ae3d10033f162f87c44419055def51db0ecf9bba
[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 /// getValueRange - Return the tightest constant bounds that this value is
121 /// known to have.  This method is only valid on integer SCEV objects.
122 ConstantRange SCEV::getValueRange() const {
123   const Type *Ty = getType();
124   assert(Ty->isInteger() && "Can't get range for a non-integer SCEV!");
125   // Default to a full range if no better information is available.
126   return ConstantRange(getBitWidth());
127 }
128
129 uint32_t SCEV::getBitWidth() const {
130   if (const IntegerType* ITy = dyn_cast<IntegerType>(getType()))
131     return ITy->getBitWidth();
132   return 0;
133 }
134
135
136 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
137
138 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
139   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
140   return false;
141 }
142
143 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
144   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
145   return 0;
146 }
147
148 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
149   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
150   return false;
151 }
152
153 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
154 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
155                                   const SCEVHandle &Conc,
156                                   ScalarEvolution &SE) const {
157   return this;
158 }
159
160 void SCEVCouldNotCompute::print(std::ostream &OS) const {
161   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
162 }
163
164 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
165   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
166 }
167
168
169 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
170 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
171 // never be deleted!
172 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
173
174
175 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
176   SCEVConstants->erase(V);
177 }
178
179 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
180   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
181   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
182   return R;
183 }
184
185 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
186   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
187 }
188
189 ConstantRange SCEVConstant::getValueRange() const {
190   return ConstantRange(V->getValue());
191 }
192
193 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
194
195 void SCEVConstant::print(std::ostream &OS) const {
196   WriteAsOperand(OS, V, false);
197 }
198
199 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
200 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
201 // never be deleted!
202 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>, 
203                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
204
205 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
206   : SCEV(scTruncate), Op(op), Ty(ty) {
207   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
208          "Cannot truncate non-integer value!");
209   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits()
210          && "This is not a truncating conversion!");
211 }
212
213 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
214   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
215 }
216
217 ConstantRange SCEVTruncateExpr::getValueRange() const {
218   return getOperand()->getValueRange().truncate(getBitWidth());
219 }
220
221 void SCEVTruncateExpr::print(std::ostream &OS) const {
222   OS << "(truncate " << *Op << " to " << *Ty << ")";
223 }
224
225 // SCEVZeroExtends - Only allow the creation of one SCEVZeroExtendExpr for any
226 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
227 // be deleted!
228 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
229                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
230
231 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
232   : SCEV(scZeroExtend), Op(op), Ty(ty) {
233   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
234          "Cannot zero extend non-integer value!");
235   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
236          && "This is not an extending conversion!");
237 }
238
239 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
240   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
241 }
242
243 ConstantRange SCEVZeroExtendExpr::getValueRange() const {
244   return getOperand()->getValueRange().zeroExtend(getBitWidth());
245 }
246
247 void SCEVZeroExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
248   OS << "(zeroextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
249 }
250
251 // SCEVSignExtends - Only allow the creation of one SCEVSignExtendExpr for any
252 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
253 // be deleted!
254 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, const Type*>,
255                      SCEVSignExtendExpr*> > SCEVSignExtends;
256
257 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
258   : SCEV(scSignExtend), Op(op), Ty(ty) {
259   assert(Op->getType()->isInteger() && Ty->isInteger() &&
260          "Cannot sign extend non-integer value!");
261   assert(Op->getType()->getPrimitiveSizeInBits() < Ty->getPrimitiveSizeInBits()
262          && "This is not an extending conversion!");
263 }
264
265 SCEVSignExtendExpr::~SCEVSignExtendExpr() {
266   SCEVSignExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
267 }
268
269 ConstantRange SCEVSignExtendExpr::getValueRange() const {
270   return getOperand()->getValueRange().signExtend(getBitWidth());
271 }
272
273 void SCEVSignExtendExpr::print(std::ostream &OS) const {
274   OS << "(signextend " << *Op << " to " << *Ty << ")";
275 }
276
277 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
278 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
279 // be deleted!
280 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<SCEV*> >,
281                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
282
283 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
284   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(),
285                                       std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
286                                                          Operands.end())));
287 }
288
289 void SCEVCommutativeExpr::print(std::ostream &OS) const {
290   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
291   const char *OpStr = getOperationStr();
292   OS << "(" << *Operands[0];
293   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
294     OS << OpStr << *Operands[i];
295   OS << ")";
296 }
297
298 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
299 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
300                                   const SCEVHandle &Conc,
301                                   ScalarEvolution &SE) const {
302   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
303     SCEVHandle H =
304       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
305     if (H != getOperand(i)) {
306       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
307       NewOps.reserve(getNumOperands());
308       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
309         NewOps.push_back(getOperand(j));
310       NewOps.push_back(H);
311       for (++i; i != e; ++i)
312         NewOps.push_back(getOperand(i)->
313                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
314
315       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
316         return SE.getAddExpr(NewOps);
317       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
318         return SE.getMulExpr(NewOps);
319       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
320         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
321       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
322         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
323       else
324         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
325     }
326   }
327   return this;
328 }
329
330
331 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
332 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
333 // deleted!
334 static ManagedStatic<std::map<std::pair<SCEV*, SCEV*>, 
335                      SCEVUDivExpr*> > SCEVUDivs;
336
337 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
338   SCEVUDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
339 }
340
341 void SCEVUDivExpr::print(std::ostream &OS) const {
342   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
343 }
344
345 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
346   return LHS->getType();
347 }
348
349 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
350 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
351 // be deleted!
352 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *, std::vector<SCEV*> >,
353                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
354
355 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
356   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L,
357                                         std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
358                                                            Operands.end())));
359 }
360
361 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
362 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
363                                   const SCEVHandle &Conc,
364                                   ScalarEvolution &SE) const {
365   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
366     SCEVHandle H =
367       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
368     if (H != getOperand(i)) {
369       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
370       NewOps.reserve(getNumOperands());
371       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
372         NewOps.push_back(getOperand(j));
373       NewOps.push_back(H);
374       for (++i; i != e; ++i)
375         NewOps.push_back(getOperand(i)->
376                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
377
378       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
379     }
380   }
381   return this;
382 }
383
384
385 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
386   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
387   // contain L and if the start is invariant.
388   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
389          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
390 }
391
392
393 void SCEVAddRecExpr::print(std::ostream &OS) const {
394   OS << "{" << *Operands[0];
395   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
396     OS << ",+," << *Operands[i];
397   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
398 }
399
400 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
401 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
402 // deleted!
403 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
404
405 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
406
407 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
408   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
409   // invariant if they are not contained in the specified loop.
410   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
411     return !L->contains(I->getParent());
412   return true;
413 }
414
415 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
416   return V->getType();
417 }
418
419 void SCEVUnknown::print(std::ostream &OS) const {
420   WriteAsOperand(OS, V, false);
421 }
422
423 //===----------------------------------------------------------------------===//
424 //                               SCEV Utilities
425 //===----------------------------------------------------------------------===//
426
427 namespace {
428   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
429   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
430   /// expressions.
431   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
432     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
433       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
434     }
435   };
436 }
437
438 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
439 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
440 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
441 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
442 ///
443 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
444 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
445 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
446 /// land in memory.
447 ///
448 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
449   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
450   if (Ops.size() == 2) {
451     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
452     // Special case it.
453     if (SCEVComplexityCompare()(Ops[1], Ops[0]))
454       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
455     return;
456   }
457
458   // Do the rough sort by complexity.
459   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
460
461   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
462   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
463   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
464   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
465   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
466     SCEV *S = Ops[i];
467     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
468
469     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
470     // one, group them.
471     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
472       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
473         // Move it to immediately after i'th element.
474         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
475         ++i;   // no need to rescan it.
476         if (i == e-2) return;  // Done!
