Factor out a common base class between SCEVCommutativeExpr and
[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/Dominators.h"
70 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
71 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
72 #include "llvm/Target/TargetData.h"
73 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
74 #include "llvm/Support/CFG.h"
75 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
76 #include "llvm/Support/Compiler.h"
77 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
78 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
79 #include "llvm/Support/InstIterator.h"
80 #include "llvm/Support/ManagedStatic.h"
81 #include "llvm/Support/MathExtras.h"
82 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
83 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
84 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
85 #include <ostream>
86 #include <algorithm>
87 #include <cmath>
88 using namespace llvm;
89
90 STATISTIC(NumArrayLenItCounts,
91           "Number of trip counts computed with array length");
92 STATISTIC(NumTripCountsComputed,
93           "Number of loops with predictable loop counts");
94 STATISTIC(NumTripCountsNotComputed,
95           "Number of loops without predictable loop counts");
96 STATISTIC(NumBruteForceTripCountsComputed,
97           "Number of loops with trip counts computed by force");
98
99 static cl::opt<unsigned>
100 MaxBruteForceIterations("scalar-evolution-max-iterations", cl::ReallyHidden,
101                         cl::desc("Maximum number of iterations SCEV will "
102                                  "symbolically execute a constant derived loop"),
103                         cl::init(100));
104
105 static RegisterPass<ScalarEvolution>
106 R("scalar-evolution", "Scalar Evolution Analysis", false, true);
107 char ScalarEvolution::ID = 0;
108
109 //===----------------------------------------------------------------------===//
110 //                           SCEV class definitions
111 //===----------------------------------------------------------------------===//
112
113 //===----------------------------------------------------------------------===//
114 // Implementation of the SCEV class.
115 //
116 SCEV::~SCEV() {}
117 void SCEV::dump() const {
118   print(errs());
119   errs() << '\n';
120 }
121
122 void SCEV::print(std::ostream &o) const {
123   raw_os_ostream OS(o);
124   print(OS);
125 }
126
127 bool SCEV::isZero() const {
128   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(this))
129     return SC->getValue()->isZero();
130   return false;
131 }
132
133
134 SCEVCouldNotCompute::SCEVCouldNotCompute() : SCEV(scCouldNotCompute) {}
135 SCEVCouldNotCompute::~SCEVCouldNotCompute() {}
136
137 bool SCEVCouldNotCompute::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
138   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
139   return false;
140 }
141
142 const Type *SCEVCouldNotCompute::getType() const {
143   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
144   return 0;
145 }
146
147 bool SCEVCouldNotCompute::hasComputableLoopEvolution(const Loop *L) const {
148   assert(0 && "Attempt to use a SCEVCouldNotCompute object!");
149   return false;
150 }
151
152 SCEVHandle SCEVCouldNotCompute::
153 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
154                                   const SCEVHandle &Conc,
155                                   ScalarEvolution &SE) const {
156   return this;
157 }
158
159 void SCEVCouldNotCompute::print(raw_ostream &OS) const {
160   OS << "***COULDNOTCOMPUTE***";
161 }
162
163 bool SCEVCouldNotCompute::classof(const SCEV *S) {
164   return S->getSCEVType() == scCouldNotCompute;
165 }
166
167
168 // SCEVConstants - Only allow the creation of one SCEVConstant for any
169 // particular value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
170 // never be deleted!
171 static ManagedStatic<std::map<ConstantInt*, SCEVConstant*> > SCEVConstants;
172
173
174 SCEVConstant::~SCEVConstant() {
175   SCEVConstants->erase(V);
176 }
177
178 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(ConstantInt *V) {
179   SCEVConstant *&R = (*SCEVConstants)[V];
180   if (R == 0) R = new SCEVConstant(V);
181   return R;
182 }
183
184 SCEVHandle ScalarEvolution::getConstant(const APInt& Val) {
185   return getConstant(ConstantInt::get(Val));
186 }
187
188 const Type *SCEVConstant::getType() const { return V->getType(); }
189
190 void SCEVConstant::print(raw_ostream &OS) const {
191   WriteAsOperand(OS, V, false);
192 }
193
194 SCEVCastExpr::SCEVCastExpr(unsigned SCEVTy,
195                            const SCEVHandle &op, const Type *ty)
196   : SCEV(SCEVTy), Op(op), Ty(ty) {}
197
198 SCEVCastExpr::~SCEVCastExpr() {}
199
200 bool SCEVCastExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
201   return Op->dominates(BB, DT);
202 }
203
204 // SCEVTruncates - Only allow the creation of one SCEVTruncateExpr for any
205 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will
206 // never be deleted!
207 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const Type*>, 
208                      SCEVTruncateExpr*> > SCEVTruncates;
209
210 SCEVTruncateExpr::SCEVTruncateExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
211   : SCEVCastExpr(scTruncate, op, ty) {
212   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
213          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
214          "Cannot truncate non-integer value!");
215 }
216
217 SCEVTruncateExpr::~SCEVTruncateExpr() {
218   SCEVTruncates->erase(std::make_pair(Op, Ty));
219 }
220
221 void SCEVTruncateExpr::print(raw_ostream &OS) const {
222   OS << "(trunc " << *Op->getType() << " " << *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<const SCEV*, const Type*>,
229                      SCEVZeroExtendExpr*> > SCEVZeroExtends;
230
231 SCEVZeroExtendExpr::SCEVZeroExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
232   : SCEVCastExpr(scZeroExtend, op, ty) {
233   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
234          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
235          "Cannot zero extend non-integer value!");
236 }
237
238 SCEVZeroExtendExpr::~SCEVZeroExtendExpr() {
239   SCEVZeroExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
240 }
241
242 void SCEVZeroExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
243   OS << "(zext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
244 }
245
246 // SCEVSignExtends - Only allow the creation of one SCEVSignExtendExpr for any
247 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
248 // be deleted!
249 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const Type*>,
250                      SCEVSignExtendExpr*> > SCEVSignExtends;
251
252 SCEVSignExtendExpr::SCEVSignExtendExpr(const SCEVHandle &op, const Type *ty)
253   : SCEVCastExpr(scSignExtend, op, ty) {
254   assert((Op->getType()->isInteger() || isa<PointerType>(Op->getType())) &&
255          (Ty->isInteger() || isa<PointerType>(Ty)) &&
256          "Cannot sign extend non-integer value!");
257 }
258
259 SCEVSignExtendExpr::~SCEVSignExtendExpr() {
260   SCEVSignExtends->erase(std::make_pair(Op, Ty));
261 }
262
263 void SCEVSignExtendExpr::print(raw_ostream &OS) const {
264   OS << "(sext " << *Op->getType() << " " << *Op << " to " << *Ty << ")";
265 }
266
267 // SCEVCommExprs - Only allow the creation of one SCEVCommutativeExpr for any
268 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
269 // be deleted!
270 static ManagedStatic<std::map<std::pair<unsigned, std::vector<const SCEV*> >,
271                      SCEVCommutativeExpr*> > SCEVCommExprs;
272
273 SCEVCommutativeExpr::~SCEVCommutativeExpr() {
274   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Operands.begin(), Operands.end());
275   SCEVCommExprs->erase(std::make_pair(getSCEVType(), SCEVOps));
276 }
277
278 void SCEVCommutativeExpr::print(raw_ostream &OS) const {
279   assert(Operands.size() > 1 && "This plus expr shouldn't exist!");
280   const char *OpStr = getOperationStr();
281   OS << "(" << *Operands[0];
282   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
283     OS << OpStr << *Operands[i];
284   OS << ")";
285 }
286
287 SCEVHandle SCEVCommutativeExpr::
288 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
289                                   const SCEVHandle &Conc,
290                                   ScalarEvolution &SE) const {
291   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
292     SCEVHandle H =
293       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
294     if (H != getOperand(i)) {
295       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
296       NewOps.reserve(getNumOperands());
297       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
298         NewOps.push_back(getOperand(j));
299       NewOps.push_back(H);
300       for (++i; i != e; ++i)
301         NewOps.push_back(getOperand(i)->
302                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
303
304       if (isa<SCEVAddExpr>(this))
305         return SE.getAddExpr(NewOps);
306       else if (isa<SCEVMulExpr>(this))
307         return SE.getMulExpr(NewOps);
308       else if (isa<SCEVSMaxExpr>(this))
309         return SE.getSMaxExpr(NewOps);
310       else if (isa<SCEVUMaxExpr>(this))
311         return SE.getUMaxExpr(NewOps);
312       else
313         assert(0 && "Unknown commutative expr!");
314     }
315   }
316   return this;
317 }
318
319 bool SCEVNAryExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
320   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
321     if (!getOperand(i)->dominates(BB, DT))
322       return false;
323   }
324   return true;
325 }
326
327
328 // SCEVUDivs - Only allow the creation of one SCEVUDivExpr for any particular
329 // input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
330 // deleted!
331 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const SCEV*, const SCEV*>,
332                      SCEVUDivExpr*> > SCEVUDivs;
333
334 SCEVUDivExpr::~SCEVUDivExpr() {
335   SCEVUDivs->erase(std::make_pair(LHS, RHS));
336 }
337
338 bool SCEVUDivExpr::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
339   return LHS->dominates(BB, DT) && RHS->dominates(BB, DT);
340 }
341
342 void SCEVUDivExpr::print(raw_ostream &OS) const {
343   OS << "(" << *LHS << " /u " << *RHS << ")";
344 }
345
346 const Type *SCEVUDivExpr::getType() const {
347   return LHS->getType();
348 }
349
350 // SCEVAddRecExprs - Only allow the creation of one SCEVAddRecExpr for any
351 // particular input.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never
352 // be deleted!
353 static ManagedStatic<std::map<std::pair<const Loop *,
354                                         std::vector<const SCEV*> >,
355                      SCEVAddRecExpr*> > SCEVAddRecExprs;
356
357 SCEVAddRecExpr::~SCEVAddRecExpr() {
358   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Operands.begin(), Operands.end());
359   SCEVAddRecExprs->erase(std::make_pair(L, SCEVOps));
360 }
361
362 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::
363 replaceSymbolicValuesWithConcrete(const SCEVHandle &Sym,
364                                   const SCEVHandle &Conc,
365                                   ScalarEvolution &SE) const {
366   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
367     SCEVHandle H =
368       getOperand(i)->replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE);
369     if (H != getOperand(i)) {
370       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
371       NewOps.reserve(getNumOperands());
372       for (unsigned j = 0; j != i; ++j)
373         NewOps.push_back(getOperand(j));
374       NewOps.push_back(H);
375       for (++i; i != e; ++i)
376         NewOps.push_back(getOperand(i)->
377                          replaceSymbolicValuesWithConcrete(Sym, Conc, SE));
378
379       return SE.getAddRecExpr(NewOps, L);
380     }
381   }
382   return this;
383 }
384
385
386 bool SCEVAddRecExpr::isLoopInvariant(const Loop *QueryLoop) const {
387   // This recurrence is invariant w.r.t to QueryLoop iff QueryLoop doesn't
388   // contain L and if the start is invariant.
389   return !QueryLoop->contains(L->getHeader()) &&
390          getOperand(0)->isLoopInvariant(QueryLoop);
391 }
392
393
394 void SCEVAddRecExpr::print(raw_ostream &OS) const {
395   OS << "{" << *Operands[0];
396   for (unsigned i = 1, e = Operands.size(); i != e; ++i)
397     OS << ",+," << *Operands[i];
398   OS << "}<" << L->getHeader()->getName() + ">";
399 }
400
401 // SCEVUnknowns - Only allow the creation of one SCEVUnknown for any particular
402 // value.  Don't use a SCEVHandle here, or else the object will never be
403 // deleted!
404 static ManagedStatic<std::map<Value*, SCEVUnknown*> > SCEVUnknowns;
405
406 SCEVUnknown::~SCEVUnknown() { SCEVUnknowns->erase(V); }
407
408 bool SCEVUnknown::isLoopInvariant(const Loop *L) const {
409   // All non-instruction values are loop invariant.  All instructions are loop
410   // invariant if they are not contained in the specified loop.
411   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
412     return !L->contains(I->getParent());
413   return true;
414 }
415
416 bool SCEVUnknown::dominates(BasicBlock *BB, DominatorTree *DT) const {
417   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(getValue()))
418     return DT->dominates(I->getParent(), BB);
419   return true;
420 }
421
422 const Type *SCEVUnknown::getType() const {
423   return V->getType();
424 }
425
426 void SCEVUnknown::print(raw_ostream &OS) const {
427   WriteAsOperand(OS, V, false);
428 }
429
430 //===----------------------------------------------------------------------===//
431 //                               SCEV Utilities
432 //===----------------------------------------------------------------------===//
433
434 namespace {
435   /// SCEVComplexityCompare - Return true if the complexity of the LHS is less
436   /// than the complexity of the RHS.  This comparator is used to canonicalize
437   /// expressions.
438   struct VISIBILITY_HIDDEN SCEVComplexityCompare {
439     bool operator()(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) const {
440       return LHS->getSCEVType() < RHS->getSCEVType();
441     }
442   };
443 }
444
445 /// GroupByComplexity - Given a list of SCEV objects, order them by their
446 /// complexity, and group objects of the same complexity together by value.
447 /// When this routine is finished, we know that any duplicates in the vector are
448 /// consecutive and that complexity is monotonically increasing.
449 ///
450 /// Note that we go take special precautions to ensure that we get determinstic
451 /// results from this routine.  In other words, we don't want the results of
452 /// this to depend on where the addresses of various SCEV objects happened to
453 /// land in memory.
454 ///
455 static void GroupByComplexity(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
456   if (Ops.size() < 2) return;  // Noop
457   if (Ops.size() == 2) {
458     // This is the common case, which also happens to be trivially simple.
459     // Special case it.
460     if (SCEVComplexityCompare()(Ops[1], Ops[0]))
461       std::swap(Ops[0], Ops[1]);
462     return;
463   }
464
465   // Do the rough sort by complexity.
466   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end(), SCEVComplexityCompare());
467
468   // Now that we are sorted by complexity, group elements of the same
469   // complexity.  Note that this is, at worst, N^2, but the vector is likely to
470   // be extremely short in practice.  Note that we take this approach because we
471   // do not want to depend on the addresses of the objects we are grouping.
472   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e-2; ++i) {
473     const SCEV *S = Ops[i];
474     unsigned Complexity = S->getSCEVType();
475
476     // If there are any objects of the same complexity and same value as this
477     // one, group them.
478     for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j]->getSCEVType() == Complexity; ++j) {
479       if (Ops[j] == S) { // Found a duplicate.
480         // Move it to immediately after i'th element.
481         std::swap(Ops[i+1], Ops[j]);
482         ++i;   // no need to rescan it.
483         if (i == e-2) return;  // Done!
484       }
485     }
486   }
487 }
488
489
490
491 //===----------------------------------------------------------------------===//
492 //                      Simple SCEV method implementations
493 //===----------------------------------------------------------------------===//
494
495 /// BinomialCoefficient - Compute BC(It, K).  The result has width W.
496 // Assume, K > 0.
497 static SCEVHandle BinomialCoefficient(SCEVHandle It, unsigned K,
498                                       ScalarEvolution &SE,
499                                       const Type* ResultTy) {
500   // Handle the simplest case efficiently.
501   if (K == 1)
502     return SE.getTruncateOrZeroExtend(It, ResultTy);
503
504   // We are using the following formula for BC(It, K):
505   //
506   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / K!
507   //
508   // Suppose, W is the bitwidth of the return value.  We must be prepared for
509   // overflow.  Hence, we must assure that the result of our computation is
510   // equal to the accurate one modulo 2^W.  Unfortunately, division isn't
511   // safe in modular arithmetic.
512   //
513   // However, this code doesn't use exactly that formula; the formula it uses
514   // is something like the following, where T is the number of factors of 2 in 
515   // K! (i.e. trailing zeros in the binary representation of K!), and ^ is
516   // exponentiation:
517   //
518   //   BC(It, K) = (It * (It - 1) * ... * (It - K + 1)) / 2^T / (K! / 2^T)
519   //
520   // This formula is trivially equivalent to the previous formula.  However,
521   // this formula can be implemented much more efficiently.  The trick is that
522   // K! / 2^T is odd, and exact division by an odd number *is* safe in modular
523   // arithmetic.  To do exact division in modular arithmetic, all we have
524   // to do is multiply by the inverse.  Therefore, this step can be done at
525   // width W.
526   // 
527   // The next issue is how to safely do the division by 2^T.  The way this
528   // is done is by doing the multiplication step at a width of at least W + T
529   // bits.  This way, the bottom W+T bits of the product are accurate. Then,
530   // when we perform the division by 2^T (which is equivalent to a right shift
531   // by T), the bottom W bits are accurate.  Extra bits are okay; they'll get
532   // truncated out after the division by 2^T.
