1153       // We found two constants, fold them together!
1154       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1155                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1156                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1157       Ops[0] = getConstant(Fold);
1158       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1159       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1160       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1161     }
1162
1163     // If we are left with a constant -inf, strip it off.
1164     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1165       Ops.erase(Ops.begin());
1166       --Idx;
1167     }
1168   }
1169
1170   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1171
1172   // Find the first SMax
1173   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1174     ++Idx;
1175
1176   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1177   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1178   if (Idx < Ops.size()) {
1179     bool DeletedSMax = false;
1180     while (SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1181       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1182       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1183       DeletedSMax = true;
1184     }
1185
1186     if (DeletedSMax)
1187       return getSMaxExpr(Ops);
1188   }
1189
1190   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1191   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1192   // be adjacent.
1193   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1194     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1195       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1196       --i; --e;
1197     }
1198
1199   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1200
1201   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1202
1203   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1204   // already have one, otherwise create a new one.
1205   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1206   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scSMaxExpr,
1207                                                                  SCEVOps)];
1208   if (Result == 0) Result = new SCEVSMaxExpr(Ops);
1209   return Result;
1210 }
1211
1212 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1213                                         const SCEVHandle &RHS) {
1214   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1215   Ops.push_back(LHS);
1216   Ops.push_back(RHS);
1217   return getUMaxExpr(Ops);
1218 }
1219
1220 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1221   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1222   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1223
1224   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1225   GroupByComplexity(Ops);
1226
1227   // If there are any constants, fold them together.
1228   unsigned Idx = 0;
1229   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1230     ++Idx;
1231     assert(Idx < Ops.size());
1232     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1233       // We found two constants, fold them together!
1234       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1235                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1236                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1237       Ops[0] = getConstant(Fold);
1238       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1239       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1240       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1241     }
1242
1243     // If we are left with a constant zero, strip it off.
1244     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1245       Ops.erase(Ops.begin());
1246       --Idx;
1247     }
1248   }
1249
1250   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1251
1252   // Find the first UMax
1253   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1254     ++Idx;
1255
1256   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1257   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1258   if (Idx < Ops.size()) {
1259     bool DeletedUMax = false;
1260     while (SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1261       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
1262       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1263       DeletedUMax = true;
1264     }
1265
1266     if (DeletedUMax)
1267       return getUMaxExpr(Ops);
1268   }
1269
1270   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1271   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1272   // be adjacent.
1273   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1274     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
1275       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1276       --i; --e;
1277     }
1278
1279   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1280
1281   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
1282
1283   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
1284   // already have one, otherwise create a new one.
1285   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1286   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scUMaxExpr,
1287                                                                  SCEVOps)];
1288   if (Result == 0) Result = new SCEVUMaxExpr(Ops);
1289   return Result;
1290 }
1291
1292 SCEVHandle ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
1293   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1294     return getConstant(CI);
1295   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1296   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1297   return Result;
1298 }
1299
1300
1301 //===----------------------------------------------------------------------===//
1302 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1303 //===----------------------------------------------------------------------===//
1304 //
1305 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1306 /// evolution code.
1307 ///
1308 namespace {
1309   struct VISIBILITY_HIDDEN ScalarEvolutionsImpl {
1310     /// SE - A reference to the public ScalarEvolution object.
1311     ScalarEvolution &SE;
1312
1313     /// F - The function we are analyzing.
1314     ///
1315     Function &F;
1316
1317     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1318     ///
1319     LoopInfo &LI;
1320
1321     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1322     /// things.
1323     SCEVHandle UnknownValue;
1324
1325     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1326     ///
1327     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1328
1329     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1330     /// function as they are computed.
1331     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1332
1333     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1334     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1335     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1336     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1337     /// exit value.
1338     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1339
1340   public:
1341     ScalarEvolutionsImpl(ScalarEvolution &se, Function &f, LoopInfo &li)
1342       : SE(se), F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1343
1344     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1345     /// expression and create a new one.
1346     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1347
1348     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1349     /// computed.
1350     bool hasSCEV(Value *V) const {
1351       return Scalars.count(V);
1352     }
1353
1354     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
1355     /// the specified value.
1356     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
1357       bool isNew = Scalars.insert(std::make_pair(V, H)).second;
1358       assert(isNew && "This entry already existed!");
1359     }
1360
1361
1362     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1363     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1364     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1365     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1366
1367
1368     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1369     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1370     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1371
1372     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1373     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1374     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1375     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1376
1377     /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1378     /// client before it removes a value from the program, to make sure
1379     /// that no dangling references are left around.