477       }
478     }
479   }
480 }
481
482
483
484 //===----------------------------------------------------------------------===//
485 //                      Simple SCEV method implementations
486 //===----------------------------------------------------------------------===//
487
488 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
489 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
490 SCEVHandle ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
491   Constant *C;
492   if (Val == 0)
493     C = Constant::getNullValue(Ty);
494   else if (Ty->isFloatingPoint())
495     C = ConstantFP::get(APFloat(Ty==Type::FloatTy ? APFloat::IEEEsingle : 
496                                 APFloat::IEEEdouble, Val));
497   else 
498     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
499   return getUnknown(C);
500 }
501
502 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
503 ///
504 SCEVHandle ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
505   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
506     return getUnknown(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
507
508   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(V->getType())));
509 }
510
511 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
512 SCEVHandle ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEVHandle &V) {
513   if (SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
514     return getUnknown(ConstantExpr::getNot(VC->getValue()));
515
516   SCEVHandle AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(V->getType()));
517   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
518 }
519
520 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
521 ///
522 SCEVHandle ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
523                                          const SCEVHandle &RHS) {
524   // X - Y --> X + -Y
525   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
526 }
527
528
529 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result is of the same type as
530 /// It.  Assume, K > 0.
531 static SCEVHandle BinomialCoefficient(SCEVHandle It, unsigned K,
532                                       ScalarEvolution &SE) {
533   // We are using the following formula for BC(It, K):
534   //
535   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
536   //
537   // Suppose, W is the bitwidth of It (and of the return value as well).  We
538   // must be prepared for overflow.  Hence, we must assure that the result of
539   // our computation is equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately,
540   // division isn't safe in modular arithmetic.  This means we must perform the
541   // whole computation accurately and then truncate the result to W bits.
542   //
543   // The dividend of the formula is a multiplication of K integers of bitwidth
544   // W.  K*W bits suffice to compute it accurately.
545   //
546   // FIXME: We assume the divisor can be accurately computed using 16-bit
547   // unsigned integer type. It is true up to K = 8 (AddRecs of length 9). In
548   // future we may use APInt to use the minimum number of bits necessary to
549   // compute it accurately.
550   //
551   // It is safe to use unsigned division here: the dividend is nonnegative and
552   // the divisor is positive.
553
554   // Handle the simplest case efficiently.
555   if (K == 1)
556     return It;
557
558   assert(K < 9 && "We cannot handle such long AddRecs yet.");
559   
560   // FIXME: A temporary hack to remove in future.  Arbitrary precision integers
561   // aren't supported by the code generator yet.  For the dividend, the bitwidth
562   // we use is the smallest power of 2 greater or equal to K*W and less or equal
563   // to 64.  Note that setting the upper bound for bitwidth may still lead to
564   // miscompilation in some cases.
565   unsigned DividendBits = 1U << Log2_32_Ceil(K * It->getBitWidth());
566   if (DividendBits > 64)
567     DividendBits = 64;
568 #if 0 // Waiting for the APInt support in the code generator...
569   unsigned DividendBits = K * It->getBitWidth();
570 #endif
571
572   const IntegerType *DividendTy = IntegerType::get(DividendBits);
573   const SCEVHandle ExIt = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, DividendTy);
574
575   // The final number of bits we need to perform the division is the maximum of
576   // dividend and divisor bitwidths.
577   const IntegerType *DivisionTy =
578     IntegerType::get(std::max(DividendBits, 16U));
579
580   // Compute K!  We know K >= 2 here.
581   unsigned F = 2;
582   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i)
583     F *= i;
584   APInt Divisor(DivisionTy->getBitWidth(), F);
585
586   // Handle this case efficiently, it is common to have constant iteration
587   // counts while computing loop exit values.
588   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ExIt)) {
589     const APInt& N = SC->getValue()->getValue();
590     APInt Dividend(N.getBitWidth(), 1);
591     for (; K; --K)
592       Dividend *= N-(K-1);
593     if (DividendTy != DivisionTy)
594       Dividend = Dividend.zext(DivisionTy->getBitWidth());
595
596     APInt Result = Dividend.udiv(Divisor);
597     if (Result.getBitWidth() != It->getBitWidth())
598       Result = Result.trunc(It->getBitWidth());
599
600     return SE.getConstant(Result);
601   }
602   
603   SCEVHandle Dividend = ExIt;
604   for (unsigned i = 1; i != K; ++i)
605     Dividend =
606       SE.getMulExpr(Dividend,
607                     SE.getMinusSCEV(ExIt, SE.getIntegerSCEV(i, DividendTy)));
608
609   return SE.getTruncateOrZeroExtend(
610              SE.getUDivExpr(
611                  SE.getTruncateOrZeroExtend(Dividend, DivisionTy),
612                  SE.getConstant(Divisor)
613              ), It->getType());
614 }
615
616 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
617 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
618 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
619 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
620 ///
621 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
622 ///
623 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
624 ///
625 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It,
626                                                ScalarEvolution &SE) const {
627   SCEVHandle Result = getStart();
628   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
629     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
630     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
631     // coefficient.
632     SCEVHandle Val = SE.getMulExpr(getOperand(i),
633                                    BinomialCoefficient(It, i, SE));
634     Result = SE.getAddExpr(Result, Val);
635   }
636   return Result;
637 }
638
639 //===----------------------------------------------------------------------===//
640 //                    SCEV Expression folder implementations
641 //===----------------------------------------------------------------------===//
642
643 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
644   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
645     return getUnknown(
646         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
647
648   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
649   // all of the constants.
650   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
651     std::vector<SCEVHandle> Operands;
652     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
653       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
654       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
655         Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
656       else
657         break;
658     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
659       return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
660   }
661
662   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
663   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
664   return Result;
665 }
666
667 SCEVHandle ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
668   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
669     return getUnknown(
670         ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), Ty));
671
672   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
673   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
674   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
675   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
676
677   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
678   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
679   return Result;
680 }
681
682 SCEVHandle ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op, const Type *Ty) {
683   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
684     return getUnknown(
685         ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), Ty));
686
687   // FIXME: If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
688   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
689   // operands (often constants).  This would allow analysis of something like
690   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
691
692   SCEVSignExtendExpr *&Result = (*SCEVSignExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
693   if (Result == 0) Result = new SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
694   return Result;
695 }
696
697 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
698 /// of the input value to the specified type.  If the type must be
699 /// extended, it is zero extended.
700 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V,
701                                                     const Type *Ty) {
702   const Type *SrcTy = V->getType();
703   assert(SrcTy->isInteger() && Ty->isInteger() &&
704          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
705   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() == Ty->getPrimitiveSizeInBits())
706     return V;  // No conversion
707   if (SrcTy->getPrimitiveSizeInBits() > Ty->getPrimitiveSizeInBits())
708     return getTruncateExpr(V, Ty);
709   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
710 }
711
712 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
713 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
714   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
715   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
716
717   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
718   GroupByComplexity(Ops);
719
720   // If there are any constants, fold them together.
721   unsigned Idx = 0;
722   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
723     ++Idx;
724     assert(Idx < Ops.size());
725     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
726       // We found two constants, fold them together!
727       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() + 
728                                            RHSC->getValue()->getValue());
729       Ops[0] = getConstant(Fold);
730       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
731       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
732       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
733     }
734
735     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
736     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
737       Ops.erase(Ops.begin());
738       --Idx;
739     }
740   }
741
742   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
743
744   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
745   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
746   // list, these values are required to be adjacent.
747   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
748   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
749     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
750       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
751       // remaining values to the result.
752       SCEVHandle Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
753       SCEVHandle Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
754       if (Ops.size() == 2)
755         return Mul;
756       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
757       Ops.push_back(Mul);
758       return getAddExpr(Ops);
759     }
760
761   // Now we know the first non-constant operand.  Skip past any cast SCEVs.
762   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
763     ++Idx;
764
765   // If there are add operands they would be next.
766   if (Idx < Ops.size()) {
767     bool DeletedAdd = false;
768     while (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
769       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
770       // list.
771       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
772       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
773       DeletedAdd = true;
774     }
775
776     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
777     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
778     // any operands we just aquired.
779     if (DeletedAdd)
780       return getAddExpr(Ops);
781   }
782
783   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
784   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
785     ++Idx;
786
787   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
788   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
789   // the multiply.
790   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
791     SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
792     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
793       SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
794       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
795         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
796           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
797           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
798           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
799             // If the multiply has more than two operands, we must get the
800             // Y*Z term.
