lib/Transforms/InstCombine/InstCombinePHI.cpp

   1 //===- InstCombinePHI.cpp -------------------------------------------------===//
   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 implements the visitPHINode function.
  11 //
  12 //===----------------------------------------------------------------------===//
  13
  14 #include "InstCombineInternal.h"
  15 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
  16 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
  17 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
  18 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  19 using namespace llvm;
  20
  21 #define DEBUG_TYPE "instcombine"
  22
  23 /// If we have something like phi [add (a,b), add(a,c)] and if a/b/c and the
  24 /// adds all have a single use, turn this into a phi and a single binop.
  25 Instruction *InstCombiner::FoldPHIArgBinOpIntoPHI(PHINode &PN) {
  26   Instruction *FirstInst = cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(0));
  27   assert(isa<BinaryOperator>(FirstInst) || isa<CmpInst>(FirstInst));
  28   unsigned Opc = FirstInst->getOpcode();
  29   Value *LHSVal = FirstInst->getOperand(0);
  30   Value *RHSVal = FirstInst->getOperand(1);
  31
  32   Type *LHSType = LHSVal->getType();
  33   Type *RHSType = RHSVal->getType();
  34
  35   bool isNUW = false, isNSW = false, isExact = false;
  36   if (OverflowingBinaryOperator *BO =
  37         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(FirstInst)) {
  38     isNUW = BO->hasNoUnsignedWrap();
  39     isNSW = BO->hasNoSignedWrap();
  40   } else if (PossiblyExactOperator *PEO =
  41                dyn_cast<PossiblyExactOperator>(FirstInst))
  42     isExact = PEO->isExact();
  43
  44   // Scan to see if all operands are the same opcode, and all have one use.
  45   for (unsigned i = 1; i != PN.getNumIncomingValues(); ++i) {
  46     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(i));
  47     if (!I || I->getOpcode() != Opc || !I->hasOneUse() ||
  48         // Verify type of the LHS matches so we don't fold cmp's of different
  49         // types.
  50         I->getOperand(0)->getType() != LHSType ||
  51         I->getOperand(1)->getType() != RHSType)
  52       return nullptr;
  53
  54     // If they are CmpInst instructions, check their predicates
  55     if (CmpInst *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
  56       if (CI->getPredicate() != cast<CmpInst>(FirstInst)->getPredicate())
  57         return nullptr;
  58
  59     if (isNUW)
  60       isNUW = cast<OverflowingBinaryOperator>(I)->hasNoUnsignedWrap();
  61     if (isNSW)
  62       isNSW = cast<OverflowingBinaryOperator>(I)->hasNoSignedWrap();
  63     if (isExact)
  64       isExact = cast<PossiblyExactOperator>(I)->isExact();
  65
  66     // Keep track of which operand needs a phi node.
  67     if (I->getOperand(0) != LHSVal) LHSVal = nullptr;
  68     if (I->getOperand(1) != RHSVal) RHSVal = nullptr;
  69   }
  70
  71   // If both LHS and RHS would need a PHI, don't do this transformation,
  72   // because it would increase the number of PHIs entering the block,
  73   // which leads to higher register pressure. This is especially
  74   // bad when the PHIs are in the header of a loop.
  75   if (!LHSVal && !RHSVal)
  76     return nullptr;
  77
  78   // Otherwise, this is safe to transform!
  79
  80   Value *InLHS = FirstInst->getOperand(0);
  81   Value *InRHS = FirstInst->getOperand(1);
  82   PHINode *NewLHS = nullptr, *NewRHS = nullptr;
  83   if (!LHSVal) {
  84     NewLHS = PHINode::Create(LHSType, PN.getNumIncomingValues(),
  85                              FirstInst->getOperand(0)->getName() + ".pn");
  86     NewLHS->addIncoming(InLHS, PN.getIncomingBlock(0));
  87     InsertNewInstBefore(NewLHS, PN);
  88     LHSVal = NewLHS;
  89   }
  90
  91   if (!RHSVal) {
  92     NewRHS = PHINode::Create(RHSType, PN.getNumIncomingValues(),
  93                              FirstInst->getOperand(1)->getName() + ".pn");
  94     NewRHS->addIncoming(InRHS, PN.getIncomingBlock(0));
  95     InsertNewInstBefore(NewRHS, PN);
  96     RHSVal = NewRHS;
  97   }
  98
  99   // Add all operands to the new PHIs.