1380     void deleteValueFromRecords(Value *V);
1381
1382   private:
1383     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1384     /// Analyze the expression.
1385     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1386
1387     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1388     /// SCEVs.
1389     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1390
1391     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1392     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1393     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1394     /// PHI resolution.
1395     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1396                                           const SCEVHandle &SymName,
1397                                           const SCEVHandle &NewVal);
1398
1399     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1400     /// will iterate.
1401     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1402
1403     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1404     /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
1405     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1406                                                         Constant *RHS,
1407                                                         const Loop *L,
1408                                                         ICmpInst::Predicate p);
1409
1410     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1411     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1412     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1413     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1414     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1415     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1416                                                  bool ExitWhen);
1417
1418     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1419     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1420     /// UnknownValue.
1421     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1422
1423     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1424     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1425     /// UnknownValue.
1426     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1427
1428     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
1429     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
1430     /// UnknownValue. isSigned specifies whether the less-than is signed.
1431     SCEVHandle HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L,
1432                                 bool isSigned);
1433
1434     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1435     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1436     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1437     /// involving constants, fold it.
1438     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its,
1439                                                 const Loop *L);
1440   };
1441 }
1442
1443 //===----------------------------------------------------------------------===//
1444 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1445 //
1446
1447 /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1448 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1449 /// that no dangling references are left around.
1450 void ScalarEvolutionsImpl::deleteValueFromRecords(Value *V) {
1451   SmallVector<Value *, 16> Worklist;
1452
1453   if (Scalars.erase(V)) {
1454     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(V))
1455       ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1456     Worklist.push_back(V);
1457   }
1458
1459   while (!Worklist.empty()) {
1460     Value *VV = Worklist.back();
1461     Worklist.pop_back();
1462
1463     for (Instruction::use_iterator UI = VV->use_begin(), UE = VV->use_end();
1464          UI != UE; ++UI) {
1465       Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
1466       if (Scalars.erase(Inst)) {
1467         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(VV))
1468           ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1469         Worklist.push_back(Inst);
1470       }
1471     }
1472   }
1473 }
1474
1475
1476 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1477 /// expression and create a new one.
1478 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1479   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1480
1481   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1482   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1483   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1484   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1485   return S;
1486 }
1487
1488 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1489 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1490 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1491 void ScalarEvolutionsImpl::
1492 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1493                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1494   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1495   if (SI == Scalars.end()) return;
1496
1497   SCEVHandle NV =
1498     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, SE);
1499   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1500
1501   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1502
1503   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1504   // updated!
1505   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1506        UI != E; ++UI)
1507     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1508 }
1509
1510 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1511 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1512 ///
1513 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1514   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1515     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1516       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1517         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1518         // from outside the loop, and one from inside.
1519         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1520         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1521
1522         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1523         SCEVHandle SymbolicName = SE.getUnknown(PN);
1524         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1525                "PHI node already processed?");
1526         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1527
1528         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1529         // the back-edge.
1530         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1531
1532         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1533         // has a special value for the first iteration of the loop.
1534
1535         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1536         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1537         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1538           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1539           // with a recurrence.
1540           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1541           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1542             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1543               if (FoundIndex == e) {
1544                 FoundIndex = i;
1545                 break;
1546               }
1547
1548           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1549             // Create an add with everything but the specified operand.
1550             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1551             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1552               if (i != FoundIndex)
1553                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1554             SCEVHandle Accum = SE.getAddExpr(Ops);
1555
1556             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1557             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1558             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1559                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1560                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1561               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1562               SCEVHandle PHISCEV  = SE.getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
1563
1564               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1565               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1566               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1567               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1568               // value.
1569               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1570               return PHISCEV;
1571             }
1572           }
1573         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1574           // Otherwise, this could be a loop like this:
1575           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1576           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1577           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1578           // i really is an addrec evolution.
1579           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1580             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1581
1582             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1583             // initial step of the addrec evolution.
1584             if (StartVal == SE.getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1585                                             AddRec->getOperand(1))) {
1586               SCEVHandle PHISCEV = 
1587                  SE.getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1588
1589               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1590               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1591               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1592               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1593               // value.
1594               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1595               return PHISCEV;
1596             }
1597           }
1598         }
1599
1600         return SymbolicName;
1601       }
1602
1603   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1604   return SE.getUnknown(PN);
1605 }
1606
1607 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
1608 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
1609 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
1610 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
1611 static uint32_t GetMinTrailingZeros(SCEVHandle S) {
1612   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
1613     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
1614
1615   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1616     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand()), T->getBitWidth());
1617
1618   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
1619     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
1620     return OpRes == E->getOperand()->getBitWidth() ? E->getBitWidth() : OpRes;
1621   }
1622
1623   if (SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
1624     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
1625     return OpRes == E->getOperand()->getBitWidth() ? E->getBitWidth() : OpRes;
1626   }
1627
1628   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1629     // The result is the min of all operands results.