801             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
802             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
803             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
804           }
805           SCEVHandle One = getIntegerSCEV(1, Ty);
806           SCEVHandle AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
807           SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
808           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
809           if (AddOp < Idx) {
810             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
811             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
812           } else {
813             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
814             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
815           }
816           Ops.push_back(OuterMul);
817           return getAddExpr(Ops);
818         }
819
820       // Check this multiply against other multiplies being added together.
821       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
822            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
823            ++OtherMulIdx) {
824         SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
825         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
826         // together.
827         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
828              OMulOp != e; ++OMulOp)
829           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
830             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
831             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
832             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
833               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
834               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
835               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
836             }
837             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
838             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
839               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
840                                              OtherMul->op_end());
841               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
842               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
843             }
844             SCEVHandle InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
845             SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
846             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
847             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
848             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
849             Ops.push_back(OuterMul);
850             return getAddExpr(Ops);
851           }
852       }
853     }
854   }
855
856   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
857   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
858   // recurrence.
859   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
860     ++Idx;
861
862   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
863   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
864     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
865     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
866     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
867     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
868     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
869       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
870         LIOps.push_back(Ops[i]);
871         Ops.erase(Ops.begin()+i);
872         --i; --e;
873       }
874
875     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
876     if (!LIOps.empty()) {
877       //  NLI + LI + { Start,+,Step}  -->  NLI + { LI+Start,+,Step }
878       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
879
880       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
881       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
882
883       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
884       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
885       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
886
887       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
888       for (unsigned i = 0;; ++i)
889         if (Ops[i] == AddRec) {
890           Ops[i] = NewRec;
891           break;
892         }
893       return getAddExpr(Ops);
894     }
895
896     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
897     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
898     // added together.  If so, we can fold them.
899     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
900          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
901       if (OtherIdx != Idx) {
902         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
903         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
904           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
905           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
906           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
907             if (i >= NewOps.size()) {
908               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
909                             OtherAddRec->op_end());
910               break;
911             }
912             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
913           }
914           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
915
916           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
917
918           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
919           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
920           Ops.push_back(NewAddRec);
921           return getAddExpr(Ops);
922         }
923       }
924
925     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
926     // next one.
927   }
928
929   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
930   // already have one, otherwise create a new one.
931   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
932   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
933                                                                  SCEVOps)];
934   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
935   return Result;
936 }
937
938
939 SCEVHandle ScalarEvolution::getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
940   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
941
942   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
943   GroupByComplexity(Ops);
944
945   // If there are any constants, fold them together.
946   unsigned Idx = 0;
947   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
948
949     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
950     if (Ops.size() == 2)
951       if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
952         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
953             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
954           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
955                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
956
957
958     ++Idx;
959     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
960       // We found two constants, fold them together!
961       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() * 
962                                            RHSC->getValue()->getValue());
963       Ops[0] = getConstant(Fold);
964       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
965       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
966       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
967     }
968
969     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
970     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
971       Ops.erase(Ops.begin());
972       --Idx;
973     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
974       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
975       return Ops[0];
976     }
977   }
978
979   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
980   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
981     ++Idx;
982
983   if (Ops.size() == 1)
984     return Ops[0];
985
986   // If there are mul operands inline them all into this expression.
987   if (Idx < Ops.size()) {
988     bool DeletedMul = false;
989     while (SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
990       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
991       // list.
992       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
993       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
994       DeletedMul = true;
995     }
996
997     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
998     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
999     // any operands we just aquired.
1000     if (DeletedMul)
1001       return getMulExpr(Ops);
1002   }
1003
1004   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1005   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1006   // recurrence.
1007   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1008     ++Idx;
1009
1010   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1011   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1012     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
1013     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1014     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
1015     SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1016     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1017       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1018         LIOps.push_back(Ops[i]);
1019         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1020         --i; --e;
1021       }
1022
1023     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1024     if (!LIOps.empty()) {
1025       //  NLI * LI * { Start,+,Step}  -->  NLI * { LI*Start,+,LI*Step }
1026       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
1027       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1028       if (LIOps.size() == 1) {
1029         SCEV *Scale = LIOps[0];
1030         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1031           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1032       } else {
1033         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1034           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
1035           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1036           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1037         }
1038       }
1039
1040       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1041
1042       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1043       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1044
1045       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1046       for (unsigned i = 0;; ++i)
1047         if (Ops[i] == AddRec) {
1048           Ops[i] = NewRec;
1049           break;
1050         }
1051       return getMulExpr(Ops);
1052     }
1053
1054     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1055     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1056     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1057     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1058          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1059       if (OtherIdx != Idx) {
1060         SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1061         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1062           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1063           SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1064           SCEVHandle NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1065                                                  G->getStart());
1066           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence(*this);
1067           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence(*this);
1068           SCEVHandle NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1069                                           getMulExpr(G, B),
1070                                           getMulExpr(B, D));
1071           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1072                                                F->getLoop());
1073           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1074
1075           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1076           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1077           Ops.push_back(NewAddRec);
1078           return getMulExpr(Ops);
1079         }
1080       }
1081
1082     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1083     // next one.
1084   }
1085
1086   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1087   // already have one, otherwise create a new one.
1088   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1089   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
1090                                                                  SCEVOps)];
1091   if (Result == 0)
1092     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
1093   return Result;
1094 }
1095
1096 SCEVHandle ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1097   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1098     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1099       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1100
1101     if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1102       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1103       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1104       return getUnknown(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV, RHSCV));
1105     }
1106   }
1107
1108   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1109
1110   SCEVUDivExpr *&Result = (*SCEVUDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1111   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1112   return Result;
1113 }
1114
1115
1116 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1117 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1118 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start,
1119                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1120   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1121   Operands.push_back(Start);
1122   if (SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1123     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1124       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1125                       StepChrec->op_end());
1126       return getAddRecExpr(Operands, L);
1127     }
1128
1129   Operands.push_back(Step);
1130   return getAddRecExpr(Operands, L);
1131 }
1132
1133 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1134 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1135 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1136                                const Loop *L) {
1137   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1138
1139   if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Operands.back()))
1140     if (StepC->getValue()->isZero()) {
1141       Operands.pop_back();
1142       return getAddRecExpr(Operands, L);             // { X,+,0 }  -->  X
1143     }
1144
1145   SCEVAddRecExpr *&Result =
1146     (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, std::vector<SCEV*>(Operands.begin(),
1147                                                             Operands.end()))];
1148   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1149   return Result;
1150 }
1151
1152 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1153                                         const SCEVHandle &RHS) {
1154   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1155   Ops.push_back(LHS);
1156   Ops.push_back(RHS);
1157   return getSMaxExpr(Ops);
1158 }
1159
1160 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1161   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1162   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1163
1164   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1165   GroupByComplexity(Ops);
1166
1167   // If there are any constants, fold them together.
1168   unsigned Idx = 0;
1169   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1170     ++Idx;
1171     assert(Idx < Ops.size());
1172     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1173       // We found two constants, fold them together!
1174       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1175                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1176                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1177       Ops[0] = getConstant(Fold);
1178       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1179       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1180       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1181     }
1182
1183     // If we are left with a constant -inf, strip it off.
1184     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1185       Ops.erase(Ops.begin());
1186       --Idx;
1187     }
1188   }
1189
1190   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1191
1192   // Find the first SMax
1193   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1194     ++Idx;
1195
1196   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1197   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1198   if (Idx < Ops.size()) {
1199     bool DeletedSMax = false;
1200     while (SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1201       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1202       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1203       DeletedSMax = true;
1204     }
1205
1206     if (DeletedSMax)
1207       return getSMaxExpr(Ops);
1208   }
1209
1210   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1211   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1212   // be adjacent.
1213   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1214     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1215       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1216       --i; --e;
1217     }
1218
1219   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1220
1221   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1222
1223   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1224   // already have one, otherwise create a new one.