533   //
534   // In comparison to just directly using the first formula, this technique
535   // is much more efficient; using the first formula requires W * K bits,
536   // but this formula less than W + K bits. Also, the first formula requires
537   // a division step, whereas this formula only requires multiplies and shifts.
538   //
539   // It doesn't matter whether the subtraction step is done in the calculation
540   // width or the input iteration count's width; if the subtraction overflows,
541   // the result must be zero anyway.  We prefer here to do it in the width of
542   // the induction variable because it helps a lot for certain cases; CodeGen
543   // isn't smart enough to ignore the overflow, which leads to much less
544   // efficient code if the width of the subtraction is wider than the native
545   // register width.
546   //
547   // (It's possible to not widen at all by pulling out factors of 2 before
548   // the multiplication; for example, K=2 can be calculated as
549   // It/2*(It+(It*INT_MIN/INT_MIN)+-1). However, it requires
550   // extra arithmetic, so it's not an obvious win, and it gets
551   // much more complicated for K > 3.)
552
553   // Protection from insane SCEVs; this bound is conservative,
554   // but it probably doesn't matter.
555   if (K > 1000)
556     return SE.getCouldNotCompute();
557
558   unsigned W = SE.getTypeSizeInBits(ResultTy);
559
560   // Calculate K! / 2^T and T; we divide out the factors of two before
561   // multiplying for calculating K! / 2^T to avoid overflow.
562   // Other overflow doesn't matter because we only care about the bottom
563   // W bits of the result.
564   APInt OddFactorial(W, 1);
565   unsigned T = 1;
566   for (unsigned i = 3; i <= K; ++i) {
567     APInt Mult(W, i);
568     unsigned TwoFactors = Mult.countTrailingZeros();
569     T += TwoFactors;
570     Mult = Mult.lshr(TwoFactors);
571     OddFactorial *= Mult;
572   }
573
574   // We need at least W + T bits for the multiplication step
575   unsigned CalculationBits = W + T;
576
577   // Calcuate 2^T, at width T+W.
578   APInt DivFactor = APInt(CalculationBits, 1).shl(T);
579
580   // Calculate the multiplicative inverse of K! / 2^T;
581   // this multiplication factor will perform the exact division by
582   // K! / 2^T.
583   APInt Mod = APInt::getSignedMinValue(W+1);
584   APInt MultiplyFactor = OddFactorial.zext(W+1);
585   MultiplyFactor = MultiplyFactor.multiplicativeInverse(Mod);
586   MultiplyFactor = MultiplyFactor.trunc(W);
587
588   // Calculate the product, at width T+W
589   const IntegerType *CalculationTy = IntegerType::get(CalculationBits);
590   SCEVHandle Dividend = SE.getTruncateOrZeroExtend(It, CalculationTy);
591   for (unsigned i = 1; i != K; ++i) {
592     SCEVHandle S = SE.getMinusSCEV(It, SE.getIntegerSCEV(i, It->getType()));
593     Dividend = SE.getMulExpr(Dividend,
594                              SE.getTruncateOrZeroExtend(S, CalculationTy));
595   }
596
597   // Divide by 2^T
598   SCEVHandle DivResult = SE.getUDivExpr(Dividend, SE.getConstant(DivFactor));
599
600   // Truncate the result, and divide by K! / 2^T.
601
602   return SE.getMulExpr(SE.getConstant(MultiplyFactor),
603                        SE.getTruncateOrZeroExtend(DivResult, ResultTy));
604 }
605
606 /// evaluateAtIteration - Return the value of this chain of recurrences at
607 /// the specified iteration number.  We can evaluate this recurrence by
608 /// multiplying each element in the chain by the binomial coefficient
609 /// corresponding to it.  In other words, we can evaluate {A,+,B,+,C,+,D} as:
610 ///
611 ///   A*BC(It, 0) + B*BC(It, 1) + C*BC(It, 2) + D*BC(It, 3)
612 ///
613 /// where BC(It, k) stands for binomial coefficient.
614 ///
615 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::evaluateAtIteration(SCEVHandle It,
616                                                ScalarEvolution &SE) const {
617   SCEVHandle Result = getStart();
618   for (unsigned i = 1, e = getNumOperands(); i != e; ++i) {
619     // The computation is correct in the face of overflow provided that the
620     // multiplication is performed _after_ the evaluation of the binomial
621     // coefficient.
622     SCEVHandle Coeff = BinomialCoefficient(It, i, SE, getType());
623     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Coeff))
624       return Coeff;
625
626     Result = SE.getAddExpr(Result, SE.getMulExpr(getOperand(i), Coeff));
627   }
628   return Result;
629 }
630
631 //===----------------------------------------------------------------------===//
632 //                    SCEV Expression folder implementations
633 //===----------------------------------------------------------------------===//
634
635 SCEVHandle ScalarEvolution::getTruncateExpr(const SCEVHandle &Op,
636                                             const Type *Ty) {
637   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) > getTypeSizeInBits(Ty) &&
638          "This is not a truncating conversion!");
639   assert(isSCEVable(Ty) &&
640          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
641   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
642
643   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op))
644     return getUnknown(
645         ConstantExpr::getTrunc(SC->getValue(), Ty));
646
647   // trunc(trunc(x)) --> trunc(x)
648   if (const SCEVTruncateExpr *ST = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(Op))
649     return getTruncateExpr(ST->getOperand(), Ty);
650
651   // trunc(sext(x)) --> sext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
652   if (const SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
653     return getTruncateOrSignExtend(SS->getOperand(), Ty);
654
655   // trunc(zext(x)) --> zext(x) if widening or trunc(x) if narrowing
656   if (const SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
657     return getTruncateOrZeroExtend(SZ->getOperand(), Ty);
658
659   // If the input value is a chrec scev made out of constants, truncate
660   // all of the constants.
661   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op)) {
662     std::vector<SCEVHandle> Operands;
663     for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
664       // FIXME: This should allow truncation of other expression types!
665       if (isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(i)))
666         Operands.push_back(getTruncateExpr(AddRec->getOperand(i), Ty));
667       else
668         break;
669     if (Operands.size() == AddRec->getNumOperands())
670       return getAddRecExpr(Operands, AddRec->getLoop());
671   }
672
673   SCEVTruncateExpr *&Result = (*SCEVTruncates)[std::make_pair(Op, Ty)];
674   if (Result == 0) Result = new SCEVTruncateExpr(Op, Ty);
675   return Result;
676 }
677
678 SCEVHandle ScalarEvolution::getZeroExtendExpr(const SCEVHandle &Op,
679                                               const Type *Ty) {
680   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
681          "This is not an extending conversion!");
682   assert(isSCEVable(Ty) &&
683          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
684   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
685
686   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
687     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
688     Constant *C = ConstantExpr::getZExt(SC->getValue(), IntTy);
689     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
690     return getUnknown(C);
691   }
692
693   // zext(zext(x)) --> zext(x)
694   if (const SCEVZeroExtendExpr *SZ = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(Op))
695     return getZeroExtendExpr(SZ->getOperand(), Ty);
696
697   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
698   // did not overflow the old, smaller, value, we can zero extend all of the
699   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
700   // this:  for (unsigned char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
701   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
702     if (AR->isAffine()) {
703       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
704       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
705       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
706       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
707       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
708       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
709       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
710       // that value once it has finished.
711       SCEVHandle MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AR->getLoop());
712       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
713         // Manually compute the final value for AR, checking for
714         // overflow.
715         SCEVHandle Start = AR->getStart();
716         SCEVHandle Step = AR->getStepRecurrence(*this);
717
718         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
719         // the addrec's type. The count is always unsigned.
720         SCEVHandle CastedMaxBECount =
721           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
722         if (MaxBECount ==
723             getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType())) {
724           const Type *WideTy =
725             IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Start->getType()) * 2);
726           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no unsigned overflow.
727           SCEVHandle ZMul =
728             getMulExpr(CastedMaxBECount,
729                        getTruncateOrZeroExtend(Step, Start->getType()));
730           SCEVHandle Add = getAddExpr(Start, ZMul);
731           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) ==
732               getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
733                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
734                                     getZeroExtendExpr(Step, WideTy))))
735             // Return the expression with the addrec on the outside.
736             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
737                                  getZeroExtendExpr(Step, Ty),
738                                  AR->getLoop());
739
740           // Similar to above, only this time treat the step value as signed.
741           // This covers loops that count down.
742           SCEVHandle SMul =
743             getMulExpr(CastedMaxBECount,
744                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
745           Add = getAddExpr(Start, SMul);
746           if (getZeroExtendExpr(Add, WideTy) ==
747               getAddExpr(getZeroExtendExpr(Start, WideTy),
748                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
749                                     getSignExtendExpr(Step, WideTy))))
750             // Return the expression with the addrec on the outside.
751             return getAddRecExpr(getZeroExtendExpr(Start, Ty),
752                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
753                                  AR->getLoop());
754         }
755       }
756     }
757
758   SCEVZeroExtendExpr *&Result = (*SCEVZeroExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
759   if (Result == 0) Result = new SCEVZeroExtendExpr(Op, Ty);
760   return Result;
761 }
762
763 SCEVHandle ScalarEvolution::getSignExtendExpr(const SCEVHandle &Op,
764                                               const Type *Ty) {
765   assert(getTypeSizeInBits(Op->getType()) < getTypeSizeInBits(Ty) &&
766          "This is not an extending conversion!");
767   assert(isSCEVable(Ty) &&
768          "This is not a conversion to a SCEVable type!");
769   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
770
771   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Op)) {
772     const Type *IntTy = getEffectiveSCEVType(Ty);
773     Constant *C = ConstantExpr::getSExt(SC->getValue(), IntTy);
774     if (IntTy != Ty) C = ConstantExpr::getIntToPtr(C, Ty);
775     return getUnknown(C);
776   }
777
778   // sext(sext(x)) --> sext(x)
779   if (const SCEVSignExtendExpr *SS = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(Op))
780     return getSignExtendExpr(SS->getOperand(), Ty);
781
782   // If the input value is a chrec scev, and we can prove that the value
783   // did not overflow the old, smaller, value, we can sign extend all of the
784   // operands (often constants).  This allows analysis of something like
785   // this:  for (signed char X = 0; X < 100; ++X) { int Y = X; }
786   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Op))
787     if (AR->isAffine()) {
788       // Check whether the backedge-taken count is SCEVCouldNotCompute.
789       // Note that this serves two purposes: It filters out loops that are
790       // simply not analyzable, and it covers the case where this code is
791       // being called from within backedge-taken count analysis, such that
792       // attempting to ask for the backedge-taken count would likely result
793       // in infinite recursion. In the later case, the analysis code will
794       // cope with a conservative value, and it will take care to purge
795       // that value once it has finished.
796       SCEVHandle MaxBECount = getMaxBackedgeTakenCount(AR->getLoop());
797       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(MaxBECount)) {
798         // Manually compute the final value for AR, checking for
799         // overflow.
800         SCEVHandle Start = AR->getStart();
801         SCEVHandle Step = AR->getStepRecurrence(*this);
802
803         // Check whether the backedge-taken count can be losslessly casted to
804         // the addrec's type. The count is always unsigned.
805         SCEVHandle CastedMaxBECount =
806           getTruncateOrZeroExtend(MaxBECount, Start->getType());
807         if (MaxBECount ==
808             getTruncateOrZeroExtend(CastedMaxBECount, MaxBECount->getType())) {
809           const Type *WideTy =
810             IntegerType::get(getTypeSizeInBits(Start->getType()) * 2);
811           // Check whether Start+Step*MaxBECount has no signed overflow.
812           SCEVHandle SMul =
813             getMulExpr(CastedMaxBECount,
814                        getTruncateOrSignExtend(Step, Start->getType()));
815           SCEVHandle Add = getAddExpr(Start, SMul);
816           if (getSignExtendExpr(Add, WideTy) ==
817               getAddExpr(getSignExtendExpr(Start, WideTy),
818                          getMulExpr(getZeroExtendExpr(CastedMaxBECount, WideTy),
819                                     getSignExtendExpr(Step, WideTy))))
820             // Return the expression with the addrec on the outside.
821             return getAddRecExpr(getSignExtendExpr(Start, Ty),
822                                  getSignExtendExpr(Step, Ty),
823                                  AR->getLoop());
824         }
825       }
826     }
827
828   SCEVSignExtendExpr *&Result = (*SCEVSignExtends)[std::make_pair(Op, Ty)];
829   if (Result == 0) Result = new SCEVSignExtendExpr(Op, Ty);
830   return Result;
831 }
832
833 // get - Get a canonical add expression, or something simpler if possible.
834 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
835   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty add!");
836   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
837
838   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
839   GroupByComplexity(Ops);
840
841   // If there are any constants, fold them together.
842   unsigned Idx = 0;
843   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
844     ++Idx;
845     assert(Idx < Ops.size());
846     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
847       // We found two constants, fold them together!
848       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() + 
849                                            RHSC->getValue()->getValue());
850       Ops[0] = getConstant(Fold);
851       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
852       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
853       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
854     }
855
856     // If we are left with a constant zero being added, strip it off.
857     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
858       Ops.erase(Ops.begin());
859       --Idx;
860     }
861   }
862
863   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
864
865   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
866   // so, merge them together into an multiply expression.  Since we sorted the
867   // list, these values are required to be adjacent.
868   const Type *Ty = Ops[0]->getType();
869   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
870     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X + Y + Y  -->  X + Y*2
871       // Found a match, merge the two values into a multiply, and add any
872       // remaining values to the result.
873       SCEVHandle Two = getIntegerSCEV(2, Ty);
874       SCEVHandle Mul = getMulExpr(Ops[i], Two);
875       if (Ops.size() == 2)
876         return Mul;
877       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
878       Ops.push_back(Mul);
879       return getAddExpr(Ops);
880     }
881
882   // Now we know the first non-constant operand.  Skip past any cast SCEVs.
883   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddExpr)
884     ++Idx;
885
886   // If there are add operands they would be next.
887   if (Idx < Ops.size()) {
888     bool DeletedAdd = false;
889     while (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[Idx])) {
890       // If we have an add, expand the add operands onto the end of the operands
891       // list.
892       Ops.insert(Ops.end(), Add->op_begin(), Add->op_end());
893       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
894       DeletedAdd = true;
895     }
896
897     // If we deleted at least one add, we added operands to the end of the list,
898     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
899     // any operands we just aquired.
900     if (DeletedAdd)
901       return getAddExpr(Ops);
902   }
903
904   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
905   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
906     ++Idx;
907
908   // If we are adding something to a multiply expression, make sure the
909   // something is not already an operand of the multiply.  If so, merge it into
910   // the multiply.
911   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
912     const SCEVMulExpr *Mul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx]);
913     for (unsigned MulOp = 0, e = Mul->getNumOperands(); MulOp != e; ++MulOp) {
914       const SCEV *MulOpSCEV = Mul->getOperand(MulOp);
915       for (unsigned AddOp = 0, e = Ops.size(); AddOp != e; ++AddOp)
916         if (MulOpSCEV == Ops[AddOp] && !isa<SCEVConstant>(MulOpSCEV)) {
917           // Fold W + X + (X * Y * Z)  -->  W + (X * ((Y*Z)+1))
918           SCEVHandle InnerMul = Mul->getOperand(MulOp == 0);
919           if (Mul->getNumOperands() != 2) {
920             // If the multiply has more than two operands, we must get the
921             // Y*Z term.
922             std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
923             MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
924             InnerMul = getMulExpr(MulOps);
925           }
926           SCEVHandle One = getIntegerSCEV(1, Ty);
927           SCEVHandle AddOne = getAddExpr(InnerMul, One);
928           SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(AddOne, Ops[AddOp]);
929           if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
930           if (AddOp < Idx) {
931             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp);
932             Ops.erase(Ops.begin()+Idx-1);
933           } else {
934             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
935             Ops.erase(Ops.begin()+AddOp-1);
936           }
937           Ops.push_back(OuterMul);
938           return getAddExpr(Ops);
939         }
940
941       // Check this multiply against other multiplies being added together.
942       for (unsigned OtherMulIdx = Idx+1;
943            OtherMulIdx < Ops.size() && isa<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
944            ++OtherMulIdx) {
945         const SCEVMulExpr *OtherMul = cast<SCEVMulExpr>(Ops[OtherMulIdx]);
946         // If MulOp occurs in OtherMul, we can fold the two multiplies
947         // together.