1630     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
1631     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1632       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
1633     return MinOpRes;
1634   }
1635
1636   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1637     // The result is the sum of all operands results.
1638     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1639     uint32_t BitWidth = M->getBitWidth();
1640     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
1641          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
1642       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)),
1643                           BitWidth);
1644     return SumOpRes;
1645   }
1646
1647   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1648     // The result is the min of all operands results.
1649     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
1650     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1651       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
1652     return MinOpRes;
1653   }
1654
1655   if (SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
1656     // The result is the min of all operands results.
1657     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1658     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1659       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
1660     return MinOpRes;
1661   }
1662
1663   if (SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
1664     // The result is the min of all operands results.
1665     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1666     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1667       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
1668     return MinOpRes;
1669   }
1670
1671   // SCEVUDivExpr, SCEVUnknown
1672   return 0;
1673 }
1674
1675 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1676 /// Analyze the expression.
1677 ///
1678 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1679   if (!isa<IntegerType>(V->getType()))
1680     return SE.getUnknown(V);
1681     
1682   unsigned Opcode = Instruction::UserOp1;
1683   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1684     Opcode = I->getOpcode();
1685   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
1686     Opcode = CE->getOpcode();
1687   else
1688     return SE.getUnknown(V);
1689
1690   User *U = cast<User>(V);
1691   switch (Opcode) {
1692   case Instruction::Add:
1693     return SE.getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1694                          getSCEV(U->getOperand(1)));
1695   case Instruction::Mul:
1696     return SE.getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1697                          getSCEV(U->getOperand(1)));
1698   case Instruction::UDiv:
1699     return SE.getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1700                           getSCEV(U->getOperand(1)));
1701   case Instruction::Sub:
1702     return SE.getMinusSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)),
1703                            getSCEV(U->getOperand(1)));
1704   case Instruction::Or:
1705     // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1706     // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
1707     // optimizations will transparently handle this case.
1708     //
1709     // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
1710     // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
1711     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1712       SCEVHandle LHS = getSCEV(U->getOperand(0));
1713       const APInt &CIVal = CI->getValue();
1714       if (GetMinTrailingZeros(LHS) >=
1715           (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
1716         return SE.getAddExpr(LHS, getSCEV(U->getOperand(1)));
1717     }
1718     break;
1719   case Instruction::Xor:
1720     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1721       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
1722       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
1723       if (CI->getValue().isSignBit())
1724         return SE.getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1725                              getSCEV(U->getOperand(1)));
1726
1727       // If the RHS of xor is -1, then this is a not operation.
1728       else if (CI->isAllOnesValue())
1729         return SE.getNotSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)));
1730     }
1731     break;
1732
1733   case Instruction::Shl:
1734     // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1735     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1736       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1737       Constant *X = ConstantInt::get(
1738         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1739       return SE.getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1740     }
1741     break;
1742
1743   case Instruction::LShr:
1744     // Turn logical shift right of a constant into a unsigned divide.
1745     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1746       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1747       Constant *X = ConstantInt::get(
1748         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1749       return SE.getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1750     }
1751     break;
1752
1753   case Instruction::Trunc:
1754     return SE.getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1755
1756   case Instruction::ZExt:
1757     return SE.getZeroExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1758
1759   case Instruction::SExt:
1760     return SE.getSignExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1761
1762   case Instruction::BitCast:
1763     // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1764     if (U->getType()->isInteger() &&
1765         U->getOperand(0)->getType()->isInteger())
1766       return getSCEV(U->getOperand(0));
1767     break;
1768
1769   case Instruction::PHI:
1770     return createNodeForPHI(cast<PHINode>(U));
1771
1772   case Instruction::Select:
1773     // This could be a smax or umax that was lowered earlier.
1774     // Try to recover it.
1775     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(U->getOperand(0))) {
1776       Value *LHS = ICI->getOperand(0);
1777       Value *RHS = ICI->getOperand(1);
1778       switch (ICI->getPredicate()) {
1779       case ICmpInst::ICMP_SLT:
1780       case ICmpInst::ICMP_SLE:
1781         std::swap(LHS, RHS);
1782         // fall through
1783       case ICmpInst::ICMP_SGT:
1784       case ICmpInst::ICMP_SGE:
1785         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
1786           return SE.getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1787         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
1788           // -smax(-x, -y) == smin(x, y).