1225   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1226   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scSMaxExpr,
1227                                                                  SCEVOps)];
1228   if (Result == 0) Result = new SCEVSMaxExpr(Ops);
1229   return Result;
1230 }
1231
1232 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1233                                         const SCEVHandle &RHS) {
1234   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1235   Ops.push_back(LHS);
1236   Ops.push_back(RHS);
1237   return getUMaxExpr(Ops);
1238 }
1239
1240 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1241   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1242   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1243
1244   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1245   GroupByComplexity(Ops);
1246
1247   // If there are any constants, fold them together.
1248   unsigned Idx = 0;
1249   if (SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1250     ++Idx;
1251     assert(Idx < Ops.size());
1252     while (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1253       // We found two constants, fold them together!
1254       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1255                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1256                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1257       Ops[0] = getConstant(Fold);
1258       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1259       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1260       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1261     }
1262
1263     // If we are left with a constant zero, strip it off.
1264     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1265       Ops.erase(Ops.begin());
1266       --Idx;
1267     }
1268   }
1269
1270   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1271
1272   // Find the first UMax
1273   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1274     ++Idx;
1275
1276   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1277   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1278   if (Idx < Ops.size()) {
1279     bool DeletedUMax = false;
1280     while (SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1281       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
1282       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1283       DeletedUMax = true;
1284     }
1285
1286     if (DeletedUMax)
1287       return getUMaxExpr(Ops);
1288   }
1289
1290   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1291   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1292   // be adjacent.
1293   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1294     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
1295       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1296       --i; --e;
1297     }
1298
1299   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1300
1301   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
1302
1303   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
1304   // already have one, otherwise create a new one.
1305   std::vector<SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1306   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scUMaxExpr,
1307                                                                  SCEVOps)];
1308   if (Result == 0) Result = new SCEVUMaxExpr(Ops);
1309   return Result;
1310 }
1311
1312 SCEVHandle ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
1313   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1314     return getConstant(CI);
1315   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1316   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1317   return Result;
1318 }
1319
1320
1321 //===----------------------------------------------------------------------===//
1322 //             ScalarEvolutionsImpl Definition and Implementation
1323 //===----------------------------------------------------------------------===//
1324 //
1325 /// ScalarEvolutionsImpl - This class implements the main driver for the scalar
1326 /// evolution code.
1327 ///
1328 namespace {
1329   struct VISIBILITY_HIDDEN ScalarEvolutionsImpl {
1330     /// SE - A reference to the public ScalarEvolution object.
1331     ScalarEvolution &SE;
1332
1333     /// F - The function we are analyzing.
1334     ///
1335     Function &F;
1336
1337     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
1338     ///
1339     LoopInfo &LI;
1340
1341     /// UnknownValue - This SCEV is used to represent unknown trip counts and
1342     /// things.
1343     SCEVHandle UnknownValue;
1344
1345     /// Scalars - This is a cache of the scalars we have analyzed so far.
1346     ///
1347     std::map<Value*, SCEVHandle> Scalars;
1348
1349     /// IterationCounts - Cache the iteration count of the loops for this
1350     /// function as they are computed.
1351     std::map<const Loop*, SCEVHandle> IterationCounts;
1352
1353     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
1354     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
1355     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
1356     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
1357     /// exit value.
1358     std::map<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
1359
1360   public:
1361     ScalarEvolutionsImpl(ScalarEvolution &se, Function &f, LoopInfo &li)
1362       : SE(se), F(f), LI(li), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {}
1363
1364     /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1365     /// expression and create a new one.
1366     SCEVHandle getSCEV(Value *V);
1367
1368     /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1369     /// computed.
1370     bool hasSCEV(Value *V) const {
1371       return Scalars.count(V);
1372     }
1373
1374     /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
1375     /// the specified value.
1376     void setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
1377       bool isNew = Scalars.insert(std::make_pair(V, H)).second;
1378       assert(isNew && "This entry already existed!");
1379     }
1380
1381
1382     /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within
1383     /// the indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
1384     /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue itself.
1385     SCEVHandle getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L);
1386
1387
1388     /// hasLoopInvariantIterationCount - Return true if the specified loop has
1389     /// an analyzable loop-invariant iteration count.
1390     bool hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L);
1391
1392     /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1393     /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1394     /// loop without a loop-invariant iteration count.
1395     SCEVHandle getIterationCount(const Loop *L);
1396
1397     /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1398     /// client before it removes a value from the program, to make sure
1399     /// that no dangling references are left around.
1400     void deleteValueFromRecords(Value *V);
1401
1402   private:
1403     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1404     /// Analyze the expression.
1405     SCEVHandle createSCEV(Value *V);
1406
1407     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
1408     /// SCEVs.
1409     SCEVHandle createNodeForPHI(PHINode *PN);
1410
1411     /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value
1412     /// for the specified instruction and replaces any references to the
1413     /// symbolic value SymName with the specified value.  This is used during
1414     /// PHI resolution.
1415     void ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I,
1416                                           const SCEVHandle &SymName,
1417                                           const SCEVHandle &NewVal);
1418
1419     /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1420     /// will iterate.
1421     SCEVHandle ComputeIterationCount(const Loop *L);
1422
1423     /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
1424     /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
1425     SCEVHandle ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI,
1426                                                         Constant *RHS,
1427                                                         const Loop *L,
1428                                                         ICmpInst::Predicate p);
1429
1430     /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
1431     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
1432     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
1433     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
1434     /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
1435     SCEVHandle ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond,
1436                                                  bool ExitWhen);
1437
1438     /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the
1439     /// specified value to zero will execute.  If not computable, return
1440     /// UnknownValue.
1441     SCEVHandle HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L);
1442
1443     /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
1444     /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
1445     /// UnknownValue.
1446     SCEVHandle HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L);
1447
1448     /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
1449     /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
1450     /// UnknownValue. isSigned specifies whether the less-than is signed.
1451     SCEVHandle HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L,
1452                                 bool isSigned);
1453
1454     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
1455     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
1456     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
1457     /// involving constants, fold it.
1458     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its,
1459                                                 const Loop *L);
1460   };
1461 }
1462
1463 //===----------------------------------------------------------------------===//
1464 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1465 //
1466
1467 /// deleteValueFromRecords - This method should be called by the
1468 /// client before it removes an instruction from the program, to make sure
1469 /// that no dangling references are left around.
1470 void ScalarEvolutionsImpl::deleteValueFromRecords(Value *V) {
1471   SmallVector<Value *, 16> Worklist;
1472
1473   if (Scalars.erase(V)) {
1474     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(V))
1475       ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1476     Worklist.push_back(V);
1477   }
1478
1479   while (!Worklist.empty()) {
1480     Value *VV = Worklist.back();
1481     Worklist.pop_back();
1482
1483     for (Instruction::use_iterator UI = VV->use_begin(), UE = VV->use_end();
1484          UI != UE; ++UI) {
1485       Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
1486       if (Scalars.erase(Inst)) {
1487         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(VV))
1488           ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
1489         Worklist.push_back(Inst);
1490       }
1491     }
1492   }
1493 }
1494
1495
1496 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1497 /// expression and create a new one.
1498 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEV(Value *V) {
1499   assert(V->getType() != Type::VoidTy && "Can't analyze void expressions!");
1500
1501   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1502   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1503   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1504   Scalars.insert(std::make_pair(V, S));
1505   return S;
1506 }
1507
1508 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1509 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1510 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1511 void ScalarEvolutionsImpl::
1512 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1513                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1514   std::map<Value*, SCEVHandle>::iterator SI = Scalars.find(I);
1515   if (SI == Scalars.end()) return;
1516
1517   SCEVHandle NV =
1518     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, SE);
1519   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1520
1521   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1522
1523   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1524   // updated!
1525   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1526        UI != E; ++UI)
1527     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1528 }
1529
1530 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1531 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1532 ///
1533 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1534   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1535     if (const Loop *L = LI.getLoopFor(PN->getParent()))
1536       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1537         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1538         // from outside the loop, and one from inside.
1539         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1540         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1541
1542         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1543         SCEVHandle SymbolicName = SE.getUnknown(PN);
1544         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1545                "PHI node already processed?");
1546         Scalars.insert(std::make_pair(PN, SymbolicName));
1547
1548         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1549         // the back-edge.
1550         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1551
1552         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1553         // has a special value for the first iteration of the loop.