948         for (unsigned OMulOp = 0, e = OtherMul->getNumOperands();
949              OMulOp != e; ++OMulOp)
950           if (OtherMul->getOperand(OMulOp) == MulOpSCEV) {
951             // Fold X + (A*B*C) + (A*D*E) --> X + (A*(B*C+D*E))
952             SCEVHandle InnerMul1 = Mul->getOperand(MulOp == 0);
953             if (Mul->getNumOperands() != 2) {
954               std::vector<SCEVHandle> MulOps(Mul->op_begin(), Mul->op_end());
955               MulOps.erase(MulOps.begin()+MulOp);
956               InnerMul1 = getMulExpr(MulOps);
957             }
958             SCEVHandle InnerMul2 = OtherMul->getOperand(OMulOp == 0);
959             if (OtherMul->getNumOperands() != 2) {
960               std::vector<SCEVHandle> MulOps(OtherMul->op_begin(),
961                                              OtherMul->op_end());
962               MulOps.erase(MulOps.begin()+OMulOp);
963               InnerMul2 = getMulExpr(MulOps);
964             }
965             SCEVHandle InnerMulSum = getAddExpr(InnerMul1,InnerMul2);
966             SCEVHandle OuterMul = getMulExpr(MulOpSCEV, InnerMulSum);
967             if (Ops.size() == 2) return OuterMul;
968             Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
969             Ops.erase(Ops.begin()+OtherMulIdx-1);
970             Ops.push_back(OuterMul);
971             return getAddExpr(Ops);
972           }
973       }
974     }
975   }
976
977   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
978   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
979   // recurrence.
980   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
981     ++Idx;
982
983   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
984   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
985     // Scan all of the other operands to this add and add them to the vector if
986     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
987     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
988     const SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
989     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
990       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
991         LIOps.push_back(Ops[i]);
992         Ops.erase(Ops.begin()+i);
993         --i; --e;
994       }
995
996     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
997     if (!LIOps.empty()) {
998       //  NLI + LI + {Start,+,Step}  -->  NLI + {LI+Start,+,Step}
999       LIOps.push_back(AddRec->getStart());
1000
1001       std::vector<SCEVHandle> AddRecOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
1002       AddRecOps[0] = getAddExpr(LIOps);
1003
1004       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(AddRecOps, AddRec->getLoop());
1005       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1006       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1007
1008       // Otherwise, add the folded AddRec by the non-liv parts.
1009       for (unsigned i = 0;; ++i)
1010         if (Ops[i] == AddRec) {
1011           Ops[i] = NewRec;
1012           break;
1013         }
1014       return getAddExpr(Ops);
1015     }
1016
1017     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1018     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1019     // added together.  If so, we can fold them.
1020     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1021          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1022       if (OtherIdx != Idx) {
1023         const SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1024         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1025           // Other + {A,+,B} + {C,+,D}  -->  Other + {A+C,+,B+D}
1026           std::vector<SCEVHandle> NewOps(AddRec->op_begin(), AddRec->op_end());
1027           for (unsigned i = 0, e = OtherAddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1028             if (i >= NewOps.size()) {
1029               NewOps.insert(NewOps.end(), OtherAddRec->op_begin()+i,
1030                             OtherAddRec->op_end());
1031               break;
1032             }
1033             NewOps[i] = getAddExpr(NewOps[i], OtherAddRec->getOperand(i));
1034           }
1035           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1036
1037           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1038
1039           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1040           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1041           Ops.push_back(NewAddRec);
1042           return getAddExpr(Ops);
1043         }
1044       }
1045
1046     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1047     // next one.
1048   }
1049
1050   // Okay, it looks like we really DO need an add expr.  Check to see if we
1051   // already have one, otherwise create a new one.
1052   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1053   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scAddExpr,
1054                                                                  SCEVOps)];
1055   if (Result == 0) Result = new SCEVAddExpr(Ops);
1056   return Result;
1057 }
1058
1059
1060 SCEVHandle ScalarEvolution::getMulExpr(std::vector<SCEVHandle> &Ops) {
1061   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty mul!");
1062
1063   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1064   GroupByComplexity(Ops);
1065
1066   // If there are any constants, fold them together.
1067   unsigned Idx = 0;
1068   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1069
1070     // C1*(C2+V) -> C1*C2 + C1*V
1071     if (Ops.size() == 2)
1072       if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Ops[1]))
1073         if (Add->getNumOperands() == 2 &&
1074             isa<SCEVConstant>(Add->getOperand(0)))
1075           return getAddExpr(getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(0)),
1076                             getMulExpr(LHSC, Add->getOperand(1)));
1077
1078
1079     ++Idx;
1080     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1081       // We found two constants, fold them together!
1082       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(LHSC->getValue()->getValue() * 
1083                                            RHSC->getValue()->getValue());
1084       Ops[0] = getConstant(Fold);
1085       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1086       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1087       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1088     }
1089
1090     // If we are left with a constant one being multiplied, strip it off.
1091     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->equalsInt(1)) {
1092       Ops.erase(Ops.begin());
1093       --Idx;
1094     } else if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isZero()) {
1095       // If we have a multiply of zero, it will always be zero.
1096       return Ops[0];
1097     }
1098   }
1099
1100   // Skip over the add expression until we get to a multiply.
1101   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scMulExpr)
1102     ++Idx;
1103
1104   if (Ops.size() == 1)
1105     return Ops[0];
1106
1107   // If there are mul operands inline them all into this expression.
1108   if (Idx < Ops.size()) {
1109     bool DeletedMul = false;
1110     while (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Ops[Idx])) {
1111       // If we have an mul, expand the mul operands onto the end of the operands
1112       // list.
1113       Ops.insert(Ops.end(), Mul->op_begin(), Mul->op_end());
1114       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1115       DeletedMul = true;
1116     }
1117
1118     // If we deleted at least one mul, we added operands to the end of the list,
1119     // and they are not necessarily sorted.  Recurse to resort and resimplify
1120     // any operands we just aquired.
1121     if (DeletedMul)
1122       return getMulExpr(Ops);
1123   }
1124
1125   // If there are any add recurrences in the operands list, see if any other
1126   // added values are loop invariant.  If so, we can fold them into the
1127   // recurrence.
1128   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scAddRecExpr)
1129     ++Idx;
1130
1131   // Scan over all recurrences, trying to fold loop invariants into them.
1132   for (; Idx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]); ++Idx) {
1133     // Scan all of the other operands to this mul and add them to the vector if
1134     // they are loop invariant w.r.t. the recurrence.
1135     std::vector<SCEVHandle> LIOps;
1136     const SCEVAddRecExpr *AddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[Idx]);
1137     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1138       if (Ops[i]->isLoopInvariant(AddRec->getLoop())) {
1139         LIOps.push_back(Ops[i]);
1140         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1141         --i; --e;
1142       }
1143
1144     // If we found some loop invariants, fold them into the recurrence.
1145     if (!LIOps.empty()) {
1146       //  NLI * LI * {Start,+,Step}  -->  NLI * {LI*Start,+,LI*Step}
1147       std::vector<SCEVHandle> NewOps;
1148       NewOps.reserve(AddRec->getNumOperands());
1149       if (LIOps.size() == 1) {
1150         const SCEV *Scale = LIOps[0];
1151         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i)
1152           NewOps.push_back(getMulExpr(Scale, AddRec->getOperand(i)));
1153       } else {
1154         for (unsigned i = 0, e = AddRec->getNumOperands(); i != e; ++i) {
1155           std::vector<SCEVHandle> MulOps(LIOps);
1156           MulOps.push_back(AddRec->getOperand(i));
1157           NewOps.push_back(getMulExpr(MulOps));
1158         }
1159       }
1160
1161       SCEVHandle NewRec = getAddRecExpr(NewOps, AddRec->getLoop());
1162
1163       // If all of the other operands were loop invariant, we are done.
1164       if (Ops.size() == 1) return NewRec;
1165
1166       // Otherwise, multiply the folded AddRec by the non-liv parts.
1167       for (unsigned i = 0;; ++i)
1168         if (Ops[i] == AddRec) {
1169           Ops[i] = NewRec;
1170           break;
1171         }
1172       return getMulExpr(Ops);
1173     }
1174
1175     // Okay, if there weren't any loop invariants to be folded, check to see if
1176     // there are multiple AddRec's with the same loop induction variable being
1177     // multiplied together.  If so, we can fold them.
1178     for (unsigned OtherIdx = Idx+1;
1179          OtherIdx < Ops.size() && isa<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);++OtherIdx)
1180       if (OtherIdx != Idx) {
1181         const SCEVAddRecExpr *OtherAddRec = cast<SCEVAddRecExpr>(Ops[OtherIdx]);
1182         if (AddRec->getLoop() == OtherAddRec->getLoop()) {
1183           // F * G  -->  {A,+,B} * {C,+,D}  -->  {A*C,+,F*D + G*B + B*D}
1184           const SCEVAddRecExpr *F = AddRec, *G = OtherAddRec;
1185           SCEVHandle NewStart = getMulExpr(F->getStart(),
1186                                                  G->getStart());
1187           SCEVHandle B = F->getStepRecurrence(*this);
1188           SCEVHandle D = G->getStepRecurrence(*this);
1189           SCEVHandle NewStep = getAddExpr(getMulExpr(F, D),
1190                                           getMulExpr(G, B),
1191                                           getMulExpr(B, D));
1192           SCEVHandle NewAddRec = getAddRecExpr(NewStart, NewStep,
1193                                                F->getLoop());
1194           if (Ops.size() == 2) return NewAddRec;
1195
1196           Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1197           Ops.erase(Ops.begin()+OtherIdx-1);
1198           Ops.push_back(NewAddRec);
1199           return getMulExpr(Ops);
1200         }
1201       }
1202
1203     // Otherwise couldn't fold anything into this recurrence.  Move onto the
1204     // next one.
1205   }
1206
1207   // Okay, it looks like we really DO need an mul expr.  Check to see if we
1208   // already have one, otherwise create a new one.
1209   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1210   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scMulExpr,
1211                                                                  SCEVOps)];
1212   if (Result == 0)
1213     Result = new SCEVMulExpr(Ops);
1214   return Result;
1215 }
1216
1217 SCEVHandle ScalarEvolution::getUDivExpr(const SCEVHandle &LHS,
1218                                         const SCEVHandle &RHS) {
1219   if (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
1220     if (RHSC->getValue()->equalsInt(1))
1221       return LHS;                            // X udiv 1 --> x
1222
1223     if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
1224       Constant *LHSCV = LHSC->getValue();
1225       Constant *RHSCV = RHSC->getValue();
1226       return getUnknown(ConstantExpr::getUDiv(LHSCV, RHSCV));
1227     }
1228   }
1229
1230   // FIXME: implement folding of (X*4)/4 when we know X*4 doesn't overflow.
1231
1232   SCEVUDivExpr *&Result = (*SCEVUDivs)[std::make_pair(LHS, RHS)];
1233   if (Result == 0) Result = new SCEVUDivExpr(LHS, RHS);
1234   return Result;
1235 }
1236
1237
1238 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1239 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1240 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(const SCEVHandle &Start,
1241                                const SCEVHandle &Step, const Loop *L) {
1242   std::vector<SCEVHandle> Operands;
1243   Operands.push_back(Start);
1244   if (const SCEVAddRecExpr *StepChrec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Step))
1245     if (StepChrec->getLoop() == L) {
1246       Operands.insert(Operands.end(), StepChrec->op_begin(),
1247                       StepChrec->op_end());
1248       return getAddRecExpr(Operands, L);
1249     }
1250
1251   Operands.push_back(Step);
1252   return getAddRecExpr(Operands, L);
1253 }
1254
1255 /// SCEVAddRecExpr::get - Get a add recurrence expression for the
1256 /// specified loop.  Simplify the expression as much as possible.
1257 SCEVHandle ScalarEvolution::getAddRecExpr(std::vector<SCEVHandle> &Operands,
1258                                           const Loop *L) {
1259   if (Operands.size() == 1) return Operands[0];
1260
1261   if (Operands.back()->isZero()) {
1262     Operands.pop_back();
1263     return getAddRecExpr(Operands, L);             // {X,+,0}  -->  X
1264   }
1265
1266   // Canonicalize nested AddRecs in by nesting them in order of loop depth.
1267   if (const SCEVAddRecExpr *NestedAR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Operands[0])) {
1268     const Loop* NestedLoop = NestedAR->getLoop();
1269     if (L->getLoopDepth() < NestedLoop->getLoopDepth()) {
1270       std::vector<SCEVHandle> NestedOperands(NestedAR->op_begin(),
1271                                              NestedAR->op_end());
1272       SCEVHandle NestedARHandle(NestedAR);
1273       Operands[0] = NestedAR->getStart();
1274       NestedOperands[0] = getAddRecExpr(Operands, L);
1275       return getAddRecExpr(NestedOperands, NestedLoop);
1276     }
1277   }
1278
1279   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Operands.begin(), Operands.end());
1280   SCEVAddRecExpr *&Result = (*SCEVAddRecExprs)[std::make_pair(L, SCEVOps)];
1281   if (Result == 0) Result = new SCEVAddRecExpr(Operands, L);
1282   return Result;
1283 }
1284
1285 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1286                                         const SCEVHandle &RHS) {
1287   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1288   Ops.push_back(LHS);
1289   Ops.push_back(RHS);
1290   return getSMaxExpr(Ops);
1291 }
1292
1293 SCEVHandle ScalarEvolution::getSMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1294   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty smax!");
1295   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1296
1297   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1298   GroupByComplexity(Ops);
1299
1300   // If there are any constants, fold them together.
1301   unsigned Idx = 0;
1302   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1303     ++Idx;
1304     assert(Idx < Ops.size());
1305     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1306       // We found two constants, fold them together!
1307       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1308                               APIntOps::smax(LHSC->getValue()->getValue(),
1309                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1310       Ops[0] = getConstant(Fold);
1311       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1312       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1313       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1314     }
1315
1316     // If we are left with a constant -inf, strip it off.
1317     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(true)) {
1318       Ops.erase(Ops.begin());
1319       --Idx;
1320     }
1321   }
1322
1323   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1324
1325   // Find the first SMax
1326   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scSMaxExpr)
1327     ++Idx;
1328
1329   // Check to see if one of the operands is an SMax. If so, expand its operands
1330   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1331   if (Idx < Ops.size()) {
1332     bool DeletedSMax = false;
1333     while (const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1334       Ops.insert(Ops.end(), SMax->op_begin(), SMax->op_end());
1335       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1336       DeletedSMax = true;
1337     }
1338
1339     if (DeletedSMax)
1340       return getSMaxExpr(Ops);
1341   }
1342
1343   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1344   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1345   // be adjacent.
1346   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1347     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X smax Y smax Y  -->  X smax Y
1348       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1349       --i; --e;
1350     }
1351
1352   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1353
1354   assert(!Ops.empty() && "Reduced smax down to nothing!");
1355
1356   // Okay, it looks like we really DO need an smax expr.  Check to see if we
1357   // already have one, otherwise create a new one.
1358   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1359   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scSMaxExpr,
1360                                                                  SCEVOps)];
1361   if (Result == 0) Result = new SCEVSMaxExpr(Ops);
1362   return Result;
1363 }
1364
1365 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(const SCEVHandle &LHS,
1366                                         const SCEVHandle &RHS) {
1367   std::vector<SCEVHandle> Ops;
1368   Ops.push_back(LHS);
1369   Ops.push_back(RHS);
1370   return getUMaxExpr(Ops);
1371 }
1372
1373 SCEVHandle ScalarEvolution::getUMaxExpr(std::vector<SCEVHandle> Ops) {
1374   assert(!Ops.empty() && "Cannot get empty umax!");
1375   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1376
1377   // Sort by complexity, this groups all similar expression types together.
1378   GroupByComplexity(Ops);
1379
1380   // If there are any constants, fold them together.
1381   unsigned Idx = 0;
1382   if (const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[0])) {
1383     ++Idx;
1384     assert(Idx < Ops.size());
1385     while (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(Ops[Idx])) {
1386       // We found two constants, fold them together!
1387       ConstantInt *Fold = ConstantInt::get(
1388                               APIntOps::umax(LHSC->getValue()->getValue(),
1389                                              RHSC->getValue()->getValue()));
1390       Ops[0] = getConstant(Fold);
1391       Ops.erase(Ops.begin()+1);  // Erase the folded element
1392       if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1393       LHSC = cast<SCEVConstant>(Ops[0]);
1394     }
1395
1396     // If we are left with a constant zero, strip it off.
1397     if (cast<SCEVConstant>(Ops[0])->getValue()->isMinValue(false)) {
1398       Ops.erase(Ops.begin());
1399       --Idx;
1400     }
1401   }
1402
1403   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1404
1405   // Find the first UMax
1406   while (Idx < Ops.size() && Ops[Idx]->getSCEVType() < scUMaxExpr)
1407     ++Idx;
1408
1409   // Check to see if one of the operands is a UMax. If so, expand its operands
1410   // onto our operand list, and recurse to simplify.
1411   if (Idx < Ops.size()) {
1412     bool DeletedUMax = false;
1413     while (const SCEVUMaxExpr *UMax = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(Ops[Idx])) {
1414       Ops.insert(Ops.end(), UMax->op_begin(), UMax->op_end());
1415       Ops.erase(Ops.begin()+Idx);
1416       DeletedUMax = true;
1417     }
1418
1419     if (DeletedUMax)
1420       return getUMaxExpr(Ops);
1421   }
1422
1423   // Okay, check to see if the same value occurs in the operand list twice.  If
1424   // so, delete one.  Since we sorted the list, these values are required to
1425   // be adjacent.