1789           return SE.getNegativeSCEV(SE.getSMaxExpr(
1790                                         SE.getNegativeSCEV(getSCEV(LHS)),
1791                                         SE.getNegativeSCEV(getSCEV(RHS))));
1792         break;
1793       case ICmpInst::ICMP_ULT:
1794       case ICmpInst::ICMP_ULE:
1795         std::swap(LHS, RHS);
1796         // fall through
1797       case ICmpInst::ICMP_UGT:
1798       case ICmpInst::ICMP_UGE:
1799         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
1800           return SE.getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1801         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
1802           // ~umax(~x, ~y) == umin(x, y)
1803           return SE.getNotSCEV(SE.getUMaxExpr(SE.getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
1804                                               SE.getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
1805         break;
1806       default:
1807         break;
1808       }
1809     }
1810
1811   default: // We cannot analyze this expression.
1812     break;
1813   }
1814
1815   return SE.getUnknown(V);
1816 }
1817
1818
1819
1820 //===----------------------------------------------------------------------===//
1821 //                   Iteration Count Computation Code
1822 //
1823
1824 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1825 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1826 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1827 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1828   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1829   if (I == IterationCounts.end()) {
1830     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1831     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1832     if (ItCount != UnknownValue) {
1833       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1834              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1835       ++NumTripCountsComputed;
1836     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1837       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1838       ++NumTripCountsNotComputed;
1839     }
1840   }
1841   return I->second;
1842 }
1843
1844 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1845 /// will iterate.
1846 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1847   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1848   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
1849   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1850   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1851
1852   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1853   // loop to be exited.
1854   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1855
1856   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1857   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1858        PI != E; ++PI)
1859     if (L->contains(*PI)) {
1860       if (ExitingBlock == 0)
1861         ExitingBlock = *PI;
1862       else
1863         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1864     }
1865   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1866
1867   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1868   // exit.
1869   //
1870   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1871   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1872   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1873   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1874   
1875   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
1876   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
1877   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
1878   // not be equal to the trip count of the loop.
1879   //
1880   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
1881   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
1882   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
1883   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
1884   // could be done to handle more cases here.
1885   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
1886       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
1887       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
1888     return UnknownValue;
1889   
1890   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
1891
1892   // If it's not an integer comparison then compute it the hard way. 
1893   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
1894   // the type of the operand.
1895   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
1896     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1897                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1898
1899   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
1900   ICmpInst::Predicate Cond;
1901   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1902     Cond = ExitCond->getPredicate();
1903   else
1904     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
1905
1906   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1907   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1908     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1909       SCEVHandle ItCnt =
1910         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1911       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1912     }
1913
1914   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1915   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1916
1917   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1918   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1919   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1920   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1921   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1922
1923   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
1924   // loop the predicate will return true for these inputs.
1925   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1926     // If there is a constant, force it into the RHS.
1927     std::swap(LHS, RHS);
1928     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
1929   }
1930
1931   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1932   // while (P != P+100) ++P;
1933
1934   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1935   // ranges to answer this query.
1936   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1937     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1938       if (AddRec->getLoop() == L) {
1939         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1940         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1941         // comparison.
1942         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1943         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1944         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
1945           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
1946         if (CompVal) {
1947           // Form the constant range.
1948           ConstantRange CompRange(
1949               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
1950
1951           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, SE);
1952           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1953         }
1954       }
1955
1956   switch (Cond) {
1957   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
1958     // Convert to: while (X-Y != 0)
1959     SCEVHandle TC = HowFarToZero(SE.getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1960     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1961     break;
1962   }
1963   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
1964     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1965     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(SE.getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1966     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1967     break;
1968   }
1969   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
1970     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
1971     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1972     break;
1973   }
1974   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
1975     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(SE.getNegativeSCEV(LHS),
1976                                      SE.getNegativeSCEV(RHS), L, true);
1977     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1978     break;
1979   }
1980   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
1981     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
1982     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1983     break;
1984   }
1985   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
1986     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(SE.getNotSCEV(LHS),
1987                                      SE.getNotSCEV(RHS), L, false);
1988     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1989     break;
1990   }
1991   default:
1992 #if 0
1993     cerr << "ComputeIterationCount ";
1994     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1995       cerr << "[unsigned] ";
1996     cerr << *LHS << "   "
1997          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
1998          << "   " << *RHS << "\n";
1999 #endif
2000     break;
2001   }
2002   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
2003                                        ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2004 }
2005
2006 static ConstantInt *
2007 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
2008                                 ScalarEvolution &SE) {
2009   SCEVHandle InVal = SE.getConstant(C);
2010   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
2011   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
2012          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
2013   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
2014 }
2015
2016 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
2017 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
2018 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
2019 /// invalid.