1554
1555         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1556         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1557         if (SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1558           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1559           // with a recurrence.
1560           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1561           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1562             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1563               if (FoundIndex == e) {
1564                 FoundIndex = i;
1565                 break;
1566               }
1567
1568           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1569             // Create an add with everything but the specified operand.
1570             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1571             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1572               if (i != FoundIndex)
1573                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1574             SCEVHandle Accum = SE.getAddExpr(Ops);
1575
1576             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1577             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1578             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1579                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1580                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1581               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1582               SCEVHandle PHISCEV  = SE.getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
1583
1584               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1585               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1586               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1587               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1588               // value.
1589               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1590               return PHISCEV;
1591             }
1592           }
1593         } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1594           // Otherwise, this could be a loop like this:
1595           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1596           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1597           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1598           // i really is an addrec evolution.
1599           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1600             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1601
1602             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1603             // initial step of the addrec evolution.
1604             if (StartVal == SE.getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1605                                             AddRec->getOperand(1))) {
1606               SCEVHandle PHISCEV = 
1607                  SE.getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1608
1609               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1610               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1611               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1612               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1613               // value.
1614               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1615               return PHISCEV;
1616             }
1617           }
1618         }
1619
1620         return SymbolicName;
1621       }
1622
1623   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1624   return SE.getUnknown(PN);
1625 }
1626
1627 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
1628 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
1629 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
1630 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
1631 static uint32_t GetMinTrailingZeros(SCEVHandle S) {
1632   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
1633     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
1634
1635   if (SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1636     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand()), T->getBitWidth());
1637
1638   if (SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
1639     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
1640     return OpRes == E->getOperand()->getBitWidth() ? E->getBitWidth() : OpRes;
1641   }
1642
1643   if (SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
1644     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand());
1645     return OpRes == E->getOperand()->getBitWidth() ? E->getBitWidth() : OpRes;
1646   }
1647
1648   if (SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1649     // The result is the min of all operands results.
1650     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
1651     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1652       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
1653     return MinOpRes;
1654   }
1655
1656   if (SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1657     // The result is the sum of all operands results.
1658     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1659     uint32_t BitWidth = M->getBitWidth();
1660     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
1661          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
1662       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)),
1663                           BitWidth);
1664     return SumOpRes;
1665   }
1666
1667   if (SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1668     // The result is the min of all operands results.
1669     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0));
1670     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1671       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i)));
1672     return MinOpRes;
1673   }
1674
1675   if (SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
1676     // The result is the min of all operands results.
1677     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1678     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1679       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
1680     return MinOpRes;
1681   }
1682
1683   if (SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
1684     // The result is the min of all operands results.
1685     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0));
1686     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1687       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i)));
1688     return MinOpRes;
1689   }
1690
1691   // SCEVUDivExpr, SCEVUnknown
1692   return 0;
1693 }
1694
1695 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1696 /// Analyze the expression.
1697 ///
1698 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::createSCEV(Value *V) {
1699   if (!isa<IntegerType>(V->getType()))
1700     return SE.getUnknown(V);
1701     
1702   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
1703     switch (I->getOpcode()) {
1704     case Instruction::Add:
1705       return SE.getAddExpr(getSCEV(I->getOperand(0)),
1706                            getSCEV(I->getOperand(1)));
1707     case Instruction::Mul:
1708       return SE.getMulExpr(getSCEV(I->getOperand(0)),
1709                            getSCEV(I->getOperand(1)));
1710     case Instruction::UDiv:
1711       return SE.getUDivExpr(getSCEV(I->getOperand(0)),
1712                             getSCEV(I->getOperand(1)));
1713     case Instruction::Sub:
1714       return SE.getMinusSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)),
1715                              getSCEV(I->getOperand(1)));
1716     case Instruction::Or:
1717       // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1718       // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
1719       // optimizations will transparently handle this case.
1720       //
1721       // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
1722       // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
1723       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1724         SCEVHandle LHS = getSCEV(I->getOperand(0));
1725         const APInt &CIVal = CI->getValue();
1726         if (GetMinTrailingZeros(LHS) >=
1727             (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
1728           return SE.getAddExpr(LHS, getSCEV(I->getOperand(1)));
1729       }
1730       break;
1731     case Instruction::Xor:
1732       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
1733       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
1734       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(I->getOperand(1))) {
1735         if (CI->getValue().isSignBit())
1736           return SE.getAddExpr(getSCEV(I->getOperand(0)),
1737                                getSCEV(I->getOperand(1)));
1738         else if (CI->isAllOnesValue())
1739           return SE.getNotSCEV(getSCEV(I->getOperand(0)));
1740       }
1741       break;
1742
1743     case Instruction::Shl:
1744       // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1745       if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(I->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.getMulExpr(getSCEV(I->getOperand(0)), getSCEV(X));
1750       }
1751       break;
1752
1753     case Instruction::Trunc:
1754       return SE.getTruncateExpr(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1755
1756     case Instruction::ZExt:
1757       return SE.getZeroExtendExpr(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1758
1759     case Instruction::SExt:
1760       return SE.getSignExtendExpr(getSCEV(I->getOperand(0)), I->getType());
1761
1762     case Instruction::BitCast:
1763       // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1764       if (I->getType()->isInteger() &&
1765           I->getOperand(0)->getType()->isInteger())
1766         return getSCEV(I->getOperand(0));
1767       break;
1768
1769     case Instruction::PHI:
1770       return createNodeForPHI(cast<PHINode>(I));
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>(I->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 == I->getOperand(1) && RHS == I->getOperand(2))
1786             return SE.getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1787           else if (LHS == I->getOperand(2) && RHS == I->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 == I->getOperand(1) && RHS == I->getOperand(2))
1800             return SE.getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1801           else if (LHS == I->getOperand(2) && RHS == I->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
1816   return SE.getUnknown(V);
1817 }
1818
1819
1820
1821 //===----------------------------------------------------------------------===//
1822 //                   Iteration Count Computation Code
1823 //
1824
1825 /// getIterationCount - If the specified loop has a predictable iteration
1826 /// count, return it.  Note that it is not valid to call this method on a
1827 /// loop without a loop-invariant iteration count.
1828 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getIterationCount(const Loop *L) {
1829   std::map<const Loop*, SCEVHandle>::iterator I = IterationCounts.find(L);
1830   if (I == IterationCounts.end()) {
1831     SCEVHandle ItCount = ComputeIterationCount(L);
1832     I = IterationCounts.insert(std::make_pair(L, ItCount)).first;
1833     if (ItCount != UnknownValue) {
1834       assert(ItCount->isLoopInvariant(L) &&
1835              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
1836       ++NumTripCountsComputed;
1837     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
1838       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
1839       ++NumTripCountsNotComputed;
1840     }
1841   }
1842   return I->second;
1843 }
1844
1845 /// ComputeIterationCount - Compute the number of times the specified loop
1846 /// will iterate.
1847 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::ComputeIterationCount(const Loop *L) {
1848   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
1849   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
1850   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
1851   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
1852
1853   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
1854   // loop to be exited.
1855   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
1856
1857   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
1858   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
1859        PI != E; ++PI)
1860     if (L->contains(*PI)) {
1861       if (ExitingBlock == 0)
1862         ExitingBlock = *PI;
1863       else
1864         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
1865     }
1866   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
1867
1868   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
1869   // exit.
1870   //
1871   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
1872   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1873   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
1874   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
1875   
1876   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
1877   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
1878   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
1879   // not be equal to the trip count of the loop.
1880   //
1881   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
1882   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
1883   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
1884   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
1885   // could be done to handle more cases here.
1886   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
1887       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
1888       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
1889     return UnknownValue;
1890   
1891   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
1892
1893   // If it's not an integer comparison then compute it the hard way. 
1894   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
1895   // the type of the operand.
1896   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
1897     return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
1898                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
1899
1900   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
1901   ICmpInst::Predicate Cond;
1902   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
1903     Cond = ExitCond->getPredicate();
1904   else
1905     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
1906
1907   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
1908   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
1909     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
1910       SCEVHandle ItCnt =
1911         ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LI, RHS, L, Cond);
1912       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
1913     }
1914
1915   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
1916   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
1917
1918   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
1919   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
1920   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
1921   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
1922   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
1923
1924   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
1925   // loop the predicate will return true for these inputs.