1426   for (unsigned i = 0, e = Ops.size()-1; i != e; ++i)
1427     if (Ops[i] == Ops[i+1]) {      //  X umax Y umax Y  -->  X umax Y
1428       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+1);
1429       --i; --e;
1430     }
1431
1432   if (Ops.size() == 1) return Ops[0];
1433
1434   assert(!Ops.empty() && "Reduced umax down to nothing!");
1435
1436   // Okay, it looks like we really DO need a umax expr.  Check to see if we
1437   // already have one, otherwise create a new one.
1438   std::vector<const SCEV*> SCEVOps(Ops.begin(), Ops.end());
1439   SCEVCommutativeExpr *&Result = (*SCEVCommExprs)[std::make_pair(scUMaxExpr,
1440                                                                  SCEVOps)];
1441   if (Result == 0) Result = new SCEVUMaxExpr(Ops);
1442   return Result;
1443 }
1444
1445 SCEVHandle ScalarEvolution::getUnknown(Value *V) {
1446   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V))
1447     return getConstant(CI);
1448   if (isa<ConstantPointerNull>(V))
1449     return getIntegerSCEV(0, V->getType());
1450   SCEVUnknown *&Result = (*SCEVUnknowns)[V];
1451   if (Result == 0) Result = new SCEVUnknown(V);
1452   return Result;
1453 }
1454
1455 //===----------------------------------------------------------------------===//
1456 //            Basic SCEV Analysis and PHI Idiom Recognition Code
1457 //
1458
1459 /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
1460 /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
1461 /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
1462 /// has access to target-specific information.
1463 bool ScalarEvolution::isSCEVable(const Type *Ty) const {
1464   // Integers are always SCEVable.
1465   if (Ty->isInteger())
1466     return true;
1467
1468   // Pointers are SCEVable if TargetData information is available
1469   // to provide pointer size information.
1470   if (isa<PointerType>(Ty))
1471     return TD != NULL;
1472
1473   // Otherwise it's not SCEVable.
1474   return false;
1475 }
1476
1477 /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
1478 /// for which isSCEVable must return true.
1479 uint64_t ScalarEvolution::getTypeSizeInBits(const Type *Ty) const {
1480   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
1481
1482   // If we have a TargetData, use it!
1483   if (TD)
1484     return TD->getTypeSizeInBits(Ty);
1485
1486   // Otherwise, we support only integer types.
1487   assert(Ty->isInteger() && "isSCEVable permitted a non-SCEVable type!");
1488   return Ty->getPrimitiveSizeInBits();
1489 }
1490
1491 /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
1492 /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
1493 /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
1494 /// this is the pointer-sized integer type.
1495 const Type *ScalarEvolution::getEffectiveSCEVType(const Type *Ty) const {
1496   assert(isSCEVable(Ty) && "Type is not SCEVable!");
1497
1498   if (Ty->isInteger())
1499     return Ty;
1500
1501   assert(isa<PointerType>(Ty) && "Unexpected non-pointer non-integer type!");
1502   return TD->getIntPtrType();
1503 }
1504
1505 SCEVHandle ScalarEvolution::getCouldNotCompute() {
1506   return UnknownValue;
1507 }
1508
1509 /// hasSCEV - Return true if the SCEV for this value has already been
1510 /// computed.
1511 bool ScalarEvolution::hasSCEV(Value *V) const {
1512   return Scalars.count(V);
1513 }
1514
1515 /// getSCEV - Return an existing SCEV if it exists, otherwise analyze the
1516 /// expression and create a new one.
1517 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEV(Value *V) {
1518   assert(isSCEVable(V->getType()) && "Value is not SCEVable!");
1519
1520   std::map<SCEVCallbackVH, SCEVHandle>::iterator I = Scalars.find(V);
1521   if (I != Scalars.end()) return I->second;
1522   SCEVHandle S = createSCEV(V);
1523   Scalars.insert(std::make_pair(SCEVCallbackVH(V, this), S));
1524   return S;
1525 }
1526
1527 /// getIntegerSCEV - Given an integer or FP type, create a constant for the
1528 /// specified signed integer value and return a SCEV for the constant.
1529 SCEVHandle ScalarEvolution::getIntegerSCEV(int Val, const Type *Ty) {
1530   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1531   Constant *C;
1532   if (Val == 0)
1533     C = Constant::getNullValue(Ty);
1534   else if (Ty->isFloatingPoint())
1535     C = ConstantFP::get(APFloat(Ty==Type::FloatTy ? APFloat::IEEEsingle :
1536                                 APFloat::IEEEdouble, Val));
1537   else
1538     C = ConstantInt::get(Ty, Val);
1539   return getUnknown(C);
1540 }
1541
1542 /// getNegativeSCEV - Return a SCEV corresponding to -V = -1*V
1543 ///
1544 SCEVHandle ScalarEvolution::getNegativeSCEV(const SCEVHandle &V) {
1545   if (const SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
1546     return getUnknown(ConstantExpr::getNeg(VC->getValue()));
1547
1548   const Type *Ty = V->getType();
1549   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1550   return getMulExpr(V, getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)));
1551 }
1552
1553 /// getNotSCEV - Return a SCEV corresponding to ~V = -1-V
1554 SCEVHandle ScalarEvolution::getNotSCEV(const SCEVHandle &V) {
1555   if (const SCEVConstant *VC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
1556     return getUnknown(ConstantExpr::getNot(VC->getValue()));
1557
1558   const Type *Ty = V->getType();
1559   Ty = getEffectiveSCEVType(Ty);
1560   SCEVHandle AllOnes = getConstant(ConstantInt::getAllOnesValue(Ty));
1561   return getMinusSCEV(AllOnes, V);
1562 }
1563
1564 /// getMinusSCEV - Return a SCEV corresponding to LHS - RHS.
1565 ///
1566 SCEVHandle ScalarEvolution::getMinusSCEV(const SCEVHandle &LHS,
1567                                          const SCEVHandle &RHS) {
1568   // X - Y --> X + -Y
1569   return getAddExpr(LHS, getNegativeSCEV(RHS));
1570 }
1571
1572 /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
1573 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is zero
1574 /// extended.
1575 SCEVHandle
1576 ScalarEvolution::getTruncateOrZeroExtend(const SCEVHandle &V,
1577                                          const Type *Ty) {
1578   const Type *SrcTy = V->getType();
1579   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
1580          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
1581          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
1582   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
1583     return V;  // No conversion
1584   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
1585     return getTruncateExpr(V, Ty);
1586   return getZeroExtendExpr(V, Ty);
1587 }
1588
1589 /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
1590 /// input value to the specified type.  If the type must be extended, it is sign
1591 /// extended.
1592 SCEVHandle
1593 ScalarEvolution::getTruncateOrSignExtend(const SCEVHandle &V,
1594                                          const Type *Ty) {
1595   const Type *SrcTy = V->getType();
1596   assert((SrcTy->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(SrcTy))) &&
1597          (Ty->isInteger() || (TD && isa<PointerType>(Ty))) &&
1598          "Cannot truncate or zero extend with non-integer arguments!");
1599   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) == getTypeSizeInBits(Ty))
1600     return V;  // No conversion
1601   if (getTypeSizeInBits(SrcTy) > getTypeSizeInBits(Ty))
1602     return getTruncateExpr(V, Ty);
1603   return getSignExtendExpr(V, Ty);
1604 }
1605
1606 /// ReplaceSymbolicValueWithConcrete - This looks up the computed SCEV value for
1607 /// the specified instruction and replaces any references to the symbolic value
1608 /// SymName with the specified value.  This is used during PHI resolution.
1609 void ScalarEvolution::
1610 ReplaceSymbolicValueWithConcrete(Instruction *I, const SCEVHandle &SymName,
1611                                  const SCEVHandle &NewVal) {
1612   std::map<SCEVCallbackVH, SCEVHandle>::iterator SI =
1613     Scalars.find(SCEVCallbackVH(I, this));
1614   if (SI == Scalars.end()) return;
1615
1616   SCEVHandle NV =
1617     SI->second->replaceSymbolicValuesWithConcrete(SymName, NewVal, *this);
1618   if (NV == SI->second) return;  // No change.
1619
1620   SI->second = NV;       // Update the scalars map!
1621
1622   // Any instruction values that use this instruction might also need to be
1623   // updated!
1624   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end();
1625        UI != E; ++UI)
1626     ReplaceSymbolicValueWithConcrete(cast<Instruction>(*UI), SymName, NewVal);
1627 }
1628
1629 /// createNodeForPHI - PHI nodes have two cases.  Either the PHI node exists in
1630 /// a loop header, making it a potential recurrence, or it doesn't.
1631 ///
1632 SCEVHandle ScalarEvolution::createNodeForPHI(PHINode *PN) {
1633   if (PN->getNumIncomingValues() == 2)  // The loops have been canonicalized.
1634     if (const Loop *L = LI->getLoopFor(PN->getParent()))
1635       if (L->getHeader() == PN->getParent()) {
1636         // If it lives in the loop header, it has two incoming values, one
1637         // from outside the loop, and one from inside.
1638         unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1639         unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1640
1641         // While we are analyzing this PHI node, handle its value symbolically.
1642         SCEVHandle SymbolicName = getUnknown(PN);
1643         assert(Scalars.find(PN) == Scalars.end() &&
1644                "PHI node already processed?");
1645         Scalars.insert(std::make_pair(SCEVCallbackVH(PN, this), SymbolicName));
1646
1647         // Using this symbolic name for the PHI, analyze the value coming around
1648         // the back-edge.
1649         SCEVHandle BEValue = getSCEV(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1650
1651         // NOTE: If BEValue is loop invariant, we know that the PHI node just
1652         // has a special value for the first iteration of the loop.
1653
1654         // If the value coming around the backedge is an add with the symbolic
1655         // value we just inserted, then we found a simple induction variable!
1656         if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(BEValue)) {
1657           // If there is a single occurrence of the symbolic value, replace it
1658           // with a recurrence.
1659           unsigned FoundIndex = Add->getNumOperands();
1660           for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1661             if (Add->getOperand(i) == SymbolicName)
1662               if (FoundIndex == e) {
1663                 FoundIndex = i;
1664                 break;
1665               }
1666
1667           if (FoundIndex != Add->getNumOperands()) {
1668             // Create an add with everything but the specified operand.
1669             std::vector<SCEVHandle> Ops;
1670             for (unsigned i = 0, e = Add->getNumOperands(); i != e; ++i)
1671               if (i != FoundIndex)
1672                 Ops.push_back(Add->getOperand(i));
1673             SCEVHandle Accum = getAddExpr(Ops);
1674
1675             // This is not a valid addrec if the step amount is varying each
1676             // loop iteration, but is not itself an addrec in this loop.
1677             if (Accum->isLoopInvariant(L) ||
1678                 (isa<SCEVAddRecExpr>(Accum) &&
1679                  cast<SCEVAddRecExpr>(Accum)->getLoop() == L)) {
1680               SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1681               SCEVHandle PHISCEV  = getAddRecExpr(StartVal, Accum, L);
1682
1683               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1684               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1685               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1686               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1687               // value.
1688               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1689               return PHISCEV;
1690             }
1691           }
1692         } else if (const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1693                      dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BEValue)) {
1694           // Otherwise, this could be a loop like this:
1695           //     i = 0;  for (j = 1; ..; ++j) { ....  i = j; }
1696           // In this case, j = {1,+,1}  and BEValue is j.
1697           // Because the other in-value of i (0) fits the evolution of BEValue
1698           // i really is an addrec evolution.
1699           if (AddRec->getLoop() == L && AddRec->isAffine()) {
1700             SCEVHandle StartVal = getSCEV(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1701
1702             // If StartVal = j.start - j.stride, we can use StartVal as the
1703             // initial step of the addrec evolution.
1704             if (StartVal == getMinusSCEV(AddRec->getOperand(0),
1705                                             AddRec->getOperand(1))) {
1706               SCEVHandle PHISCEV = 
1707                  getAddRecExpr(StartVal, AddRec->getOperand(1), L);
1708
1709               // Okay, for the entire analysis of this edge we assumed the PHI
1710               // to be symbolic.  We now need to go back and update all of the
1711               // entries for the scalars that use the PHI (except for the PHI
1712               // itself) to use the new analyzed value instead of the "symbolic"
1713               // value.
1714               ReplaceSymbolicValueWithConcrete(PN, SymbolicName, PHISCEV);
1715               return PHISCEV;
1716             }
1717           }
1718         }
1719
1720         return SymbolicName;
1721       }
1722
1723   // If it's not a loop phi, we can't handle it yet.
1724   return getUnknown(PN);
1725 }
1726
1727 /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S is
1728 /// guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same time,
1729 /// the minimum number of times S is divisible by 2.  For example, given {4,+,8}
1730 /// it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the bitwidth of S.
1731 static uint32_t GetMinTrailingZeros(SCEVHandle S, const ScalarEvolution &SE) {
1732   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S))
1733     return C->getValue()->getValue().countTrailingZeros();
1734
1735   if (const SCEVTruncateExpr *T = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(S))
1736     return std::min(GetMinTrailingZeros(T->getOperand(), SE),
1737                     (uint32_t)SE.getTypeSizeInBits(T->getType()));
1738
1739   if (const SCEVZeroExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)) {
1740     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand(), SE);
1741     return OpRes == SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
1742              SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) : OpRes;
1743   }
1744
1745   if (const SCEVSignExtendExpr *E = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(S)) {
1746     uint32_t OpRes = GetMinTrailingZeros(E->getOperand(), SE);
1747     return OpRes == SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) ?
1748              SE.getTypeSizeInBits(E->getOperand()->getType()) : OpRes;
1749   }
1750
1751   if (const SCEVAddExpr *A = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1752     // The result is the min of all operands results.
1753     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0), SE);
1754     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1755       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i), SE));
1756     return MinOpRes;
1757   }
1758
1759   if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1760     // The result is the sum of all operands results.
1761     uint32_t SumOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1762     uint32_t BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(M->getType());
1763     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands();
1764          SumOpRes != BitWidth && i != e; ++i)
1765       SumOpRes = std::min(SumOpRes + GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE),
1766                           BitWidth);
1767     return SumOpRes;
1768   }
1769
1770   if (const SCEVAddRecExpr *A = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1771     // The result is the min of all operands results.
1772     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(A->getOperand(0), SE);
1773     for (unsigned i = 1, e = A->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1774       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(A->getOperand(i), SE));
1775     return MinOpRes;
1776   }
1777
1778   if (const SCEVSMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(S)) {
1779     // The result is the min of all operands results.
1780     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1781     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1782       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE));
1783     return MinOpRes;
1784   }
1785
1786   if (const SCEVUMaxExpr *M = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(S)) {
1787     // The result is the min of all operands results.
1788     uint32_t MinOpRes = GetMinTrailingZeros(M->getOperand(0), SE);
1789     for (unsigned i = 1, e = M->getNumOperands(); MinOpRes && i != e; ++i)
1790       MinOpRes = std::min(MinOpRes, GetMinTrailingZeros(M->getOperand(i), SE));
1791     return MinOpRes;
1792   }
1793
1794   // SCEVUDivExpr, SCEVUnknown
1795   return 0;
1796 }
1797
1798 /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
1799 /// Analyze the expression.
1800 ///
1801 SCEVHandle ScalarEvolution::createSCEV(Value *V) {
1802   if (!isSCEVable(V->getType()))
1803     return getUnknown(V);
1804
1805   unsigned Opcode = Instruction::UserOp1;
1806   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
1807     Opcode = I->getOpcode();
1808   else if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(V))
1809     Opcode = CE->getOpcode();
1810   else
1811     return getUnknown(V);
1812
1813   User *U = cast<User>(V);
1814   switch (Opcode) {
1815   case Instruction::Add:
1816     return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1817                       getSCEV(U->getOperand(1)));
1818   case Instruction::Mul:
1819     return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1820                       getSCEV(U->getOperand(1)));
1821   case Instruction::UDiv:
1822     return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1823                        getSCEV(U->getOperand(1)));
1824   case Instruction::Sub:
1825     return getMinusSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)),
1826                         getSCEV(U->getOperand(1)));
1827   case Instruction::And:
1828     // For an expression like x&255 that merely masks off the high bits,
1829     // use zext(trunc(x)) as the SCEV expression.
1830     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1831       if (CI->isNullValue())
1832         return getSCEV(U->getOperand(1));
1833       if (CI->isAllOnesValue())
1834         return getSCEV(U->getOperand(0));
1835       const APInt &A = CI->getValue();
1836       unsigned Ones = A.countTrailingOnes();
1837       if (APIntOps::isMask(Ones, A))
1838         return
1839           getZeroExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1840                                             IntegerType::get(Ones)),
1841                             U->getType());
1842     }
1843     break;
1844   case Instruction::Or:
1845     // If the RHS of the Or is a constant, we may have something like:
1846     // X*4+1 which got turned into X*4|1.  Handle this as an Add so loop
1847     // optimizations will transparently handle this case.