2020 static Constant *
2021 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
2022                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
2023   Constant *Init = GV->getInitializer();
2024   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
2025     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
2026     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
2027       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
2028       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
2029     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
2030       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
2031       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
2032     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
2033       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2034         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
2035         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
2036       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
2037         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
2038         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
2039       } else {
2040         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
2041       }
2042       return 0;
2043     } else {
2044       return 0; // Unknown initializer type
2045     }
2046   }
2047   return Init;
2048 }
2049
2050 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
2051 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
2052 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2053 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
2054                                          const Loop *L, 
2055                                          ICmpInst::Predicate predicate) {
2056   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
2057
2058   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
2059   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
2060   if (!GEP) return UnknownValue;
2061
2062   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
2063   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
2064   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
2065   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
2066       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
2067       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
2068     return UnknownValue;
2069
2070   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
2071   Value *VarIdx = 0;
2072   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
2073   unsigned VarIdxNum = 0;
2074   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
2075     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2076       Indexes.push_back(CI);
2077     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2078       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
2079       VarIdx = GEP->getOperand(i);
2080       VarIdxNum = i-2;
2081       Indexes.push_back(0);
2082     }
2083
2084   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
2085   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
2086   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
2087   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
2088   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
2089
2090   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
2091   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
2092   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
2093   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
2094       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
2095       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
2096     return UnknownValue;
2097
2098   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
2099   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
2100     ConstantInt *ItCst =
2101       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
2102     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, SE);
2103
2104     // Form the GEP offset.
2105     Indexes[VarIdxNum] = Val;
2106
2107     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
2108     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
2109
2110     // Evaluate the condition for this iteration.
2111     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
2112     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
2113     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
2114 #if 0
2115       cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
2116            << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
2117            << "***\n";
2118 #endif
2119       ++NumArrayLenItCounts;
2120       return SE.getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
2121     }
2122   }
2123   return UnknownValue;
2124 }
2125
2126
2127 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
2128 /// specified type, assuming that all operands were constants.
2129 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
2130   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2131       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
2132     return true;
2133
2134   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
2135     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
2136       return canConstantFoldCallTo(F);
2137   return false;
2138 }
2139
2140 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
2141 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
2142 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
2143 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
2144 /// constraints, return null.
2145 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
2146   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
2147   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
2148   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
2149   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
2150
2151   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
2152     if (L->getHeader() == I->getParent())
2153       return PN;
2154     else
2155       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
2156       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
2157       return 0;
2158   }
2159
2160   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
2161   // are constants, return early.
2162   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
2163
2164   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
2165   // constant or derived from a PHI node themselves.
2166   PHINode *PHI = 0;
2167   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
2168     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
2169           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
2170       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
2171       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
2172       if (PHI == 0)
2173         PHI = P;
2174       else if (PHI != P)
2175         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
2176     }
2177
2178   // This is a expression evolving from a constant PHI!
2179   return PHI;
2180 }
2181
2182 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
2183 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
2184 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
2185 /// reason, return null.
2186 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
2187   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
2188   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
2189   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
2190
2191   std::vector<Constant*> Operands;
2192   Operands.resize(I->getNumOperands());
2193
2194   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2195     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
2196     if (Operands[i] == 0) return 0;
2197   }
2198
2199   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2200     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2201                                            &Operands[0], Operands.size());
2202   else
2203     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2204                                     &Operands[0], Operands.size());
2205 }
2206
2207 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
2208 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
2209 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
2210 /// involving constants, fold it.
2211 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
2212 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its, const Loop *L){
2213   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
2214     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
2215   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
2216     return I->second;
2217
2218   if (Its.ugt(APInt(Its.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
2219     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
2220
2221   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
2222
2223   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2224   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2225   // second must be derived from the same PHI.
2226   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2227   Constant *StartCST =
2228     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2229   if (StartCST == 0)
2230     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
2231
2232   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2233   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2234   if (PN2 != PN)
2235     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
2236
2237   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
2238   if (Its.getActiveBits() >= 32)
2239     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
2240
2241   unsigned NumIterations = Its.getZExtValue(); // must be in range
2242   unsigned IterationNum = 0;
2243   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
2244     if (IterationNum == NumIterations)
2245       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
2246
2247     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2248     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2249     if (NextPHI == PHIVal)
2250       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
2251     if (NextPHI == 0)
2252       return 0;        // Couldn't evaluate!