 100   if (NewLHS || NewRHS) {
 101     for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 102       Instruction *InInst = cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(i));
 103       if (NewLHS) {
 104         Value *NewInLHS = InInst->getOperand(0);
 105         NewLHS->addIncoming(NewInLHS, PN.getIncomingBlock(i));
 106       }
 107       if (NewRHS) {
 108         Value *NewInRHS = InInst->getOperand(1);
 109         NewRHS->addIncoming(NewInRHS, PN.getIncomingBlock(i));
 110       }
 111     }
 112   }
 113
 114   if (CmpInst *CIOp = dyn_cast<CmpInst>(FirstInst)) {
 115     CmpInst *NewCI = CmpInst::Create(CIOp->getOpcode(), CIOp->getPredicate(),
 116                                      LHSVal, RHSVal);
 117     NewCI->setDebugLoc(FirstInst->getDebugLoc());
 118     return NewCI;
 119   }
 120
 121   BinaryOperator *BinOp = cast<BinaryOperator>(FirstInst);
 122   BinaryOperator *NewBinOp =
 123     BinaryOperator::Create(BinOp->getOpcode(), LHSVal, RHSVal);
 124   if (isNUW) NewBinOp->setHasNoUnsignedWrap();
 125   if (isNSW) NewBinOp->setHasNoSignedWrap();
 126   if (isExact) NewBinOp->setIsExact();
 127   NewBinOp->setDebugLoc(FirstInst->getDebugLoc());
 128   return NewBinOp;
 129 }
 130
 131 Instruction *InstCombiner::FoldPHIArgGEPIntoPHI(PHINode &PN) {
 132   GetElementPtrInst *FirstInst =cast<GetElementPtrInst>(PN.getIncomingValue(0));
 133
 134   SmallVector<Value*, 16> FixedOperands(FirstInst->op_begin(),
 135                                         FirstInst->op_end());
 136   // This is true if all GEP bases are allocas and if all indices into them are
 137   // constants.
 138   bool AllBasePointersAreAllocas = true;
 139
 140   // We don't want to replace this phi if the replacement would require
 141   // more than one phi, which leads to higher register pressure. This is
 142   // especially bad when the PHIs are in the header of a loop.
 143   bool NeededPhi = false;
 144
 145   bool AllInBounds = true;
 146
 147   // Scan to see if all operands are the same opcode, and all have one use.
 148   for (unsigned i = 1; i != PN.getNumIncomingValues(); ++i) {
 149     GetElementPtrInst *GEP= dyn_cast<GetElementPtrInst>(PN.getIncomingValue(i));
 150     if (!GEP || !GEP->hasOneUse() || GEP->getType() != FirstInst->getType() ||
 151       GEP->getNumOperands() != FirstInst->getNumOperands())
 152       return nullptr;
 153
 154     AllInBounds &= GEP->isInBounds();
 155
 156     // Keep track of whether or not all GEPs are of alloca pointers.
 157     if (AllBasePointersAreAllocas &&
 158         (!isa<AllocaInst>(GEP->getOperand(0)) ||
 159          !GEP->hasAllConstantIndices()))
 160       AllBasePointersAreAllocas = false;
 161
 162     // Compare the operand lists.
 163     for (unsigned op = 0, e = FirstInst->getNumOperands(); op != e; ++op) {
 164       if (FirstInst->getOperand(op) == GEP->getOperand(op))
 165         continue;
 166
 167       // Don't merge two GEPs when two operands differ (introducing phi nodes)
 168       // if one of the PHIs has a constant for the index.  The index may be
 169       // substantially cheaper to compute for the constants, so making it a
 170       // variable index could pessimize the path.  This also handles the case
 171       // for struct indices, which must always be constant.