1848     //
1849     // In order for this transformation to be safe, the LHS must be of the
1850     // form X*(2^n) and the Or constant must be less than 2^n.
1851     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1852       SCEVHandle LHS = getSCEV(U->getOperand(0));
1853       const APInt &CIVal = CI->getValue();
1854       if (GetMinTrailingZeros(LHS, *this) >=
1855           (CIVal.getBitWidth() - CIVal.countLeadingZeros()))
1856         return getAddExpr(LHS, getSCEV(U->getOperand(1)));
1857     }
1858     break;
1859   case Instruction::Xor:
1860     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1861       // If the RHS of the xor is a signbit, then this is just an add.
1862       // Instcombine turns add of signbit into xor as a strength reduction step.
1863       if (CI->getValue().isSignBit())
1864         return getAddExpr(getSCEV(U->getOperand(0)),
1865                           getSCEV(U->getOperand(1)));
1866
1867       // If the RHS of xor is -1, then this is a not operation.
1868       else if (CI->isAllOnesValue())
1869         return getNotSCEV(getSCEV(U->getOperand(0)));
1870     }
1871     break;
1872
1873   case Instruction::Shl:
1874     // Turn shift left of a constant amount into a multiply.
1875     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1876       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1877       Constant *X = ConstantInt::get(
1878         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1879       return getMulExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1880     }
1881     break;
1882
1883   case Instruction::LShr:
1884     // Turn logical shift right of a constant into a unsigned divide.
1885     if (ConstantInt *SA = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1))) {
1886       uint32_t BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
1887       Constant *X = ConstantInt::get(
1888         APInt(BitWidth, 1).shl(SA->getLimitedValue(BitWidth)));
1889       return getUDivExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), getSCEV(X));
1890     }
1891     break;
1892
1893   case Instruction::AShr:
1894     // For a two-shift sext-inreg, use sext(trunc(x)) as the SCEV expression.
1895     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U->getOperand(1)))
1896       if (Instruction *L = dyn_cast<Instruction>(U->getOperand(0)))
1897         if (L->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1898             L->getOperand(1) == U->getOperand(1)) {
1899           unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(U->getType());
1900           uint64_t Amt = BitWidth - CI->getZExtValue();
1901           if (Amt == BitWidth)
1902             return getSCEV(L->getOperand(0));       // shift by zero --> noop
1903           if (Amt > BitWidth)
1904             return getIntegerSCEV(0, U->getType()); // value is undefined
1905           return
1906             getSignExtendExpr(getTruncateExpr(getSCEV(L->getOperand(0)),
1907                                                       IntegerType::get(Amt)),
1908                                  U->getType());
1909         }
1910     break;
1911
1912   case Instruction::Trunc:
1913     return getTruncateExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1914
1915   case Instruction::ZExt:
1916     return getZeroExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1917
1918   case Instruction::SExt:
1919     return getSignExtendExpr(getSCEV(U->getOperand(0)), U->getType());
1920
1921   case Instruction::BitCast:
1922     // BitCasts are no-op casts so we just eliminate the cast.
1923     if (isSCEVable(U->getType()) && isSCEVable(U->getOperand(0)->getType()))
1924       return getSCEV(U->getOperand(0));
1925     break;
1926
1927   case Instruction::IntToPtr:
1928     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1929     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
1930                                    TD->getIntPtrType());
1931
1932   case Instruction::PtrToInt:
1933     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1934     return getTruncateOrZeroExtend(getSCEV(U->getOperand(0)),
1935                                    U->getType());
1936
1937   case Instruction::GetElementPtr: {
1938     if (!TD) break; // Without TD we can't analyze pointers.
1939     const Type *IntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1940     Value *Base = U->getOperand(0);
1941     SCEVHandle TotalOffset = getIntegerSCEV(0, IntPtrTy);
1942     gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(U);
1943     for (GetElementPtrInst::op_iterator I = next(U->op_begin()),
1944                                         E = U->op_end();
1945          I != E; ++I) {
1946       Value *Index = *I;
1947       // Compute the (potentially symbolic) offset in bytes for this index.
1948       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI++)) {
1949         // For a struct, add the member offset.
1950         const StructLayout &SL = *TD->getStructLayout(STy);
1951         unsigned FieldNo = cast<ConstantInt>(Index)->getZExtValue();
1952         uint64_t Offset = SL.getElementOffset(FieldNo);
1953         TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset,
1954                                     getIntegerSCEV(Offset, IntPtrTy));
1955       } else {
1956         // For an array, add the element offset, explicitly scaled.
1957         SCEVHandle LocalOffset = getSCEV(Index);
1958         if (!isa<PointerType>(LocalOffset->getType()))
1959           // Getelementptr indicies are signed.
1960           LocalOffset = getTruncateOrSignExtend(LocalOffset,
1961                                                 IntPtrTy);
1962         LocalOffset =
1963           getMulExpr(LocalOffset,
1964                      getIntegerSCEV(TD->getTypePaddedSize(*GTI),
1965                                     IntPtrTy));
1966         TotalOffset = getAddExpr(TotalOffset, LocalOffset);
1967       }
1968     }
1969     return getAddExpr(getSCEV(Base), TotalOffset);
1970   }
1971
1972   case Instruction::PHI:
1973     return createNodeForPHI(cast<PHINode>(U));
1974
1975   case Instruction::Select:
1976     // This could be a smax or umax that was lowered earlier.
1977     // Try to recover it.
1978     if (ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(U->getOperand(0))) {
1979       Value *LHS = ICI->getOperand(0);
1980       Value *RHS = ICI->getOperand(1);
1981       switch (ICI->getPredicate()) {
1982       case ICmpInst::ICMP_SLT:
1983       case ICmpInst::ICMP_SLE:
1984         std::swap(LHS, RHS);
1985         // fall through
1986       case ICmpInst::ICMP_SGT:
1987       case ICmpInst::ICMP_SGE:
1988         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
1989           return getSMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
1990         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
1991           // ~smax(~x, ~y) == smin(x, y).
1992           return getNotSCEV(getSMaxExpr(
1993                                    getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
1994                                    getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
1995         break;
1996       case ICmpInst::ICMP_ULT:
1997       case ICmpInst::ICMP_ULE:
1998         std::swap(LHS, RHS);
1999         // fall through
2000       case ICmpInst::ICMP_UGT:
2001       case ICmpInst::ICMP_UGE:
2002         if (LHS == U->getOperand(1) && RHS == U->getOperand(2))
2003           return getUMaxExpr(getSCEV(LHS), getSCEV(RHS));
2004         else if (LHS == U->getOperand(2) && RHS == U->getOperand(1))
2005           // ~umax(~x, ~y) == umin(x, y)
2006           return getNotSCEV(getUMaxExpr(getNotSCEV(getSCEV(LHS)),
2007                                         getNotSCEV(getSCEV(RHS))));
2008         break;
2009       default:
2010         break;
2011       }
2012     }
2013
2014   default: // We cannot analyze this expression.
2015     break;
2016   }
2017
2018   return getUnknown(V);
2019 }
2020
2021
2022
2023 //===----------------------------------------------------------------------===//
2024 //                   Iteration Count Computation Code
2025 //
2026
2027 /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
2028 /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
2029 /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
2030 /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
2031 /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
2032 /// when the header is branched to from outside the loop.
2033 ///
2034 /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
2035 /// loop-invariant backedge-taken count (see
2036 /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
2037 ///
2038 SCEVHandle ScalarEvolution::getBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2039   return getBackedgeTakenInfo(L).Exact;
2040 }
2041
2042 /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
2043 /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
2044 /// actual backedge taken count.
2045 SCEVHandle ScalarEvolution::getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2046   return getBackedgeTakenInfo(L).Max;
2047 }
2048
2049 const ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo &
2050 ScalarEvolution::getBackedgeTakenInfo(const Loop *L) {
2051   // Initially insert a CouldNotCompute for this loop. If the insertion
2052   // succeeds, procede to actually compute a backedge-taken count and
2053   // update the value. The temporary CouldNotCompute value tells SCEV
2054   // code elsewhere that it shouldn't attempt to request a new
2055   // backedge-taken count, which could result in infinite recursion.
2056   std::pair<std::map<const Loop*, BackedgeTakenInfo>::iterator, bool> Pair =
2057     BackedgeTakenCounts.insert(std::make_pair(L, getCouldNotCompute()));
2058   if (Pair.second) {
2059     BackedgeTakenInfo ItCount = ComputeBackedgeTakenCount(L);
2060     if (ItCount.Exact != UnknownValue) {
2061       assert(ItCount.Exact->isLoopInvariant(L) &&
2062              ItCount.Max->isLoopInvariant(L) &&
2063              "Computed trip count isn't loop invariant for loop!");
2064       ++NumTripCountsComputed;
2065
2066       // Update the value in the map.
2067       Pair.first->second = ItCount;
2068     } else if (isa<PHINode>(L->getHeader()->begin())) {
2069       // Only count loops that have phi nodes as not being computable.
2070       ++NumTripCountsNotComputed;
2071     }
2072
2073     // Now that we know more about the trip count for this loop, forget any
2074     // existing SCEV values for PHI nodes in this loop since they are only
2075     // conservative estimates made without the benefit
2076     // of trip count information.
2077     if (ItCount.hasAnyInfo())
2078       forgetLoopPHIs(L);
2079   }
2080   return Pair.first->second;
2081 }
2082
2083 /// forgetLoopBackedgeTakenCount - This method should be called by the
2084 /// client when it has changed a loop in a way that may effect
2085 /// ScalarEvolution's ability to compute a trip count, or if the loop
2086 /// is deleted.
2087 void ScalarEvolution::forgetLoopBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2088   BackedgeTakenCounts.erase(L);
2089   forgetLoopPHIs(L);
2090 }
2091
2092 /// forgetLoopPHIs - Delete the memoized SCEVs associated with the
2093 /// PHI nodes in the given loop. This is used when the trip count of
2094 /// the loop may have changed.
2095 void ScalarEvolution::forgetLoopPHIs(const Loop *L) {
2096   BasicBlock *Header = L->getHeader();
2097
2098   SmallVector<Instruction *, 16> Worklist;
2099   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
2100        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
2101     Worklist.push_back(PN);
2102
2103   while (!Worklist.empty()) {
2104     Instruction *I = Worklist.pop_back_val();
2105     if (Scalars.erase(I))
2106       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
2107            UI != UE; ++UI)
2108         Worklist.push_back(cast<Instruction>(UI));
2109   }
2110 }
2111
2112 /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the backedge
2113 /// of the specified loop will execute.
2114 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo
2115 ScalarEvolution::ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
2116   // If the loop has a non-one exit block count, we can't analyze it.
2117   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
2118   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
2119   if (ExitBlocks.size() != 1) return UnknownValue;
2120
2121   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
2122   // loop to be exited.
2123   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
2124
2125   BasicBlock *ExitingBlock = 0;
2126   for (pred_iterator PI = pred_begin(ExitBlock), E = pred_end(ExitBlock);
2127        PI != E; ++PI)
2128     if (L->contains(*PI)) {
2129       if (ExitingBlock == 0)
2130         ExitingBlock = *PI;
2131       else
2132         return UnknownValue;   // More than one block exiting!
2133     }
2134   assert(ExitingBlock && "No exits from loop, something is broken!");
2135
2136   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
2137   // exit.
2138   //
2139   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
2140   BranchInst *ExitBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2141   if (ExitBr == 0) return UnknownValue;
2142   assert(ExitBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
2143   
2144   // At this point, we know we have a conditional branch that determines whether
2145   // the loop is exited.  However, we don't know if the branch is executed each
2146   // time through the loop.  If not, then the execution count of the branch will
2147   // not be equal to the trip count of the loop.
2148   //
2149   // Currently we check for this by checking to see if the Exit branch goes to
2150   // the loop header.  If so, we know it will always execute the same number of
2151   // times as the loop.  We also handle the case where the exit block *is* the
2152   // loop header.  This is common for un-rotated loops.  More extensive analysis
2153   // could be done to handle more cases here.
2154   if (ExitBr->getSuccessor(0) != L->getHeader() &&
2155       ExitBr->getSuccessor(1) != L->getHeader() &&
2156       ExitBr->getParent() != L->getHeader())
2157     return UnknownValue;
2158   
2159   ICmpInst *ExitCond = dyn_cast<ICmpInst>(ExitBr->getCondition());
2160
2161   // If it's not an integer comparison then compute it the hard way. 
2162   // Note that ICmpInst deals with pointer comparisons too so we must check
2163   // the type of the operand.
2164   if (ExitCond == 0 || isa<PointerType>(ExitCond->getOperand(0)->getType()))
2165     return ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitBr->getCondition(),
2166                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2167
2168   // If the condition was exit on true, convert the condition to exit on false
2169   ICmpInst::Predicate Cond;
2170   if (ExitBr->getSuccessor(1) == ExitBlock)
2171     Cond = ExitCond->getPredicate();
2172   else
2173     Cond = ExitCond->getInversePredicate();
2174
2175   // Handle common loops like: for (X = "string"; *X; ++X)
2176   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(ExitCond->getOperand(0)))
2177     if (Constant *RHS = dyn_cast<Constant>(ExitCond->getOperand(1))) {
2178       SCEVHandle ItCnt =
2179         ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LI, RHS, L, Cond);
2180       if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(ItCnt)) return ItCnt;
2181     }
2182
2183   SCEVHandle LHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(0));
2184   SCEVHandle RHS = getSCEV(ExitCond->getOperand(1));
2185
2186   // Try to evaluate any dependencies out of the loop.
2187   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(LHS, L);
2188   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) LHS = Tmp;
2189   Tmp = getSCEVAtScope(RHS, L);
2190   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) RHS = Tmp;
2191
2192   // At this point, we would like to compute how many iterations of the 
2193   // loop the predicate will return true for these inputs.
2194   if (LHS->isLoopInvariant(L) && !RHS->isLoopInvariant(L)) {
2195     // If there is a loop-invariant, force it into the RHS.
2196     std::swap(LHS, RHS);
2197     Cond = ICmpInst::getSwappedPredicate(Cond);
2198   }
2199
2200   // If we have a comparison of a chrec against a constant, try to use value
2201   // ranges to answer this query.
2202   if (const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS))
2203     if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS))
2204       if (AddRec->getLoop() == L) {
2205         // Form the comparison range using the constant of the correct type so
2206         // that the ConstantRange class knows to do a signed or unsigned
2207         // comparison.
2208         ConstantInt *CompVal = RHSC->getValue();
2209         const Type *RealTy = ExitCond->getOperand(0)->getType();
2210         CompVal = dyn_cast<ConstantInt>(
2211           ConstantExpr::getBitCast(CompVal, RealTy));
2212         if (CompVal) {
2213           // Form the constant range.
2214           ConstantRange CompRange(
2215               ICmpInst::makeConstantRange(Cond, CompVal->getValue()));
2216
2217           SCEVHandle Ret = AddRec->getNumIterationsInRange(CompRange, *this);
2218           if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Ret)) return Ret;
2219         }
2220       }
2221
2222   switch (Cond) {
2223   case ICmpInst::ICMP_NE: {                     // while (X != Y)
2224     // Convert to: while (X-Y != 0)
2225     SCEVHandle TC = HowFarToZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2226     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2227     break;
2228   }
2229   case ICmpInst::ICMP_EQ: {
2230     // Convert to: while (X-Y == 0)           // while (X == Y)
2231     SCEVHandle TC = HowFarToNonZero(getMinusSCEV(LHS, RHS), L);
2232     if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(TC)) return TC;
2233     break;
2234   }
2235   case ICmpInst::ICMP_SLT: {
2236     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, true);
2237     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2238     break;
2239   }
2240   case ICmpInst::ICMP_SGT: {
2241     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
2242                                              getNotSCEV(RHS), L, true);
2243     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2244     break;
2245   }
2246   case ICmpInst::ICMP_ULT: {
2247     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(LHS, RHS, L, false);
2248     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2249     break;
2250   }
2251   case ICmpInst::ICMP_UGT: {
2252     BackedgeTakenInfo BTI = HowManyLessThans(getNotSCEV(LHS),
2253                                              getNotSCEV(RHS), L, false);
2254     if (BTI.hasAnyInfo()) return BTI;
2255     break;
2256   }
2257   default:
2258 #if 0
2259     errs() << "ComputeBackedgeTakenCount ";
2260     if (ExitCond->getOperand(0)->getType()->isUnsigned())
2261       errs() << "[unsigned] ";
2262     errs() << *LHS << "   "
2263          << Instruction::getOpcodeName(Instruction::ICmp) 
2264          << "   " << *RHS << "\n";
2265 #endif
2266     break;
2267   }
2268   return
2269     ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(L, ExitCond,
2270                                           ExitBr->getSuccessor(0) == ExitBlock);
2271 }
2272
2273 static ConstantInt *
2274 EvaluateConstantChrecAtConstant(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ConstantInt *C,
2275                                 ScalarEvolution &SE) {
2276   SCEVHandle InVal = SE.getConstant(C);
2277   SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(InVal, SE);
2278   assert(isa<SCEVConstant>(Val) &&
2279          "Evaluation of SCEV at constant didn't fold correctly?");
2280   return cast<SCEVConstant>(Val)->getValue();
2281 }
2282
2283 /// GetAddressedElementFromGlobal - Given a global variable with an initializer
2284 /// and a GEP expression (missing the pointer index) indexing into it, return
2285 /// the addressed element of the initializer or null if the index expression is
2286 /// invalid.