2253     PHIVal = NextPHI;
2254   }
2255 }
2256
2257 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
2258 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
2259 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
2260 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
2261 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
2262 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2263 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
2264   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
2265   if (PN == 0) return UnknownValue;
2266
2267   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2268   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2269   // second must be derived from the same PHI.
2270   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2271   Constant *StartCST =
2272     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2273   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
2274
2275   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2276   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2277   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
2278
2279   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
2280   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
2281   // "ExitWhen".
2282   unsigned IterationNum = 0;
2283   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
2284   for (Constant *PHIVal = StartCST;
2285        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
2286     ConstantInt *CondVal =
2287       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
2288
2289     // Couldn't symbolically evaluate.
2290     if (!CondVal) return UnknownValue;
2291
2292     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
2293       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
2294       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
2295       return SE.getConstant(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
2296     }
2297
2298     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2299     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2300     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
2301       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
2302     PHIVal = NextPHI;
2303   }
2304
2305   // Too many iterations were needed to evaluate.
2306   return UnknownValue;
2307 }
2308
2309 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
2310 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
2311 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
2312 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
2313   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
2314
2315   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
2316
2317   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
2318   // exit value from the loop without using SCEVs.
2319   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
2320     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
2321       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
2322       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
2323         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
2324           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
2325             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
2326             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
2327             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
2328             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
2329             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
2330               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
2331               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
2332               // the specified iteration number.
2333               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
2334                                                     ICC->getValue()->getValue(),
2335                                                                LI);
2336               if (RV) return SE.getUnknown(RV);
2337             }
2338           }
2339
2340       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
2341       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
2342       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
2343       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
2344       if (CanConstantFold(I)) {
2345         std::vector<Constant*> Operands;
2346         Operands.reserve(I->getNumOperands());
2347         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2348           Value *Op = I->getOperand(i);
2349           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
2350             Operands.push_back(C);
2351           } else {
2352             // If any of the operands is non-constant and if they are
2353             // non-integer, don't even try to analyze them with scev techniques.
2354             if (!isa<IntegerType>(Op->getType()))
2355               return V;
2356               
2357             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
2358             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
2359               Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(SC->getValue(), 
2360                                                               Op->getType(), 
2361                                                               false));
2362             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
2363               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
2364                 Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(C, 
2365                                                                 Op->getType(), 
2366                                                                 false));
2367               else
2368                 return V;
2369             } else {
2370               return V;
2371             }
2372           }
2373         }
2374         
2375         Constant *C;
2376         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2377           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2378                                               &Operands[0], Operands.size());
2379         else
2380           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2381                                        &Operands[0], Operands.size());
2382         return SE.getUnknown(C);
2383       }
2384     }
2385
2386     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
2387     return V;
2388   }
2389
2390   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2391     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2392     // expression has no loop-variant portions.
2393     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2394       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2395       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2396         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2397         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2398         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2399         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2400         NewOps.push_back(OpAtScope);
2401
2402         for (++i; i != e; ++i) {
2403           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2404           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2405           NewOps.push_back(OpAtScope);
2406         }
2407         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2408           return SE.getAddExpr(NewOps);
2409         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
2410           return SE.getMulExpr(NewOps);
2411         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
2412           return SE.getSMaxExpr(NewOps);
2413         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
2414           return SE.getUMaxExpr(NewOps);
2415         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
2416       }
2417     }
2418     // If we got here, all operands are loop invariant.
2419     return Comm;
2420   }
2421
2422   if (SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
2423     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2424     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2425     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2426     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2427     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2428       return Div;   // must be loop invariant
2429     return SE.getUDivExpr(LHS, RHS);
2430   }
2431
2432   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2433   // are dealing with the final value computed by the loop.
2434   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2435     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2436       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2437       // loop iterates.  Compute this now.
2438       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
2439       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2440       IterationCount = SE.getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
2441                                                   AddRec->getType());
2442
2443       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
2444       // Start + Step*IterationCount.
2445       if (AddRec->isAffine())
2446         return SE.getAddExpr(AddRec->getStart(),
2447                              SE.getMulExpr(IterationCount,
2448                                            AddRec->getOperand(1)));
2449
2450       // Otherwise, evaluate it the hard way.