1926   if (isa<SCEVConstant>(LHS) && !isa<SCEVConstant>(RHS)) {
1927     // If there is a constant, force it into the RHS.
1928     std::swap(LHS, RHS);
1929     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
1930   }
1931
1932   // FIXME: think about handling pointer comparisons!  i.e.:
1933   // while (P != P+100) ++P;
1934
1935   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
1936   // ranges to answer this query.
1937   if (SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
1938     if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
1939       if (AddRec->getLoop() == L) {
1940         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
1941         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
1942         // comparison.
1943         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
1944         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
1945         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
1946           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
1947         if (CompVal) {
1948           // Form the constant range.
1949           ConstantRange CompRange(
1950               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
1951
1952           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, SE);
1953           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
1954         }
1955       }
1956
1957   switch (Cond) {
1958   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
1959     // Convert to: while (X-Y != 0)
1960     SCEVHandle TC = HowFarToZero(SE.getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1961     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1962     break;
1963   }
1964   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
1965     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
1966     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(SE.getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
1967     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1968     break;
1969   }
1970   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
1971     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
1972     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1973     break;
1974   }
1975   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
1976     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(SE.getNegativeSCEV(LHS),
1977                                      SE.getNegativeSCEV(RHS), L, true);
1978     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1979     break;
1980   }
1981   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
1982     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
1983     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1984     break;
1985   }
1986   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
1987     SCEVHandle TC = HowManyLessThans(SE.getNotSCEV(LHS),
1988                                      SE.getNotSCEV(RHS), L, false);
1989     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
1990     break;
1991   }
1992   default:
1993 #if 0
1994     cerr << "ComputeIterationCount ";
1995     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
1996       cerr << "[unsigned] ";
1997     cerr << *LHS << "   "
1998          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
1999          << "   " << *RHS << "\n";
2000 #endif
2001     break;
2002   }
2003   return ComputeIterationCountExhaustively(L, ExitCond,
2004                                        ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2005 }
2006
2007 static ConstantInt *
2008 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
2009                                 ScalarEvolution &SE) {
2010   SCEVHandle InVal = SE.getConstant(C);
2011   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
2012   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
2013          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
2014   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
2015 }
2016
2017 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
2018 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
2019 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
2020 /// invalid.
2021 static Constant *
2022 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
2023                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
2024   Constant *Init = GV->getInitializer();
2025   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
2026     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
2027     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
2028       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
2029       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
2030     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
2031       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
2032       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
2033     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
2034       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2035         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
2036         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
2037       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
2038         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
2039         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
2040       } else {
2041         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
2042       }
2043       return 0;
2044     } else {
2045       return 0; // Unknown initializer type
2046     }
2047   }
2048   return Init;
2049 }
2050
2051 /// ComputeLoadConstantCompareIterationCount - Given an exit condition of
2052 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the trip count.
2053 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2054 ComputeLoadConstantCompareIterationCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
2055                                          const Loop *L, 
2056                                          ICmpInst::Predicate predicate) {
2057   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
2058
2059   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
2060   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
2061   if (!GEP) return UnknownValue;
2062
2063   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
2064   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
2065   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
2066   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
2067       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
2068       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
2069     return UnknownValue;
2070
2071   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
2072   Value *VarIdx = 0;
2073   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
2074   unsigned VarIdxNum = 0;
2075   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
2076     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2077       Indexes.push_back(CI);
2078     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2079       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
2080       VarIdx = GEP->getOperand(i);
2081       VarIdxNum = i-2;
2082       Indexes.push_back(0);
2083     }
2084
2085   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
2086   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
2087   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
2088   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
2089   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
2090
2091   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
2092   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
2093   SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
2094   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
2095       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
2096       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
2097     return UnknownValue;
2098
2099   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
2100   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
2101     ConstantInt *ItCst =
2102       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
2103     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, SE);
2104
2105     // Form the GEP offset.
2106     Indexes[VarIdxNum] = Val;
2107
2108     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
2109     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
2110
2111     // Evaluate the condition for this iteration.
2112     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
2113     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
2114     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
2115 #if 0
2116       cerr << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
2117            << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
2118            << "***\n";
2119 #endif
2120       ++NumArrayLenItCounts;
2121       return SE.getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
2122     }
2123   }
2124   return UnknownValue;
2125 }
2126
2127
2128 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
2129 /// specified type, assuming that all operands were constants.
2130 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
2131   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2132       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
2133     return true;
2134
2135   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
2136     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
2137       return canConstantFoldCallTo(F);
2138   return false;
2139 }
2140
2141 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
2142 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
2143 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
2144 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
2145 /// constraints, return null.
2146 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
2147   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
2148   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
2149   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
2150   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
2151
2152   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
2153     if (L->getHeader() == I->getParent())
2154       return PN;
2155     else
2156       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
2157       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
2158       return 0;
2159   }
2160
2161   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
2162   // are constants, return early.
2163   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
2164
2165   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
2166   // constant or derived from a PHI node themselves.
2167   PHINode *PHI = 0;
2168   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
2169     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
2170           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
2171       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
2172       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
2173       if (PHI == 0)
2174         PHI = P;
2175       else if (PHI != P)
2176         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
2177     }
2178
2179   // This is a expression evolving from a constant PHI!
2180   return PHI;
2181 }
2182
2183 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
2184 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
2185 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
2186 /// reason, return null.
2187 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
2188   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
2189   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
2190   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
2191
2192   std::vector<Constant*> Operands;
2193   Operands.resize(I->getNumOperands());
2194
2195   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2196     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
2197     if (Operands[i] == 0) return 0;
2198   }
2199
2200   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2201     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2202                                            &Operands[0], Operands.size());
2203   else
2204     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2205                                     &Operands[0], Operands.size());
2206 }
2207
2208 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
2209 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
2210 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
2211 /// involving constants, fold it.
2212 Constant *ScalarEvolutionsImpl::
2213 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& Its, const Loop *L){
2214   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
2215     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
2216   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
2217     return I->second;
2218
2219   if (Its.ugt(APInt(Its.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
2220     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
2221
2222   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
2223
2224   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2225   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2226   // second must be derived from the same PHI.
2227   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2228   Constant *StartCST =
2229     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2230   if (StartCST == 0)
2231     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
2232
2233   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2234   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2235   if (PN2 != PN)
2236     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
2237
2238   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
2239   if (Its.getActiveBits() >= 32)
2240     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
2241
2242   unsigned NumIterations = Its.getZExtValue(); // must be in range
2243   unsigned IterationNum = 0;
2244   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
2245     if (IterationNum == NumIterations)
2246       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
2247
2248     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2249     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2250     if (NextPHI == PHIVal)
2251       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
2252     if (NextPHI == 0)
2253       return 0;        // Couldn't evaluate!
2254     PHIVal = NextPHI;
2255   }
2256 }
2257
2258 /// ComputeIterationCountExhaustively - If the trip is known to execute a
2259 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
2260 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
2261 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
2262 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
2263 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2264 ComputeIterationCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
2265   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
2266   if (PN == 0) return UnknownValue;
2267
2268   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2269   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2270   // second must be derived from the same PHI.
2271   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2272   Constant *StartCST =
2273     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2274   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
2275
2276   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2277   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2278   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
2279
2280   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
2281   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
2282   // "ExitWhen".
2283   unsigned IterationNum = 0;
2284   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
2285   for (Constant *PHIVal = StartCST;
2286        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
2287     ConstantInt *CondVal =
2288       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
2289
2290     // Couldn't symbolically evaluate.
2291     if (!CondVal) return UnknownValue;
2292
2293     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
2294       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
2295       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
2296       return SE.getConstant(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
2297     }
2298
2299     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2300     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2301     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
2302       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
2303     PHIVal = NextPHI;
2304   }
2305
2306   // Too many iterations were needed to evaluate.
2307   return UnknownValue;
2308 }
2309
2310 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
2311 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
2312 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
2313 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::getSCEVAtScope(SCEV *V, const Loop *L) {
2314   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
2315
2316   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
2317
2318   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
2319   // exit value from the loop without using SCEVs.