 172       if (isa<ConstantInt>(FirstInst->getOperand(op)) ||
 173           isa<ConstantInt>(GEP->getOperand(op)))
 174         return nullptr;
 175
 176       if (FirstInst->getOperand(op)->getType() !=GEP->getOperand(op)->getType())
 177         return nullptr;
 178
 179       // If we already needed a PHI for an earlier operand, and another operand
 180       // also requires a PHI, we'd be introducing more PHIs than we're
 181       // eliminating, which increases register pressure on entry to the PHI's
 182       // block.
 183       if (NeededPhi)
 184         return nullptr;
 185
 186       FixedOperands[op] = nullptr;  // Needs a PHI.
 187       NeededPhi = true;
 188     }
 189   }
 190
 191   // If all of the base pointers of the PHI'd GEPs are from allocas, don't
 192   // bother doing this transformation.  At best, this will just save a bit of
 193   // offset calculation, but all the predecessors will have to materialize the
 194   // stack address into a register anyway.  We'd actually rather *clone* the
 195   // load up into the predecessors so that we have a load of a gep of an alloca,
 196   // which can usually all be folded into the load.
 197   if (AllBasePointersAreAllocas)
 198     return nullptr;
 199
 200   // Otherwise, this is safe to transform.  Insert PHI nodes for each operand
 201   // that is variable.
 202   SmallVector<PHINode*, 16> OperandPhis(FixedOperands.size());
 203
 204   bool HasAnyPHIs = false;
 205   for (unsigned i = 0, e = FixedOperands.size(); i != e; ++i) {
 206     if (FixedOperands[i]) continue;  // operand doesn't need a phi.
 207     Value *FirstOp = FirstInst->getOperand(i);
 208     PHINode *NewPN = PHINode::Create(FirstOp->getType(), e,
 209                                      FirstOp->getName()+".pn");
 210     InsertNewInstBefore(NewPN, PN);
 211
 212     NewPN->addIncoming(FirstOp, PN.getIncomingBlock(0));
 213     OperandPhis[i] = NewPN;
 214     FixedOperands[i] = NewPN;
 215     HasAnyPHIs = true;
 216   }
 217
 218
 219   // Add all operands to the new PHIs.
 220   if (HasAnyPHIs) {
 221     for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 222       GetElementPtrInst *InGEP =cast<GetElementPtrInst>(PN.getIncomingValue(i));
 223       BasicBlock *InBB = PN.getIncomingBlock(i);
 224
 225       for (unsigned op = 0, e = OperandPhis.size(); op != e; ++op)
 226         if (PHINode *OpPhi = OperandPhis[op])
 227           OpPhi->addIncoming(InGEP->getOperand(op), InBB);
 228     }
 229   }
 230
 231   Value *Base = FixedOperands[0];
 232   GetElementPtrInst *NewGEP =
 233       GetElementPtrInst::Create(FirstInst->getSourceElementType(), Base,
 234                                 makeArrayRef(FixedOperands).slice(1));
 235   if (AllInBounds) NewGEP->setIsInBounds();
 236   NewGEP->setDebugLoc(FirstInst->getDebugLoc());
 237   return NewGEP;
 238 }
 239
 240
 241 /// Return true if we know that it is safe to sink the load out of the block
 242 /// that defines it. This means that it must be obvious the value of the load is
 243 /// not changed from the point of the load to the end of the block it is in.
 244 ///
 245 /// Finally, it is safe, but not profitable, to sink a load targeting a
 246 /// non-address-taken alloca.  Doing so will cause us to not promote the alloca
 247 /// to a register.
 248 static bool isSafeAndProfitableToSinkLoad(LoadInst *L) {
 249   BasicBlock::iterator BBI = L, E = L->getParent()->end();
 250
 251   for (++BBI; BBI != E; ++BBI)
 252     if (BBI->mayWriteToMemory())
 253       return false;
 254
 255   // Check for non-address taken alloca.  If not address-taken already, it isn't
 256   // profitable to do this xform.