2451       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount, SE);
2452     }
2453     return UnknownValue;
2454   }
2455
2456   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2457   return UnknownValue;
2458 }
2459
2460
2461 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2462 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2463 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2464 ///
2465 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2466 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
2467   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2468   SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2469   SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2470   SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2471
2472   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2473   if (!LC || !MC || !NC) {
2474     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2475     return std::make_pair(CNC, CNC);
2476   }
2477
2478   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2479   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
2480   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
2481   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
2482   APInt Two(BitWidth, 2);
2483   APInt Four(BitWidth, 4);
2484
2485   { 
2486     using namespace APIntOps;
2487     const APInt& C = L;
2488     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2489     // The B coefficient is M-N/2
2490     APInt B(M);
2491     B -= sdiv(N,Two);
2492
2493     // The A coefficient is N/2
2494     APInt A(N.sdiv(Two));
2495
2496     // Compute the B^2-4ac term.
2497     APInt SqrtTerm(B);
2498     SqrtTerm *= B;
2499     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2500
2501     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2502     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2503     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2504
2505     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2506     // The divisions must be performed as signed divisions.
2507     APInt NegB(-B);
2508     APInt TwoA( A << 1 );
2509     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2510     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2511
2512     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1), 
2513                           SE.getConstant(Solution2));
2514     } // end APIntOps namespace
2515 }
2516
2517 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2518 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2519 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2520   // If the value is a constant
2521   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2522     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2523     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2524     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2525   }
2526
2527   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2528   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2529     return UnknownValue;
2530
2531   if (AddRec->isAffine()) {
2532     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2533     // equal to:
2534     //
2535     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2536     //
2537     // Get the initial value for the loop.
2538     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2539     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2540     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2541
2542     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2543
2544     // Figure out if Start % Step == 0.
2545     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2546     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2547       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2548         return SE.getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2549       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2550         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2551
2552       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2553       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2554         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2555         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2556         Constant *Rem = ConstantExpr::getURem(StartNegC, StepC->getValue());
2557         if (Rem->isNullValue()) {
2558           Constant *Result = ConstantExpr::getUDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2559           return SE.getUnknown(Result);
2560         }
2561       }
2562     }
2563   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2564     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2565     // the quadratic equation to solve it.
2566     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec, SE);
2567     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2568     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2569     if (R1) {
2570 #if 0
2571       cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2572            << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2573 #endif
2574       // Pick the smallest positive root value.
2575       if (ConstantInt *CB =
2576           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2577                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2578         if (CB->getZExtValue() == false)
2579           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2580
2581         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2582         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2583         // should not accept a root of 2.
2584         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, SE);
2585         if (Val->isZero())
2586           return R1;  // We found a quadratic root!
2587       }
2588     }
2589   }
2590
2591   return UnknownValue;
2592 }
2593
2594 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2595 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2596 /// UnknownValue
2597 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2598   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2599   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2600   // future as needed.
2601
2602   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2603   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2604   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2605     if (!C->getValue()->isNullValue())
2606       return SE.getIntegerSCEV(0, C->getType());
2607     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2608   }
2609
2610   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2611   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2612   return UnknownValue;
2613 }
2614
2615 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
2616 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
2617 /// UnknownValue.
2618 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2619 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L, bool isSigned) {
2620   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
2621   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
2622
2623   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
2624   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2625     return UnknownValue;
2626
2627   if (AddRec->isAffine()) {
2628     // FORNOW: We only support unit strides.
2629     SCEVHandle One = SE.getIntegerSCEV(1, RHS->getType());
2630     if (AddRec->getOperand(1) != One)
2631       return UnknownValue;
2632
2633     // We know the LHS is of the form {n,+,1} and the RHS is some loop-invariant
2634     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,1} < m is true.
2635     // Note that we cannot simply return max(m-n,0) because it's not safe to
2636     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
2637
2638     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
2639     SCEVHandle Start = AddRec->getOperand(0);
2640
2641     // Then, we get the value of the LHS in the first iteration in which the
2642     // above condition doesn't hold.  This equals to max(m,n).
2643     SCEVHandle End = isSigned ? SE.getSMaxExpr(RHS, Start)
2644                               : SE.getUMaxExpr(RHS, Start);
2645
2646     // Finally, we subtract these two values to get the number of times the
2647     // backedge is executed: max(m,n)-n.
2648     return SE.getMinusSCEV(End, Start);
2649   }
2650
2651   return UnknownValue;
2652 }
2653
2654 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2655 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2656 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2657 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2658 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2659 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
2660                                                    ScalarEvolution &SE) const {
2661   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2662     return new SCEVCouldNotCompute();
2663
2664   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2665   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2666     if (!SC->getValue()->isZero()) {
2667       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2668       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2669       SCEVHandle Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
2670       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2671         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2672                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
2673       // This is strange and shouldn't happen.