2320   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
2321     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
2322       const Loop *LI = this->LI[I->getParent()];
2323       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
2324         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
2325           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
2326             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
2327             // to see if the loop that contains it has a known iteration count.
2328             // If so, we may be able to force computation of the exit value.
2329             SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(LI);
2330             if (SCEVConstant *ICC = dyn_cast<SCEVConstant>(IterationCount)) {
2331               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
2332               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
2333               // the specified iteration number.
2334               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
2335                                                     ICC->getValue()->getValue(),
2336                                                                LI);
2337               if (RV) return SE.getUnknown(RV);
2338             }
2339           }
2340
2341       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
2342       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
2343       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
2344       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
2345       if (CanConstantFold(I)) {
2346         std::vector<Constant*> Operands;
2347         Operands.reserve(I->getNumOperands());
2348         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2349           Value *Op = I->getOperand(i);
2350           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
2351             Operands.push_back(C);
2352           } else {
2353             // If any of the operands is non-constant and if they are
2354             // non-integer, don't even try to analyze them with scev techniques.
2355             if (!isa<IntegerType>(Op->getType()))
2356               return V;
2357               
2358             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
2359             if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV))
2360               Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(SC->getValue(), 
2361                                                               Op->getType(), 
2362                                                               false));
2363             else if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
2364               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue()))
2365                 Operands.push_back(ConstantExpr::getIntegerCast(C, 
2366                                                                 Op->getType(), 
2367                                                                 false));
2368               else
2369                 return V;
2370             } else {
2371               return V;
2372             }
2373           }
2374         }
2375         
2376         Constant *C;
2377         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2378           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2379                                               &Operands[0], Operands.size());
2380         else
2381           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2382                                        &Operands[0], Operands.size());
2383         return SE.getUnknown(C);
2384       }
2385     }
2386
2387     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
2388     return V;
2389   }
2390
2391   if (SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2392     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2393     // expression has no loop-variant portions.
2394     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2395       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2396       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2397         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2398         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2399         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2400         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2401         NewOps.push_back(OpAtScope);
2402
2403         for (++i; i != e; ++i) {
2404           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2405           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2406           NewOps.push_back(OpAtScope);
2407         }
2408         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2409           return SE.getAddExpr(NewOps);
2410         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
2411           return SE.getMulExpr(NewOps);
2412         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
2413           return SE.getSMaxExpr(NewOps);
2414         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
2415           return SE.getUMaxExpr(NewOps);
2416         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
2417       }
2418     }
2419     // If we got here, all operands are loop invariant.
2420     return Comm;
2421   }
2422
2423   if (SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
2424     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2425     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2426     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2427     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2428     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2429       return Div;   // must be loop invariant
2430     return SE.getUDivExpr(LHS, RHS);
2431   }
2432
2433   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2434   // are dealing with the final value computed by the loop.
2435   if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2436     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2437       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2438       // loop iterates.  Compute this now.
2439       SCEVHandle IterationCount = getIterationCount(AddRec->getLoop());
2440       if (IterationCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2441       IterationCount = SE.getTruncateOrZeroExtend(IterationCount,
2442                                                   AddRec->getType());
2443
2444       // If the value is affine, simplify the expression evaluation to just
2445       // Start + Step*IterationCount.
2446       if (AddRec->isAffine())
2447         return SE.getAddExpr(AddRec->getStart(),
2448                              SE.getMulExpr(IterationCount,
2449                                            AddRec->getOperand(1)));
2450
2451       // Otherwise, evaluate it the hard way.
2452       return AddRec->evaluateAtIteration(IterationCount, SE);
2453     }
2454     return UnknownValue;
2455   }
2456
2457   //assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2458   return UnknownValue;
2459 }
2460
2461
2462 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2463 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2464 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2465 ///
2466 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2467 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
2468   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2469   SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2470   SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2471   SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2472
2473   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2474   if (!LC || !MC || !NC) {
2475     SCEV *CNC = new SCEVCouldNotCompute();
2476     return std::make_pair(CNC, CNC);
2477   }
2478
2479   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2480   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
2481   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
2482   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
2483   APInt Two(BitWidth, 2);
2484   APInt Four(BitWidth, 4);
2485
2486   { 
2487     using namespace APIntOps;
2488     const APInt& C = L;
2489     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2490     // The B coefficient is M-N/2
2491     APInt B(M);
2492     B -= sdiv(N,Two);
2493
2494     // The A coefficient is N/2
2495     APInt A(N.sdiv(Two));
2496
2497     // Compute the B^2-4ac term.
2498     APInt SqrtTerm(B);
2499     SqrtTerm *= B;
2500     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2501
2502     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2503     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2504     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2505
2506     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2507     // The divisions must be performed as signed divisions.
2508     APInt NegB(-B);
2509     APInt TwoA( A << 1 );
2510     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2511     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2512
2513     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1), 
2514                           SE.getConstant(Solution2));
2515     } // end APIntOps namespace
2516 }
2517
2518 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2519 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2520 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2521   // If the value is a constant
2522   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2523     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2524     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2525     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2526   }
2527
2528   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2529   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2530     return UnknownValue;
2531
2532   if (AddRec->isAffine()) {
2533     // If this is an affine expression the execution count of this branch is
2534     // equal to:
2535     //
2536     //     (0 - Start/Step)    iff   Start % Step == 0
2537     //
2538     // Get the initial value for the loop.
2539     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2540     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2541     SCEVHandle Step = AddRec->getOperand(1);
2542
2543     Step = getSCEVAtScope(Step, L->getParentLoop());
2544
2545     // Figure out if Start % Step == 0.
2546     // FIXME: We should add DivExpr and RemExpr operations to our AST.
2547     if (SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2548       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // N % 1 == 0
2549         return SE.getNegativeSCEV(Start);  // 0 - Start/1 == -Start
2550       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // N % -1 == 0
2551         return Start;                   // 0 - Start/-1 == Start
2552
2553       // Check to see if Start is divisible by SC with no remainder.
2554       if (SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start)) {
2555         ConstantInt *StartCC = StartC->getValue();
2556         Constant *StartNegC = ConstantExpr::getNeg(StartCC);
2557         Constant *Rem = ConstantExpr::getURem(StartNegC, StepC->getValue());
2558         if (Rem->isNullValue()) {
2559           Constant *Result = ConstantExpr::getUDiv(StartNegC,StepC->getValue());
2560           return SE.getUnknown(Result);
2561         }
2562       }
2563     }
2564   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2565     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2566     // the quadratic equation to solve it.
2567     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec, SE);
2568     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2569     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2570     if (R1) {
2571 #if 0
2572       cerr << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2573            << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2574 #endif
2575       // Pick the smallest positive root value.
2576       if (ConstantInt *CB =
2577           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2578                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2579         if (CB->getZExtValue() == false)
2580           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2581
2582         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2583         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2584         // should not accept a root of 2.
2585         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, SE);
2586         if (SCEVConstant *EvalVal = dyn_cast<SCEVConstant>(Val))
2587           if (EvalVal->getValue()->isZero())
2588             return R1;  // We found a quadratic root!
2589       }
2590     }
2591   }
2592
2593   return UnknownValue;
2594 }
2595
2596 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2597 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2598 /// UnknownValue
2599 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::HowFarToNonZero(SCEV *V, const Loop *L) {
2600   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2601   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2602   // future as needed.
2603
2604   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2605   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2606   if (SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2607     if (!C->getValue()->isNullValue())
2608       return SE.getIntegerSCEV(0, C->getType());
2609     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2610   }
2611
2612   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2613   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2614   return UnknownValue;
2615 }
2616
2617 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
2618 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
2619 /// UnknownValue.
2620 SCEVHandle ScalarEvolutionsImpl::
2621 HowManyLessThans(SCEV *LHS, SCEV *RHS, const Loop *L, bool isSigned) {
2622   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
2623   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
2624
2625   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
2626   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2627     return UnknownValue;
2628
2629   if (AddRec->isAffine()) {
2630     // FORNOW: We only support unit strides.