2287 static Constant *
2288 GetAddressedElementFromGlobal(GlobalVariable *GV,
2289                               const std::vector<ConstantInt*> &Indices) {
2290   Constant *Init = GV->getInitializer();
2291   for (unsigned i = 0, e = Indices.size(); i != e; ++i) {
2292     uint64_t Idx = Indices[i]->getZExtValue();
2293     if (ConstantStruct *CS = dyn_cast<ConstantStruct>(Init)) {
2294       assert(Idx < CS->getNumOperands() && "Bad struct index!");
2295       Init = cast<Constant>(CS->getOperand(Idx));
2296     } else if (ConstantArray *CA = dyn_cast<ConstantArray>(Init)) {
2297       if (Idx >= CA->getNumOperands()) return 0;  // Bogus program
2298       Init = cast<Constant>(CA->getOperand(Idx));
2299     } else if (isa<ConstantAggregateZero>(Init)) {
2300       if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(Init->getType())) {
2301         assert(Idx < STy->getNumElements() && "Bad struct index!");
2302         Init = Constant::getNullValue(STy->getElementType(Idx));
2303       } else if (const ArrayType *ATy = dyn_cast<ArrayType>(Init->getType())) {
2304         if (Idx >= ATy->getNumElements()) return 0;  // Bogus program
2305         Init = Constant::getNullValue(ATy->getElementType());
2306       } else {
2307         assert(0 && "Unknown constant aggregate type!");
2308       }
2309       return 0;
2310     } else {
2311       return 0; // Unknown initializer type
2312     }
2313   }
2314   return Init;
2315 }
2316
2317 /// ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount - Given an exit condition of
2318 /// 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the backedge
2319 /// execution count.
2320 SCEVHandle ScalarEvolution::
2321 ComputeLoadConstantCompareBackedgeTakenCount(LoadInst *LI, Constant *RHS,
2322                                              const Loop *L,
2323                                              ICmpInst::Predicate predicate) {
2324   if (LI->isVolatile()) return UnknownValue;
2325
2326   // Check to see if the loaded pointer is a getelementptr of a global.
2327   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(LI->getOperand(0));
2328   if (!GEP) return UnknownValue;
2329
2330   // Make sure that it is really a constant global we are gepping, with an
2331   // initializer, and make sure the first IDX is really 0.
2332   GlobalVariable *GV = dyn_cast<GlobalVariable>(GEP->getOperand(0));
2333   if (!GV || !GV->isConstant() || !GV->hasInitializer() ||
2334       GEP->getNumOperands() < 3 || !isa<Constant>(GEP->getOperand(1)) ||
2335       !cast<Constant>(GEP->getOperand(1))->isNullValue())
2336     return UnknownValue;
2337
2338   // Okay, we allow one non-constant index into the GEP instruction.
2339   Value *VarIdx = 0;
2340   std::vector<ConstantInt*> Indexes;
2341   unsigned VarIdxNum = 0;
2342   for (unsigned i = 2, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
2343     if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2344       Indexes.push_back(CI);
2345     } else if (!isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))) {
2346       if (VarIdx) return UnknownValue;  // Multiple non-constant idx's.
2347       VarIdx = GEP->getOperand(i);
2348       VarIdxNum = i-2;
2349       Indexes.push_back(0);
2350     }
2351
2352   // Okay, we know we have a (load (gep GV, 0, X)) comparison with a constant.
2353   // Check to see if X is a loop variant variable value now.
2354   SCEVHandle Idx = getSCEV(VarIdx);
2355   SCEVHandle Tmp = getSCEVAtScope(Idx, L);
2356   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(Tmp)) Idx = Tmp;
2357
2358   // We can only recognize very limited forms of loop index expressions, in
2359   // particular, only affine AddRec's like {C1,+,C2}.
2360   const SCEVAddRecExpr *IdxExpr = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Idx);
2361   if (!IdxExpr || !IdxExpr->isAffine() || IdxExpr->isLoopInvariant(L) ||
2362       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(0)) ||
2363       !isa<SCEVConstant>(IdxExpr->getOperand(1)))
2364     return UnknownValue;
2365
2366   unsigned MaxSteps = MaxBruteForceIterations;
2367   for (unsigned IterationNum = 0; IterationNum != MaxSteps; ++IterationNum) {
2368     ConstantInt *ItCst =
2369       ConstantInt::get(IdxExpr->getType(), IterationNum);
2370     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(IdxExpr, ItCst, *this);
2371
2372     // Form the GEP offset.
2373     Indexes[VarIdxNum] = Val;
2374
2375     Constant *Result = GetAddressedElementFromGlobal(GV, Indexes);
2376     if (Result == 0) break;  // Cannot compute!
2377
2378     // Evaluate the condition for this iteration.
2379     Result = ConstantExpr::getICmp(predicate, Result, RHS);
2380     if (!isa<ConstantInt>(Result)) break;  // Couldn't decide for sure
2381     if (cast<ConstantInt>(Result)->getValue().isMinValue()) {
2382 #if 0
2383       errs() << "\n***\n*** Computed loop count " << *ItCst
2384              << "\n*** From global " << *GV << "*** BB: " << *L->getHeader()
2385              << "***\n";
2386 #endif
2387       ++NumArrayLenItCounts;
2388       return getConstant(ItCst);   // Found terminating iteration!
2389     }
2390   }
2391   return UnknownValue;
2392 }
2393
2394
2395 /// CanConstantFold - Return true if we can constant fold an instruction of the
2396 /// specified type, assuming that all operands were constants.
2397 static bool CanConstantFold(const Instruction *I) {
2398   if (isa<BinaryOperator>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2399       isa<SelectInst>(I) || isa<CastInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I))
2400     return true;
2401
2402   if (const CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I))
2403     if (const Function *F = CI->getCalledFunction())
2404       return canConstantFoldCallTo(F);
2405   return false;
2406 }
2407
2408 /// getConstantEvolvingPHI - Given an LLVM value and a loop, return a PHI node
2409 /// in the loop that V is derived from.  We allow arbitrary operations along the
2410 /// way, but the operands of an operation must either be constants or a value
2411 /// derived from a constant PHI.  If this expression does not fit with these
2412 /// constraints, return null.
2413 static PHINode *getConstantEvolvingPHI(Value *V, const Loop *L) {
2414   // If this is not an instruction, or if this is an instruction outside of the
2415   // loop, it can't be derived from a loop PHI.
2416   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
2417   if (I == 0 || !L->contains(I->getParent())) return 0;
2418
2419   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I)) {
2420     if (L->getHeader() == I->getParent())
2421       return PN;
2422     else
2423       // We don't currently keep track of the control flow needed to evaluate
2424       // PHIs, so we cannot handle PHIs inside of loops.
2425       return 0;
2426   }
2427
2428   // If we won't be able to constant fold this expression even if the operands
2429   // are constants, return early.
2430   if (!CanConstantFold(I)) return 0;
2431
2432   // Otherwise, we can evaluate this instruction if all of its operands are
2433   // constant or derived from a PHI node themselves.
2434   PHINode *PHI = 0;
2435   for (unsigned Op = 0, e = I->getNumOperands(); Op != e; ++Op)
2436     if (!(isa<Constant>(I->getOperand(Op)) ||
2437           isa<GlobalValue>(I->getOperand(Op)))) {
2438       PHINode *P = getConstantEvolvingPHI(I->getOperand(Op), L);
2439       if (P == 0) return 0;  // Not evolving from PHI
2440       if (PHI == 0)
2441         PHI = P;
2442       else if (PHI != P)
2443         return 0;  // Evolving from multiple different PHIs.
2444     }
2445
2446   // This is a expression evolving from a constant PHI!
2447   return PHI;
2448 }
2449
2450 /// EvaluateExpression - Given an expression that passes the
2451 /// getConstantEvolvingPHI predicate, evaluate its value assuming the PHI node
2452 /// in the loop has the value PHIVal.  If we can't fold this expression for some
2453 /// reason, return null.
2454 static Constant *EvaluateExpression(Value *V, Constant *PHIVal) {
2455   if (isa<PHINode>(V)) return PHIVal;
2456   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) return C;
2457   if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(V)) return GV;
2458   Instruction *I = cast<Instruction>(V);
2459
2460   std::vector<Constant*> Operands;
2461   Operands.resize(I->getNumOperands());
2462
2463   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2464     Operands[i] = EvaluateExpression(I->getOperand(i), PHIVal);
2465     if (Operands[i] == 0) return 0;
2466   }
2467
2468   if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2469     return ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2470                                            &Operands[0], Operands.size());
2471   else
2472     return ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2473                                     &Operands[0], Operands.size());
2474 }
2475
2476 /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
2477 /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
2478 /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
2479 /// involving constants, fold it.
2480 Constant *ScalarEvolution::
2481 getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs, const Loop *L){
2482   std::map<PHINode*, Constant*>::iterator I =
2483     ConstantEvolutionLoopExitValue.find(PN);
2484   if (I != ConstantEvolutionLoopExitValue.end())
2485     return I->second;
2486
2487   if (BEs.ugt(APInt(BEs.getBitWidth(),MaxBruteForceIterations)))
2488     return ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = 0;  // Not going to evaluate it.
2489
2490   Constant *&RetVal = ConstantEvolutionLoopExitValue[PN];
2491
2492   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2493   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2494   // second must be derived from the same PHI.
2495   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2496   Constant *StartCST =
2497     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2498   if (StartCST == 0)
2499     return RetVal = 0;  // Must be a constant.
2500
2501   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2502   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2503   if (PN2 != PN)
2504     return RetVal = 0;  // Not derived from same PHI.
2505
2506   // Execute the loop symbolically to determine the exit value.
2507   if (BEs.getActiveBits() >= 32)
2508     return RetVal = 0; // More than 2^32-1 iterations?? Not doing it!
2509
2510   unsigned NumIterations = BEs.getZExtValue(); // must be in range
2511   unsigned IterationNum = 0;
2512   for (Constant *PHIVal = StartCST; ; ++IterationNum) {
2513     if (IterationNum == NumIterations)
2514       return RetVal = PHIVal;  // Got exit value!
2515
2516     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2517     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2518     if (NextPHI == PHIVal)
2519       return RetVal = NextPHI;  // Stopped evolving!
2520     if (NextPHI == 0)
2521       return 0;        // Couldn't evaluate!
2522     PHIVal = NextPHI;
2523   }
2524 }
2525
2526 /// ComputeBackedgeTakenCountExhaustively - If the trip is known to execute a
2527 /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
2528 /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
2529 /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
2530 /// evaluate the trip count of the loop, return UnknownValue.
2531 SCEVHandle ScalarEvolution::
2532 ComputeBackedgeTakenCountExhaustively(const Loop *L, Value *Cond, bool ExitWhen) {
2533   PHINode *PN = getConstantEvolvingPHI(Cond, L);
2534   if (PN == 0) return UnknownValue;
2535
2536   // Since the loop is canonicalized, the PHI node must have two entries.  One
2537   // entry must be a constant (coming in from outside of the loop), and the
2538   // second must be derived from the same PHI.
2539   bool SecondIsBackedge = L->contains(PN->getIncomingBlock(1));
2540   Constant *StartCST =
2541     dyn_cast<Constant>(PN->getIncomingValue(!SecondIsBackedge));
2542   if (StartCST == 0) return UnknownValue;  // Must be a constant.
2543
2544   Value *BEValue = PN->getIncomingValue(SecondIsBackedge);
2545   PHINode *PN2 = getConstantEvolvingPHI(BEValue, L);
2546   if (PN2 != PN) return UnknownValue;  // Not derived from same PHI.
2547
2548   // Okay, we find a PHI node that defines the trip count of this loop.  Execute
2549   // the loop symbolically to determine when the condition gets a value of
2550   // "ExitWhen".
2551   unsigned IterationNum = 0;
2552   unsigned MaxIterations = MaxBruteForceIterations;   // Limit analysis.
2553   for (Constant *PHIVal = StartCST;
2554        IterationNum != MaxIterations; ++IterationNum) {
2555     ConstantInt *CondVal =
2556       dyn_cast_or_null<ConstantInt>(EvaluateExpression(Cond, PHIVal));
2557
2558     // Couldn't symbolically evaluate.
2559     if (!CondVal) return UnknownValue;
2560
2561     if (CondVal->getValue() == uint64_t(ExitWhen)) {
2562       ConstantEvolutionLoopExitValue[PN] = PHIVal;
2563       ++NumBruteForceTripCountsComputed;
2564       return getConstant(ConstantInt::get(Type::Int32Ty, IterationNum));
2565     }
2566
2567     // Compute the value of the PHI node for the next iteration.
2568     Constant *NextPHI = EvaluateExpression(BEValue, PHIVal);
2569     if (NextPHI == 0 || NextPHI == PHIVal)
2570       return UnknownValue;  // Couldn't evaluate or not making progress...
2571     PHIVal = NextPHI;
2572   }
2573
2574   // Too many iterations were needed to evaluate.
2575   return UnknownValue;
2576 }
2577
2578 /// getSCEVAtScope - Compute the value of the specified expression within the
2579 /// indicated loop (which may be null to indicate in no loop).  If the
2580 /// expression cannot be evaluated, return UnknownValue.
2581 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(const SCEV *V, const Loop *L) {
2582   // FIXME: this should be turned into a virtual method on SCEV!
2583
2584   if (isa<SCEVConstant>(V)) return V;
2585
2586   // If this instruction is evolved from a constant-evolving PHI, compute the
2587   // exit value from the loop without using SCEVs.
2588   if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V)) {
2589     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(SU->getValue())) {
2590       const Loop *LI = (*this->LI)[I->getParent()];
2591       if (LI && LI->getParentLoop() == L)  // Looking for loop exit value.
2592         if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I))
2593           if (PN->getParent() == LI->getHeader()) {
2594             // Okay, there is no closed form solution for the PHI node.  Check
2595             // to see if the loop that contains it has a known backedge-taken
2596             // count.  If so, we may be able to force computation of the exit
2597             // value.
2598             SCEVHandle BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(LI);
2599             if (const SCEVConstant *BTCC =
2600                   dyn_cast<SCEVConstant>(BackedgeTakenCount)) {
2601               // Okay, we know how many times the containing loop executes.  If
2602               // this is a constant evolving PHI node, get the final value at
2603               // the specified iteration number.
2604               Constant *RV = getConstantEvolutionLoopExitValue(PN,
2605                                                    BTCC->getValue()->getValue(),
2606                                                                LI);
2607               if (RV) return getUnknown(RV);
2608             }
2609           }
2610
2611       // Okay, this is an expression that we cannot symbolically evaluate
2612       // into a SCEV.  Check to see if it's possible to symbolically evaluate
2613       // the arguments into constants, and if so, try to constant propagate the
2614       // result.  This is particularly useful for computing loop exit values.
2615       if (CanConstantFold(I)) {
2616         std::vector<Constant*> Operands;
2617         Operands.reserve(I->getNumOperands());
2618         for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2619           Value *Op = I->getOperand(i);
2620           if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Op)) {
2621             Operands.push_back(C);
2622           } else {
2623             // If any of the operands is non-constant and if they are
2624             // non-integer and non-pointer, don't even try to analyze them
2625             // with scev techniques.
2626             if (!isSCEVable(Op->getType()))
2627               return V;
2628
2629             SCEVHandle OpV = getSCEVAtScope(getSCEV(Op), L);
2630             if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(OpV)) {
2631               Constant *C = SC->getValue();
2632               if (C->getType() != Op->getType())
2633                 C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2634                                                                   Op->getType(),
2635                                                                   false),
2636                                           C, Op->getType());
2637               Operands.push_back(C);
2638             } else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(OpV)) {
2639               if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(SU->getValue())) {
2640                 if (C->getType() != Op->getType())
2641                   C =
2642                     ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2643                                                                   Op->getType(),
2644                                                                   false),
2645                                           C, Op->getType());
2646                 Operands.push_back(C);
2647               } else
2648                 return V;
2649             } else {
2650               return V;
2651             }
2652           }
2653         }
2654         
2655         Constant *C;
2656         if (const CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2657           C = ConstantFoldCompareInstOperands(CI->getPredicate(),
2658                                               &Operands[0], Operands.size());
2659         else
2660           C = ConstantFoldInstOperands(I->getOpcode(), I->getType(),
2661                                        &Operands[0], Operands.size());
2662         return getUnknown(C);
2663       }
2664     }
2665
2666     // This is some other type of SCEVUnknown, just return it.