2674       return new SCEVCouldNotCompute();
2675     }
2676
2677   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2678   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2679   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2680     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2681       return new SCEVCouldNotCompute();
2682
2683
2684   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2685   // that the start element is zero.
2686
2687   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2688   // iteration exits.
2689   if (!Range.contains(APInt(getBitWidth(),0))) 
2690     return SE.getConstant(ConstantInt::get(getType(),0));
2691
2692   if (isAffine()) {
2693     // If this is an affine expression then we have this situation:
2694     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2695
2696     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
2697     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
2698     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
2699     // value.  Also note that we already checked for a full range.
2700     APInt One(getBitWidth(),1);
2701     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
2702     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
2703
2704     // The exit value should be (End+A)/A.
2705     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
2706     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
2707
2708     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2709     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2710     // things must have happened.
2711     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
2712     if (Range.contains(Val->getValue()))
2713       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2714
2715     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2716     assert(Range.contains(
2717            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
2718            ConstantInt::get(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
2719            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2720     return SE.getConstant(ExitValue);
2721   } else if (isQuadratic()) {
2722     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2723     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2724     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2725     // Range.getUpper() is crossed.
2726     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2727     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
2728     SCEVHandle NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
2729
2730     // Next, solve the constructed addrec
2731     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2732       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
2733     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2734     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2735     if (R1) {
2736       // Pick the smallest positive root value.
2737       if (ConstantInt *CB =
2738           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2739                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2740         if (CB->getZExtValue() == false)
2741           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2742
2743         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2744         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2745         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2746         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2747                                                              R1->getValue(),
2748                                                              SE);
2749         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
2750           // The next iteration must be out of the range...
2751           ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()+1);
2752
2753           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
2754           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
2755             return SE.getConstant(NextVal);
2756           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2757         }
2758
2759         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2760         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2761         ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()-1);
2762         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
2763         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
2764           return R1;
2765         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2766       }
2767     }
2768   }
2769
2770   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2771   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2772   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2773   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2774   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2775   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2776   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2777   do {
2778     ++NumBruteForceEvaluations;
2779     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SE.getConstant(TestVal), SE);
2780     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2781       return new SCEVCouldNotCompute();
2782
2783     // Check to see if we found the value!
2784     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()->getValue()))
2785       return SE.getConstant(TestVal);
2786
2787     // Increment to test the next index.
2788     TestVal = ConstantInt::get(TestVal->getValue()+1);
2789   } while (TestVal != EndVal);
2790
2791   return new SCEVCouldNotCompute();
2792 }
2793
2794
2795
2796 //===----------------------------------------------------------------------===//
2797 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2798 //===----------------------------------------------------------------------===//
2799
2800 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2801   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(*this, F, getAnalysis<LoopInfo>());
2802   return false;
2803 }
2804
2805 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2806   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2807   Impl = 0;
2808 }
2809
2810 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2811   AU.setPreservesAll();
2812   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2813 }
2814
2815 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2816   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2817 }
2818
2819 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
2820 /// computed.
2821 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
2822   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->hasSCEV(V);
2823 }
2824
2825
2826 /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
2827 /// the specified value.
2828 void ScalarEvolution::setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
2829   ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->setSCEV(V, H);
2830 }
2831
2832
2833 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2834   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2835 }
2836
2837 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2838   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2839 }
2840
2841 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2842   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2843 }
2844
2845 void ScalarEvolution::deleteValueFromRecords(Value *V) const {
2846   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteValueFromRecords(V);
2847 }
2848
2849 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE,
2850                           const Loop *L) {
2851   // Print all inner loops first
2852   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2853     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2854
2855   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2856
2857   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
2858   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2859   if (ExitBlocks.size() != 1)
2860     OS << "<multiple exits> ";
2861
2862   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2863     OS << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2864   } else {
2865     OS << "Unpredictable iteration count. ";
2866   }
2867
2868   OS << "\n";
2869 }
2870
2871 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
2872   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2873   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2874
2875   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2876   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2877     if (I->getType()->isInteger()) {
2878       OS << *I;
2879       OS << "  --> ";
2880       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2881       SV->print(OS);
2882       OS << "\t\t";
2883
2884       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2885         OS << "Exits: ";
2886         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2887         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2888           OS << "<<Unknown>>";
2889         } else {
2890           OS << *ExitValue;
2891         }
2892       }
2893
2894
2895       OS << "\n";
2896     }
2897
2898   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2899   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2900     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2901 }