2631     SCEVHandle One = SE.getIntegerSCEV(1, RHS->getType());
2632     if (AddRec->getOperand(1) != One)
2633       return UnknownValue;
2634
2635     // We know the LHS is of the form {n,+,1} and the RHS is some loop-invariant
2636     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,1} < m is true.
2637     // Note that we cannot simply return max(m-n,0) because it's not safe to
2638     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
2639
2640     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
2641     SCEVHandle Start = AddRec->getOperand(0);
2642
2643     // Then, we get the value of the LHS in the first iteration in which the
2644     // above condition doesn't hold.  This equals to max(m,n).
2645     SCEVHandle End = isSigned ? SE.getSMaxExpr(RHS, Start)
2646                               : SE.getUMaxExpr(RHS, Start);
2647
2648     // Finally, we subtract these two values to get the number of times the
2649     // backedge is executed: max(m,n)-n.
2650     return SE.getMinusSCEV(End, Start);
2651   }
2652
2653   return UnknownValue;
2654 }
2655
2656 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
2657 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
2658 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
2659 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
2660 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
2661 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
2662                                                    ScalarEvolution &SE) const {
2663   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
2664     return new SCEVCouldNotCompute();
2665
2666   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
2667   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
2668     if (!SC->getValue()->isZero()) {
2669       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
2670       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
2671       SCEVHandle Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
2672       if (SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
2673         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
2674                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
2675       // This is strange and shouldn't happen.
2676       return new SCEVCouldNotCompute();
2677     }
2678
2679   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
2680   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
2681   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
2682     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
2683       return new SCEVCouldNotCompute();
2684
2685
2686   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
2687   // that the start element is zero.
2688
2689   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
2690   // iteration exits.
2691   if (!Range.contains(APInt(getBitWidth(),0))) 
2692     return SE.getConstant(ConstantInt::get(getType(),0));
2693
2694   if (isAffine()) {
2695     // If this is an affine expression then we have this situation:
2696     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
2697
2698     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
2699     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
2700     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
2701     // value.  Also note that we already checked for a full range.
2702     APInt One(getBitWidth(),1);
2703     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
2704     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
2705
2706     // The exit value should be (End+A)/A.
2707     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
2708     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
2709
2710     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
2711     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
2712     // things must have happened.
2713     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
2714     if (Range.contains(Val->getValue()))
2715       return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2716
2717     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
2718     assert(Range.contains(
2719            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
2720            ConstantInt::get(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
2721            "Linear scev computation is off in a bad way!");
2722     return SE.getConstant(ExitValue);
2723   } else if (isQuadratic()) {
2724     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
2725     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
2726     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
2727     // Range.getUpper() is crossed.
2728     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
2729     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
2730     SCEVHandle NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
2731
2732     // Next, solve the constructed addrec
2733     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
2734       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
2735     SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2736     SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2737     if (R1) {
2738       // Pick the smallest positive root value.
2739       if (ConstantInt *CB =
2740           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2741                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2742         if (CB->getZExtValue() == false)
2743           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2744
2745         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
2746         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
2747         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
2748         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
2749                                                              R1->getValue(),
2750                                                              SE);
2751         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
2752           // The next iteration must be out of the range...
2753           ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()+1);
2754
2755           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
2756           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
2757             return SE.getConstant(NextVal);
2758           return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2759         }
2760
2761         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
2762         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
2763         ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()-1);
2764         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
2765         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
2766           return R1;
2767         return new SCEVCouldNotCompute();  // Something strange happened
2768       }
2769     }
2770   }
2771
2772   // Fallback, if this is a general polynomial, figure out the progression
2773   // through brute force: evaluate until we find an iteration that fails the
2774   // test.  This is likely to be slow, but getting an accurate trip count is
2775   // incredibly important, we will be able to simplify the exit test a lot, and
2776   // we are almost guaranteed to get a trip count in this case.
2777   ConstantInt *TestVal = ConstantInt::get(getType(), 0);
2778   ConstantInt *EndVal  = TestVal;  // Stop when we wrap around.
2779   do {
2780     ++NumBruteForceEvaluations;
2781     SCEVHandle Val = evaluateAtIteration(SE.getConstant(TestVal), SE);
2782     if (!isa<SCEVConstant>(Val))  // This shouldn't happen.
2783       return new SCEVCouldNotCompute();
2784
2785     // Check to see if we found the value!
2786     if (!Range.contains(cast<SCEVConstant>(Val)->getValue()->getValue()))
2787       return SE.getConstant(TestVal);
2788
2789     // Increment to test the next index.
2790     TestVal = ConstantInt::get(TestVal->getValue()+1);
2791   } while (TestVal != EndVal);
2792
2793   return new SCEVCouldNotCompute();
2794 }
2795
2796
2797
2798 //===----------------------------------------------------------------------===//
2799 //                   ScalarEvolution Class Implementation
2800 //===----------------------------------------------------------------------===//
2801
2802 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
2803   Impl = new ScalarEvolutionsImpl(*this, F, getAnalysis<LoopInfo>());
2804   return false;
2805 }
2806
2807 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
2808   delete (ScalarEvolutionsImpl*)Impl;
2809   Impl = 0;
2810 }
2811
2812 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
2813   AU.setPreservesAll();
2814   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
2815 }
2816
2817 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) const {
2818   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEV(V);
2819 }
2820
2821 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
2822 /// computed.
2823 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
2824   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->hasSCEV(V);
2825 }
2826
2827
2828 /// setSCEV - Insert the specified SCEV into the map of current SCEVs for
2829 /// the specified value.
2830 void ScalarEvolution::setSCEV(Value *V, const SCEVHandle &H) {
2831   ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->setSCEV(V, H);
2832 }
2833
2834
2835 SCEVHandle ScalarEvolution::getIterationCount(const Loop *L) const {
2836   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getIterationCount(L);
2837 }
2838
2839 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantIterationCount(const Loop *L) const {
2840   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getIterationCount(L));
2841 }
2842
2843 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) const {
2844   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2845 }
2846
2847 void ScalarEvolution::deleteValueFromRecords(Value *V) const {
2848   return ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->deleteValueFromRecords(V);
2849 }
2850
2851 static void PrintLoopInfo(std::ostream &OS, const ScalarEvolution *SE,
2852                           const Loop *L) {
2853   // Print all inner loops first
2854   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
2855     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
2856
2857   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
2858
2859   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
2860   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2861   if (ExitBlocks.size() != 1)
2862     OS << "<multiple exits> ";
2863
2864   if (SE->hasLoopInvariantIterationCount(L)) {
2865     OS << *SE->getIterationCount(L) << " iterations! ";
2866   } else {
2867     OS << "Unpredictable iteration count. ";
2868   }
2869
2870   OS << "\n";
2871 }
2872
2873 void ScalarEvolution::print(std::ostream &OS, const Module* ) const {
2874   Function &F = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->F;
2875   LoopInfo &LI = ((ScalarEvolutionsImpl*)Impl)->LI;
2876
2877   OS << "Classifying expressions for: " << F.getName() << "\n";
2878   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
2879     if (I->getType()->isInteger()) {
2880       OS << *I;
2881       OS << "  --> ";
2882       SCEVHandle SV = getSCEV(&*I);
2883       SV->print(OS);
2884       OS << "\t\t";
2885
2886       if ((*I).getType()->isInteger()) {
2887         ConstantRange Bounds = SV->getValueRange();
2888         if (!Bounds.isFullSet())
2889           OS << "Bounds: " << Bounds << " ";
2890       }
2891
2892       if (const Loop *L = LI.getLoopFor((*I).getParent())) {
2893         OS << "Exits: ";
2894         SCEVHandle ExitValue = getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
2895         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
2896           OS << "<<Unknown>>";
2897         } else {
2898           OS << *ExitValue;
2899         }
2900       }
2901
2902
2903       OS << "\n";
2904     }
2905
2906   OS << "Determining loop execution counts for: " << F.getName() << "\n";
2907   for (LoopInfo::iterator I = LI.begin(), E = LI.end(); I != E; ++I)
2908     PrintLoopInfo(OS, this, *I);
2909 }