 257   if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(L->getOperand(0))) {
 258     bool isAddressTaken = false;
 259     for (User *U : AI->users()) {
 260       if (isa<LoadInst>(U)) continue;
 261       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
 262         // If storing TO the alloca, then the address isn't taken.
 263         if (SI->getOperand(1) == AI) continue;
 264       }
 265       isAddressTaken = true;
 266       break;
 267     }
 268
 269     if (!isAddressTaken && AI->isStaticAlloca())
 270       return false;
 271   }
 272
 273   // If this load is a load from a GEP with a constant offset from an alloca,
 274   // then we don't want to sink it.  In its present form, it will be
 275   // load [constant stack offset].  Sinking it will cause us to have to
 276   // materialize the stack addresses in each predecessor in a register only to
 277   // do a shared load from register in the successor.
 278   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(L->getOperand(0)))
 279     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(GEP->getOperand(0)))
 280       if (AI->isStaticAlloca() && GEP->hasAllConstantIndices())
 281         return false;
 282
 283   return true;
 284 }
 285
 286 Instruction *InstCombiner::FoldPHIArgLoadIntoPHI(PHINode &PN) {
 287   LoadInst *FirstLI = cast<LoadInst>(PN.getIncomingValue(0));
 288
 289   // FIXME: This is overconservative; this transform is allowed in some cases
 290   // for atomic operations.
 291   if (FirstLI->isAtomic())
 292     return nullptr;
 293
 294   // When processing loads, we need to propagate two bits of information to the
 295   // sunk load: whether it is volatile, and what its alignment is.  We currently
 296   // don't sink loads when some have their alignment specified and some don't.
 297   // visitLoadInst will propagate an alignment onto the load when TD is around,
 298   // and if TD isn't around, we can't handle the mixed case.
 299   bool isVolatile = FirstLI->isVolatile();
 300   unsigned LoadAlignment = FirstLI->getAlignment();
 301   unsigned LoadAddrSpace = FirstLI->getPointerAddressSpace();
 302
 303   // We can't sink the load if the loaded value could be modified between the
 304   // load and the PHI.
 305   if (FirstLI->getParent() != PN.getIncomingBlock(0) ||
 306       !isSafeAndProfitableToSinkLoad(FirstLI))
 307     return nullptr;
 308
 309   // If the PHI is of volatile loads and the load block has multiple
 310   // successors, sinking it would remove a load of the volatile value from
 311   // the path through the other successor.
 312   if (isVolatile &&
 313       FirstLI->getParent()->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
 314     return nullptr;
 315
 316   // Check to see if all arguments are the same operation.
 317   for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 318     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(PN.getIncomingValue(i));
 319     if (!LI || !LI->hasOneUse())
 320       return nullptr;
 321
 322     // We can't sink the load if the loaded value could be modified between
 323     // the load and the PHI.
 324     if (LI->isVolatile() != isVolatile ||
 325         LI->getParent() != PN.getIncomingBlock(i) ||
 326         LI->getPointerAddressSpace() != LoadAddrSpace ||
 327         !isSafeAndProfitableToSinkLoad(LI))
 328       return nullptr;
 329
 330     // If some of the loads have an alignment specified but not all of them,
 331     // we can't do the transformation.
 332     if ((LoadAlignment != 0) != (LI->getAlignment() != 0))
 333       return nullptr;
 334
 335     LoadAlignment = std::min(LoadAlignment, LI->getAlignment());
 336
 337     // If the PHI is of volatile loads and the load block has multiple
 338     // successors, sinking it would remove a load of the volatile value from
 339     // the path through the other successor.
 340     if (isVolatile &&
 341         LI->getParent()->getTerminator()->getNumSuccessors() != 1)
 342       return nullptr;
 343   }
 344
 345   // Okay, they are all the same operation.  Create a new PHI node of the
 346   // correct type, and PHI together all of the LHS's of the instructions.