2667     return V;
2668   }
2669
2670   if (const SCEVCommutativeExpr *Comm = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(V)) {
2671     // Avoid performing the look-up in the common case where the specified
2672     // expression has no loop-variant portions.
2673     for (unsigned i = 0, e = Comm->getNumOperands(); i != e; ++i) {
2674       SCEVHandle OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2675       if (OpAtScope != Comm->getOperand(i)) {
2676         if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2677         // Okay, at least one of these operands is loop variant but might be
2678         // foldable.  Build a new instance of the folded commutative expression.
2679         std::vector<SCEVHandle> NewOps(Comm->op_begin(), Comm->op_begin()+i);
2680         NewOps.push_back(OpAtScope);
2681
2682         for (++i; i != e; ++i) {
2683           OpAtScope = getSCEVAtScope(Comm->getOperand(i), L);
2684           if (OpAtScope == UnknownValue) return UnknownValue;
2685           NewOps.push_back(OpAtScope);
2686         }
2687         if (isa<SCEVAddExpr>(Comm))
2688           return getAddExpr(NewOps);
2689         if (isa<SCEVMulExpr>(Comm))
2690           return getMulExpr(NewOps);
2691         if (isa<SCEVSMaxExpr>(Comm))
2692           return getSMaxExpr(NewOps);
2693         if (isa<SCEVUMaxExpr>(Comm))
2694           return getUMaxExpr(NewOps);
2695         assert(0 && "Unknown commutative SCEV type!");
2696       }
2697     }
2698     // If we got here, all operands are loop invariant.
2699     return Comm;
2700   }
2701
2702   if (const SCEVUDivExpr *Div = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(V)) {
2703     SCEVHandle LHS = getSCEVAtScope(Div->getLHS(), L);
2704     if (LHS == UnknownValue) return LHS;
2705     SCEVHandle RHS = getSCEVAtScope(Div->getRHS(), L);
2706     if (RHS == UnknownValue) return RHS;
2707     if (LHS == Div->getLHS() && RHS == Div->getRHS())
2708       return Div;   // must be loop invariant
2709     return getUDivExpr(LHS, RHS);
2710   }
2711
2712   // If this is a loop recurrence for a loop that does not contain L, then we
2713   // are dealing with the final value computed by the loop.
2714   if (const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V)) {
2715     if (!L || !AddRec->getLoop()->contains(L->getHeader())) {
2716       // To evaluate this recurrence, we need to know how many times the AddRec
2717       // loop iterates.  Compute this now.
2718       SCEVHandle BackedgeTakenCount = getBackedgeTakenCount(AddRec->getLoop());
2719       if (BackedgeTakenCount == UnknownValue) return UnknownValue;
2720
2721       // Then, evaluate the AddRec.
2722       return AddRec->evaluateAtIteration(BackedgeTakenCount, *this);
2723     }
2724     return UnknownValue;
2725   }
2726
2727   if (const SCEVZeroExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVZeroExtendExpr>(V)) {
2728     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2729     if (Op == UnknownValue) return Op;
2730     if (Op == Cast->getOperand())
2731       return Cast;  // must be loop invariant
2732     return getZeroExtendExpr(Op, Cast->getType());
2733   }
2734
2735   if (const SCEVSignExtendExpr *Cast = dyn_cast<SCEVSignExtendExpr>(V)) {
2736     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2737     if (Op == UnknownValue) return Op;
2738     if (Op == Cast->getOperand())
2739       return Cast;  // must be loop invariant
2740     return getSignExtendExpr(Op, Cast->getType());
2741   }
2742
2743   if (const SCEVTruncateExpr *Cast = dyn_cast<SCEVTruncateExpr>(V)) {
2744     SCEVHandle Op = getSCEVAtScope(Cast->getOperand(), L);
2745     if (Op == UnknownValue) return Op;
2746     if (Op == Cast->getOperand())
2747       return Cast;  // must be loop invariant
2748     return getTruncateExpr(Op, Cast->getType());
2749   }
2750
2751   assert(0 && "Unknown SCEV type!");
2752 }
2753
2754 /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression handle for the specified value
2755 /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
2756 /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
2757 /// specified loop is immediately inside of the loop.
2758 ///
2759 /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
2760 /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
2761 ///
2762 /// If this value is not computable at this scope, a SCEVCouldNotCompute
2763 /// object is returned.
2764 SCEVHandle ScalarEvolution::getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L) {
2765   return getSCEVAtScope(getSCEV(V), L);
2766 }
2767
2768 /// SolveLinEquationWithOverflow - Finds the minimum unsigned root of the
2769 /// following equation:
2770 ///
2771 ///     A * X = B (mod N)
2772 ///
2773 /// where N = 2^BW and BW is the common bit width of A and B. The signedness of
2774 /// A and B isn't important.
2775 ///
2776 /// If the equation does not have a solution, SCEVCouldNotCompute is returned.
2777 static SCEVHandle SolveLinEquationWithOverflow(const APInt &A, const APInt &B,
2778                                                ScalarEvolution &SE) {
2779   uint32_t BW = A.getBitWidth();
2780   assert(BW == B.getBitWidth() && "Bit widths must be the same.");
2781   assert(A != 0 && "A must be non-zero.");
2782
2783   // 1. D = gcd(A, N)
2784   //
2785   // The gcd of A and N may have only one prime factor: 2. The number of
2786   // trailing zeros in A is its multiplicity
2787   uint32_t Mult2 = A.countTrailingZeros();
2788   // D = 2^Mult2
2789
2790   // 2. Check if B is divisible by D.
2791   //
2792   // B is divisible by D if and only if the multiplicity of prime factor 2 for B
2793   // is not less than multiplicity of this prime factor for D.
2794   if (B.countTrailingZeros() < Mult2)
2795     return SE.getCouldNotCompute();
2796
2797   // 3. Compute I: the multiplicative inverse of (A / D) in arithmetic
2798   // modulo (N / D).
2799   //
2800   // (N / D) may need BW+1 bits in its representation.  Hence, we'll use this
2801   // bit width during computations.
2802   APInt AD = A.lshr(Mult2).zext(BW + 1);  // AD = A / D
2803   APInt Mod(BW + 1, 0);
2804   Mod.set(BW - Mult2);  // Mod = N / D
2805   APInt I = AD.multiplicativeInverse(Mod);
2806
2807   // 4. Compute the minimum unsigned root of the equation:
2808   // I * (B / D) mod (N / D)
2809   APInt Result = (I * B.lshr(Mult2).zext(BW + 1)).urem(Mod);
2810
2811   // The result is guaranteed to be less than 2^BW so we may truncate it to BW
2812   // bits.
2813   return SE.getConstant(Result.trunc(BW));
2814 }
2815
2816 /// SolveQuadraticEquation - Find the roots of the quadratic equation for the
2817 /// given quadratic chrec {L,+,M,+,N}.  This returns either the two roots (which
2818 /// might be the same) or two SCEVCouldNotCompute objects.
2819 ///
2820 static std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle>
2821 SolveQuadraticEquation(const SCEVAddRecExpr *AddRec, ScalarEvolution &SE) {
2822   assert(AddRec->getNumOperands() == 3 && "This is not a quadratic chrec!");
2823   const SCEVConstant *LC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(0));
2824   const SCEVConstant *MC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1));
2825   const SCEVConstant *NC = dyn_cast<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(2));
2826
2827   // We currently can only solve this if the coefficients are constants.
2828   if (!LC || !MC || !NC) {
2829     const SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
2830     return std::make_pair(CNC, CNC);
2831   }
2832
2833   uint32_t BitWidth = LC->getValue()->getValue().getBitWidth();
2834   const APInt &L = LC->getValue()->getValue();
2835   const APInt &M = MC->getValue()->getValue();
2836   const APInt &N = NC->getValue()->getValue();
2837   APInt Two(BitWidth, 2);
2838   APInt Four(BitWidth, 4);
2839
2840   { 
2841     using namespace APIntOps;
2842     const APInt& C = L;
2843     // Convert from chrec coefficients to polynomial coefficients AX^2+BX+C
2844     // The B coefficient is M-N/2
2845     APInt B(M);
2846     B -= sdiv(N,Two);
2847
2848     // The A coefficient is N/2
2849     APInt A(N.sdiv(Two));
2850
2851     // Compute the B^2-4ac term.
2852     APInt SqrtTerm(B);
2853     SqrtTerm *= B;
2854     SqrtTerm -= Four * (A * C);
2855
2856     // Compute sqrt(B^2-4ac). This is guaranteed to be the nearest
2857     // integer value or else APInt::sqrt() will assert.
2858     APInt SqrtVal(SqrtTerm.sqrt());
2859
2860     // Compute the two solutions for the quadratic formula. 
2861     // The divisions must be performed as signed divisions.
2862     APInt NegB(-B);
2863     APInt TwoA( A << 1 );
2864     if (TwoA.isMinValue()) {
2865       const SCEV *CNC = SE.getCouldNotCompute();
2866       return std::make_pair(CNC, CNC);
2867     }
2868
2869     ConstantInt *Solution1 = ConstantInt::get((NegB + SqrtVal).sdiv(TwoA));
2870     ConstantInt *Solution2 = ConstantInt::get((NegB - SqrtVal).sdiv(TwoA));
2871
2872     return std::make_pair(SE.getConstant(Solution1), 
2873                           SE.getConstant(Solution2));
2874     } // end APIntOps namespace
2875 }
2876
2877 /// HowFarToZero - Return the number of times a backedge comparing the specified
2878 /// value to zero will execute.  If not computable, return UnknownValue
2879 SCEVHandle ScalarEvolution::HowFarToZero(const SCEV *V, const Loop *L) {
2880   // If the value is a constant
2881   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2882     // If the value is already zero, the branch will execute zero times.
2883     if (C->getValue()->isZero()) return C;
2884     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2885   }
2886
2887   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
2888   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
2889     return UnknownValue;
2890
2891   if (AddRec->isAffine()) {
2892     // If this is an affine expression, the execution count of this branch is
2893     // the minimum unsigned root of the following equation:
2894     //
2895     //     Start + Step*N = 0 (mod 2^BW)
2896     //
2897     // equivalent to:
2898     //
2899     //             Step*N = -Start (mod 2^BW)
2900     //
2901     // where BW is the common bit width of Start and Step.
2902
2903     // Get the initial value for the loop.
2904     SCEVHandle Start = getSCEVAtScope(AddRec->getStart(), L->getParentLoop());
2905     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(Start)) return UnknownValue;
2906
2907     SCEVHandle Step = getSCEVAtScope(AddRec->getOperand(1), L->getParentLoop());
2908
2909     if (const SCEVConstant *StepC = dyn_cast<SCEVConstant>(Step)) {
2910       // For now we handle only constant steps.
2911
2912       // First, handle unitary steps.
2913       if (StepC->getValue()->equalsInt(1))      // 1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2914         return getNegativeSCEV(Start);       //   N = -Start (as unsigned)
2915       if (StepC->getValue()->isAllOnesValue())  // -1*N = -Start (mod 2^BW), so:
2916         return Start;                           //    N = Start (as unsigned)
2917
2918       // Then, try to solve the above equation provided that Start is constant.
2919       if (const SCEVConstant *StartC = dyn_cast<SCEVConstant>(Start))
2920         return SolveLinEquationWithOverflow(StepC->getValue()->getValue(),
2921                                             -StartC->getValue()->getValue(),
2922                                             *this);
2923     }
2924   } else if (AddRec->isQuadratic() && AddRec->getType()->isInteger()) {
2925     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of
2926     // the quadratic equation to solve it.
2927     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots = SolveQuadraticEquation(AddRec,
2928                                                                     *this);
2929     const SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
2930     const SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
2931     if (R1) {
2932 #if 0
2933       errs() << "HFTZ: " << *V << " - sol#1: " << *R1
2934              << "  sol#2: " << *R2 << "\n";
2935 #endif
2936       // Pick the smallest positive root value.
2937       if (ConstantInt *CB =
2938           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
2939                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
2940         if (CB->getZExtValue() == false)
2941           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
2942
2943         // We can only use this value if the chrec ends up with an exact zero
2944         // value at this index.  When solving for "X*X != 5", for example, we
2945         // should not accept a root of 2.
2946         SCEVHandle Val = AddRec->evaluateAtIteration(R1, *this);
2947         if (Val->isZero())
2948           return R1;  // We found a quadratic root!
2949       }
2950     }
2951   }
2952
2953   return UnknownValue;
2954 }
2955
2956 /// HowFarToNonZero - Return the number of times a backedge checking the
2957 /// specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
2958 /// UnknownValue
2959 SCEVHandle ScalarEvolution::HowFarToNonZero(const SCEV *V, const Loop *L) {
2960   // Loops that look like: while (X == 0) are very strange indeed.  We don't
2961   // handle them yet except for the trivial case.  This could be expanded in the
2962   // future as needed.
2963
2964   // If the value is a constant, check to see if it is known to be non-zero
2965   // already.  If so, the backedge will execute zero times.
2966   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
2967     if (!C->getValue()->isNullValue())
2968       return getIntegerSCEV(0, C->getType());
2969     return UnknownValue;  // Otherwise it will loop infinitely.
2970   }
2971
2972   // We could implement others, but I really doubt anyone writes loops like
2973   // this, and if they did, they would already be constant folded.
2974   return UnknownValue;
2975 }
2976
2977 /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
2978 /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
2979 /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
2980 /// found.
2981 ///
2982 BasicBlock *
2983 ScalarEvolution::getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB) {
2984   // If the block has a unique predecessor, then there is no path from the
2985   // predecessor to the block that does not go through the direct edge
2986   // from the predecessor to the block.
2987   if (BasicBlock *Pred = BB->getSinglePredecessor())
2988     return Pred;
2989
2990   // A loop's header is defined to be a block that dominates the loop.
2991   // If the loop has a preheader, it must be a block that has exactly
2992   // one successor that can reach BB. This is slightly more strict
2993   // than necessary, but works if critical edges are split.
2994   if (Loop *L = LI->getLoopFor(BB))
2995     return L->getLoopPreheader();
2996
2997   return 0;
2998 }
2999
3000 /// isLoopGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected by
3001 /// a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
3002 /// expressions in loop trip counts.
3003 bool ScalarEvolution::isLoopGuardedByCond(const Loop *L,
3004                                           ICmpInst::Predicate Pred,
3005                                           const SCEV *LHS, const SCEV *RHS) {
3006   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
3007   BasicBlock *PreheaderDest = L->getHeader();
3008
3009   // Starting at the preheader, climb up the predecessor chain, as long as
3010   // there are predecessors that can be found that have unique successors
3011   // leading to the original header.
3012   for (; Preheader;
3013        PreheaderDest = Preheader,
3014        Preheader = getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(Preheader)) {
3015
3016     BranchInst *LoopEntryPredicate =
3017       dyn_cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
3018     if (!LoopEntryPredicate ||
3019         LoopEntryPredicate->isUnconditional())
3020       continue;
3021
3022     ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LoopEntryPredicate->getCondition());
3023     if (!ICI) continue;
3024
3025     // Now that we found a conditional branch that dominates the loop, check to
3026     // see if it is the comparison we are looking for.
3027     Value *PreCondLHS = ICI->getOperand(0);
3028     Value *PreCondRHS = ICI->getOperand(1);
3029     ICmpInst::Predicate Cond;
3030     if (LoopEntryPredicate->getSuccessor(0) == PreheaderDest)
3031       Cond = ICI->getPredicate();
3032     else
3033       Cond = ICI->getInversePredicate();
3034
3035     if (Cond == Pred)
3036       ; // An exact match.
3037     else if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Cond) && Pred == ICmpInst::ICMP_NE)
3038       ; // The actual condition is beyond sufficient.
3039     else
3040       // Check a few special cases.
3041       switch (Cond) {
3042       case ICmpInst::ICMP_UGT:
3043         if (Pred == ICmpInst::ICMP_ULT) {
3044           std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3045           Cond = ICmpInst::ICMP_ULT;
3046           break;
3047         }
3048         continue;
3049       case ICmpInst::ICMP_SGT:
3050         if (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT) {
3051           std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3052           Cond = ICmpInst::ICMP_SLT;
3053           break;
3054         }
3055         continue;
3056       case ICmpInst::ICMP_NE:
3057         // Expressions like (x >u 0) are often canonicalized to (x != 0),
3058         // so check for this case by checking if the NE is comparing against
3059         // a minimum or maximum constant.
3060         if (!ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred))
3061           if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(PreCondRHS)) {
3062             const APInt &A = CI->getValue();
3063             switch (Pred) {
3064             case ICmpInst::ICMP_SLT:
3065               if (A.isMaxSignedValue()) break;
3066               continue;
3067             case ICmpInst::ICMP_SGT:
3068               if (A.isMinSignedValue()) break;
3069               continue;
3070             case ICmpInst::ICMP_ULT:
3071               if (A.isMaxValue()) break;
3072               continue;
3073             case ICmpInst::ICMP_UGT:
3074               if (A.isMinValue()) break;
3075               continue;
3076             default:
3077               continue;
3078             }
3079             Cond = ICmpInst::ICMP_NE;
3080             // NE is symmetric but the original comparison may not be. Swap
3081             // the operands if necessary so that they match below.
