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