3082             if (isa<SCEVConstant>(LHS))
3083               std::swap(PreCondLHS, PreCondRHS);
3084             break;
3085           }
3086         continue;
3087       default:
3088         // We weren't able to reconcile the condition.
3089         continue;
3090       }
3091
3092     if (!PreCondLHS->getType()->isInteger()) continue;
3093
3094     SCEVHandle PreCondLHSSCEV = getSCEV(PreCondLHS);
3095     SCEVHandle PreCondRHSSCEV = getSCEV(PreCondRHS);
3096     if ((LHS == PreCondLHSSCEV && RHS == PreCondRHSSCEV) ||
3097         (LHS == getNotSCEV(PreCondRHSSCEV) &&
3098          RHS == getNotSCEV(PreCondLHSSCEV)))
3099       return true;
3100   }
3101
3102   return false;
3103 }
3104
3105 /// HowManyLessThans - Return the number of times a backedge containing the
3106 /// specified less-than comparison will execute.  If not computable, return
3107 /// UnknownValue.
3108 ScalarEvolution::BackedgeTakenInfo ScalarEvolution::
3109 HowManyLessThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
3110                  const Loop *L, bool isSigned) {
3111   // Only handle:  "ADDREC < LoopInvariant".
3112   if (!RHS->isLoopInvariant(L)) return UnknownValue;
3113
3114   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS);
3115   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
3116     return UnknownValue;
3117
3118   if (AddRec->isAffine()) {
3119     // FORNOW: We only support unit strides.
3120     unsigned BitWidth = getTypeSizeInBits(AddRec->getType());
3121     SCEVHandle Step = AddRec->getStepRecurrence(*this);
3122     SCEVHandle NegOne = getIntegerSCEV(-1, AddRec->getType());
3123
3124     // TODO: handle non-constant strides.
3125     const SCEVConstant *CStep = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
3126     if (!CStep || CStep->isZero())
3127       return UnknownValue;
3128     if (CStep->getValue()->getValue() == 1) {
3129       // With unit stride, the iteration never steps past the limit value.
3130     } else if (CStep->getValue()->getValue().isStrictlyPositive()) {
3131       if (const SCEVConstant *CLimit = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS)) {
3132         // Test whether a positive iteration iteration can step past the limit
3133         // value and past the maximum value for its type in a single step.
3134         if (isSigned) {
3135           APInt Max = APInt::getSignedMaxValue(BitWidth);
3136           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
3137                 .slt(CLimit->getValue()->getValue()))
3138             return UnknownValue;
3139         } else {
3140           APInt Max = APInt::getMaxValue(BitWidth);
3141           if ((Max - CStep->getValue()->getValue())
3142                 .ult(CLimit->getValue()->getValue()))
3143             return UnknownValue;
3144         }
3145       } else
3146         // TODO: handle non-constant limit values below.
3147         return UnknownValue;
3148     } else
3149       // TODO: handle negative strides below.
3150       return UnknownValue;
3151
3152     // We know the LHS is of the form {n,+,s} and the RHS is some loop-invariant
3153     // m.  So, we count the number of iterations in which {n,+,s} < m is true.
3154     // Note that we cannot simply return max(m-n,0)/s because it's not safe to
3155     // treat m-n as signed nor unsigned due to overflow possibility.
3156
3157     // First, we get the value of the LHS in the first iteration: n
3158     SCEVHandle Start = AddRec->getOperand(0);
3159
3160     // Determine the minimum constant start value.
3161     SCEVHandle MinStart = isa<SCEVConstant>(Start) ? Start :
3162       getConstant(isSigned ? APInt::getSignedMinValue(BitWidth) :
3163                              APInt::getMinValue(BitWidth));
3164
3165     // If we know that the condition is true in order to enter the loop,
3166     // then we know that it will run exactly (m-n)/s times. Otherwise, we
3167     // only know if will execute (max(m,n)-n)/s times. In both cases, the
3168     // division must round up.
3169     SCEVHandle End = RHS;
3170     if (!isLoopGuardedByCond(L,
3171                              isSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
3172                              getMinusSCEV(Start, Step), RHS))
3173       End = isSigned ? getSMaxExpr(RHS, Start)
3174                      : getUMaxExpr(RHS, Start);
3175
3176     // Determine the maximum constant end value.
3177     SCEVHandle MaxEnd = isa<SCEVConstant>(End) ? End :
3178       getConstant(isSigned ? APInt::getSignedMaxValue(BitWidth) :
3179                              APInt::getMaxValue(BitWidth));
3180
3181     // Finally, we subtract these two values and divide, rounding up, to get
3182     // the number of times the backedge is executed.
3183     SCEVHandle BECount = getUDivExpr(getAddExpr(getMinusSCEV(End, Start),
3184                                                 getAddExpr(Step, NegOne)),
3185                                      Step);
3186
3187     // The maximum backedge count is similar, except using the minimum start
3188     // value and the maximum end value.
3189     SCEVHandle MaxBECount = getUDivExpr(getAddExpr(getMinusSCEV(MaxEnd,
3190                                                                 MinStart),
3191                                                    getAddExpr(Step, NegOne)),
3192                                         Step);
3193
3194     return BackedgeTakenInfo(BECount, MaxBECount);
3195   }
3196
3197   return UnknownValue;
3198 }
3199
3200 /// getNumIterationsInRange - Return the number of iterations of this loop that
3201 /// produce values in the specified constant range.  Another way of looking at
3202 /// this is that it returns the first iteration number where the value is not in
3203 /// the condition, thus computing the exit count. If the iteration count can't
3204 /// be computed, an instance of SCEVCouldNotCompute is returned.
3205 SCEVHandle SCEVAddRecExpr::getNumIterationsInRange(ConstantRange Range,
3206                                                    ScalarEvolution &SE) const {
3207   if (Range.isFullSet())  // Infinite loop.
3208     return SE.getCouldNotCompute();
3209
3210   // If the start is a non-zero constant, shift the range to simplify things.
3211   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(getStart()))
3212     if (!SC->getValue()->isZero()) {
3213       std::vector<SCEVHandle> Operands(op_begin(), op_end());
3214       Operands[0] = SE.getIntegerSCEV(0, SC->getType());
3215       SCEVHandle Shifted = SE.getAddRecExpr(Operands, getLoop());
3216       if (const SCEVAddRecExpr *ShiftedAddRec =
3217             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Shifted))
3218         return ShiftedAddRec->getNumIterationsInRange(
3219                            Range.subtract(SC->getValue()->getValue()), SE);
3220       // This is strange and shouldn't happen.
3221       return SE.getCouldNotCompute();
3222     }
3223
3224   // The only time we can solve this is when we have all constant indices.
3225   // Otherwise, we cannot determine the overflow conditions.
3226   for (unsigned i = 0, e = getNumOperands(); i != e; ++i)
3227     if (!isa<SCEVConstant>(getOperand(i)))
3228       return SE.getCouldNotCompute();
3229
3230
3231   // Okay at this point we know that all elements of the chrec are constants and
3232   // that the start element is zero.
3233
3234   // First check to see if the range contains zero.  If not, the first
3235   // iteration exits.
3236   unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(getType());
3237   if (!Range.contains(APInt(BitWidth, 0)))
3238     return SE.getConstant(ConstantInt::get(getType(),0));
3239
3240   if (isAffine()) {
3241     // If this is an affine expression then we have this situation:
3242     //   Solve {0,+,A} in Range  ===  Ax in Range
3243
3244     // We know that zero is in the range.  If A is positive then we know that
3245     // the upper value of the range must be the first possible exit value.
3246     // If A is negative then the lower of the range is the last possible loop
3247     // value.  Also note that we already checked for a full range.
3248     APInt One(BitWidth,1);
3249     APInt A     = cast<SCEVConstant>(getOperand(1))->getValue()->getValue();
3250     APInt End = A.sge(One) ? (Range.getUpper() - One) : Range.getLower();
3251
3252     // The exit value should be (End+A)/A.
3253     APInt ExitVal = (End + A).udiv(A);
3254     ConstantInt *ExitValue = ConstantInt::get(ExitVal);
3255
3256     // Evaluate at the exit value.  If we really did fall out of the valid
3257     // range, then we computed our trip count, otherwise wrap around or other
3258     // things must have happened.
3259     ConstantInt *Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, ExitValue, SE);
3260     if (Range.contains(Val->getValue()))
3261       return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3262
3263     // Ensure that the previous value is in the range.  This is a sanity check.
3264     assert(Range.contains(
3265            EvaluateConstantChrecAtConstant(this, 
3266            ConstantInt::get(ExitVal - One), SE)->getValue()) &&
3267            "Linear scev computation is off in a bad way!");
3268     return SE.getConstant(ExitValue);
3269   } else if (isQuadratic()) {
3270     // If this is a quadratic (3-term) AddRec {L,+,M,+,N}, find the roots of the
3271     // quadratic equation to solve it.  To do this, we must frame our problem in
3272     // terms of figuring out when zero is crossed, instead of when
3273     // Range.getUpper() is crossed.
3274     std::vector<SCEVHandle> NewOps(op_begin(), op_end());
3275     NewOps[0] = SE.getNegativeSCEV(SE.getConstant(Range.getUpper()));
3276     SCEVHandle NewAddRec = SE.getAddRecExpr(NewOps, getLoop());
3277
3278     // Next, solve the constructed addrec
3279     std::pair<SCEVHandle,SCEVHandle> Roots =
3280       SolveQuadraticEquation(cast<SCEVAddRecExpr>(NewAddRec), SE);
3281     const SCEVConstant *R1 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.first);
3282     const SCEVConstant *R2 = dyn_cast<SCEVConstant>(Roots.second);
3283     if (R1) {
3284       // Pick the smallest positive root value.
3285       if (ConstantInt *CB =
3286           dyn_cast<ConstantInt>(ConstantExpr::getICmp(ICmpInst::ICMP_ULT, 
3287                                    R1->getValue(), R2->getValue()))) {
3288         if (CB->getZExtValue() == false)
3289           std::swap(R1, R2);   // R1 is the minimum root now.
3290
3291         // Make sure the root is not off by one.  The returned iteration should
3292         // not be in the range, but the previous one should be.  When solving
3293         // for "X*X < 5", for example, we should not return a root of 2.
3294         ConstantInt *R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this,
3295                                                              R1->getValue(),
3296                                                              SE);
3297         if (Range.contains(R1Val->getValue())) {
3298           // The next iteration must be out of the range...
3299           ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()+1);
3300
3301           R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
3302           if (!Range.contains(R1Val->getValue()))
3303             return SE.getConstant(NextVal);
3304           return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3305         }
3306
3307         // If R1 was not in the range, then it is a good return value.  Make
3308         // sure that R1-1 WAS in the range though, just in case.
3309         ConstantInt *NextVal = ConstantInt::get(R1->getValue()->getValue()-1);
3310         R1Val = EvaluateConstantChrecAtConstant(this, NextVal, SE);
3311         if (Range.contains(R1Val->getValue()))
3312           return R1;
3313         return SE.getCouldNotCompute();  // Something strange happened
3314       }
3315     }
3316   }
3317
3318   return SE.getCouldNotCompute();
3319 }
3320
3321
3322
3323 //===----------------------------------------------------------------------===//
3324 //                   SCEVCallbackVH Class Implementation
3325 //===----------------------------------------------------------------------===//
3326
3327 void SCEVCallbackVH::deleted() {
3328   assert(SE && "SCEVCallbackVH called with a non-null ScalarEvolution!");
3329   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(getValPtr()))
3330     SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3331   SE->Scalars.erase(getValPtr());
3332   // this now dangles!
3333 }
3334
3335 void SCEVCallbackVH::allUsesReplacedWith(Value *) {
3336   assert(SE && "SCEVCallbackVH called with a non-null ScalarEvolution!");
3337
3338   // Forget all the expressions associated with users of the old value,
3339   // so that future queries will recompute the expressions using the new
3340   // value.
3341   SmallVector<User *, 16> Worklist;
3342   Value *Old = getValPtr();
3343   bool DeleteOld = false;
3344   for (Value::use_iterator UI = Old->use_begin(), UE = Old->use_end();
3345        UI != UE; ++UI)
3346     Worklist.push_back(*UI);
3347   while (!Worklist.empty()) {
3348     User *U = Worklist.pop_back_val();
3349     // Deleting the Old value will cause this to dangle. Postpone
3350     // that until everything else is done.
3351     if (U == Old) {
3352       DeleteOld = true;
3353       continue;
3354     }
3355     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(U))
3356       SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3357     if (SE->Scalars.erase(U))
3358       for (Value::use_iterator UI = U->use_begin(), UE = U->use_end();
3359            UI != UE; ++UI)
3360         Worklist.push_back(*UI);
3361   }
3362   if (DeleteOld) {
3363     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(Old))
3364       SE->ConstantEvolutionLoopExitValue.erase(PN);
3365     SE->Scalars.erase(Old);
3366     // this now dangles!
3367   }
3368   // this may dangle!
3369 }
3370
3371 SCEVCallbackVH::SCEVCallbackVH(Value *V, ScalarEvolution *se)
3372   : CallbackVH(V), SE(se) {}
3373
3374 //===----------------------------------------------------------------------===//
3375 //                   ScalarEvolution Class Implementation
3376 //===----------------------------------------------------------------------===//
3377
3378 ScalarEvolution::ScalarEvolution()
3379   : FunctionPass(&ID), UnknownValue(new SCEVCouldNotCompute()) {
3380 }
3381
3382 bool ScalarEvolution::runOnFunction(Function &F) {
3383   this->F = &F;
3384   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
3385   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
3386   return false;
3387 }
3388
3389 void ScalarEvolution::releaseMemory() {
3390   Scalars.clear();
3391   BackedgeTakenCounts.clear();
3392   ConstantEvolutionLoopExitValue.clear();
3393 }
3394
3395 void ScalarEvolution::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
3396   AU.setPreservesAll();
3397   AU.addRequiredTransitive<LoopInfo>();
3398 }
3399
3400 bool ScalarEvolution::hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L) {
3401   return !isa<SCEVCouldNotCompute>(getBackedgeTakenCount(L));
3402 }
3403
3404 static void PrintLoopInfo(raw_ostream &OS, ScalarEvolution *SE,
3405                           const Loop *L) {
3406   // Print all inner loops first
3407   for (Loop::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
3408     PrintLoopInfo(OS, SE, *I);
3409
3410   OS << "Loop " << L->getHeader()->getName() << ": ";
3411
3412   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
3413   L->getExitBlocks(ExitBlocks);
3414   if (ExitBlocks.size() != 1)
3415     OS << "<multiple exits> ";
3416
3417   if (SE->hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(L)) {
3418     OS << "backedge-taken count is " << *SE->getBackedgeTakenCount(L);
3419   } else {
3420     OS << "Unpredictable backedge-taken count. ";
3421   }
3422
3423   OS << "\n";
3424 }
3425
3426 void ScalarEvolution::print(raw_ostream &OS, const Module* ) const {
3427   // ScalarEvolution's implementaiton of the print method is to print
3428   // out SCEV values of all instructions that are interesting. Doing
3429   // this potentially causes it to create new SCEV objects though,
3430   // which technically conflicts with the const qualifier. This isn't
3431   // observable from outside the class though (the hasSCEV function
3432   // notwithstanding), so casting away the const isn't dangerous.
3433   ScalarEvolution &SE = *const_cast<ScalarEvolution*>(this);
3434
3435   OS << "Classifying expressions for: " << F->getName() << "\n";
3436   for (inst_iterator I = inst_begin(F), E = inst_end(F); I != E; ++I)
3437     if (isSCEVable(I->getType())) {
3438       OS << *I;
3439       OS << "  -->  ";
3440       SCEVHandle SV = SE.getSCEV(&*I);
3441       SV->print(OS);
3442       OS << "\t\t";
3443
3444       if (const Loop *L = LI->getLoopFor((*I).getParent())) {
3445         OS << "Exits: ";
3446         SCEVHandle ExitValue = SE.getSCEVAtScope(&*I, L->getParentLoop());
3447         if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ExitValue)) {
3448           OS << "<<Unknown>>";
3449         } else {
3450           OS << *ExitValue;
3451         }
3452       }
3453
3454
3455       OS << "\n";
3456     }
3457
3458   OS << "Determining loop execution counts for: " << F->getName() << "\n";
3459   for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
3460     PrintLoopInfo(OS, &SE, *I);
3461 }
3462
3463 void ScalarEvolution::print(std::ostream &o, const Module *M) const {
3464   raw_os_ostream OS(o);
3465   print(OS, M);
3466 }