 347   PHINode *NewPN = PHINode::Create(FirstLI->getOperand(0)->getType(),
 348                                    PN.getNumIncomingValues(),
 349                                    PN.getName()+".in");
 350
 351   Value *InVal = FirstLI->getOperand(0);
 352   NewPN->addIncoming(InVal, PN.getIncomingBlock(0));
 353   LoadInst *NewLI = new LoadInst(NewPN, "", isVolatile, LoadAlignment);
 354
 355   unsigned KnownIDs[] = {
 356     LLVMContext::MD_tbaa,
 357     LLVMContext::MD_range,
 358     LLVMContext::MD_invariant_load,
 359     LLVMContext::MD_alias_scope,
 360     LLVMContext::MD_noalias,
 361     LLVMContext::MD_nonnull
 362   };
 363
 364   for (unsigned ID : KnownIDs)
 365     NewLI->setMetadata(ID, FirstLI->getMetadata(ID));
 366
 367   // Add all operands to the new PHI and combine TBAA metadata.
 368   for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 369     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(PN.getIncomingValue(i));
 370     combineMetadata(NewLI, LI, KnownIDs);
 371     Value *NewInVal = LI->getOperand(0);
 372     if (NewInVal != InVal)
 373       InVal = nullptr;
 374     NewPN->addIncoming(NewInVal, PN.getIncomingBlock(i));
 375   }
 376
 377   if (InVal) {
 378     // The new PHI unions all of the same values together.  This is really
 379     // common, so we handle it intelligently here for compile-time speed.
 380     NewLI->setOperand(0, InVal);
 381     delete NewPN;
 382   } else {
 383     InsertNewInstBefore(NewPN, PN);
 384   }
 385
 386   // If this was a volatile load that we are merging, make sure to loop through
 387   // and mark all the input loads as non-volatile.  If we don't do this, we will
 388   // insert a new volatile load and the old ones will not be deletable.
 389   if (isVolatile)
 390     for (Value *IncValue : PN.incoming_values())
 391       cast<LoadInst>(IncValue)->setVolatile(false);
 392
 393   NewLI->setDebugLoc(FirstLI->getDebugLoc());
 394   return NewLI;
 395 }
 396
 397 /// TODO: This function could handle other cast types, but then it might
 398 /// require special-casing a cast from the 'i1' type. See the comment in
 399 /// FoldPHIArgOpIntoPHI() about pessimizing illegal integer types.
 400 Instruction *InstCombiner::FoldPHIArgZextsIntoPHI(PHINode &Phi) {
 401   // Early exit for the common case of a phi with two operands. These are
 402   // handled elsewhere. See the comment below where we check the count of zexts
 403   // and constants for more details.
 404   unsigned NumIncomingValues = Phi.getNumIncomingValues();
 405   if (NumIncomingValues < 3)
 406     return nullptr;
 407
 408   // Find the narrower type specified by the first zext.
 409   Type *NarrowType = nullptr;
 410   for (Value *V : Phi.incoming_values()) {
 411     if (auto *Zext = dyn_cast<ZExtInst>(V)) {
 412       NarrowType = Zext->getSrcTy();
 413       break;
 414     }
 415   }
 416   if (!NarrowType)
 417     return nullptr;
 418
 419   // Walk the phi operands checking that we only have zexts or constants that
 420   // we can shrink for free. Store the new operands for the new phi.
 421   SmallVector<Value *, 4> NewIncoming;
 422   unsigned NumZexts = 0;
 423   unsigned NumConsts = 0;
 424   for (Value *V : Phi.incoming_values()) {
 425     if (auto *Zext = dyn_cast<ZExtInst>(V)) {
 426       // All zexts must be identical and have one use.
 427       if (Zext->getSrcTy() != NarrowType || !Zext->hasOneUse())
 428         return nullptr;
 429       NewIncoming.push_back(Zext->getOperand(0));
 430       NumZexts++;
 431     } else if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
 432       // Make sure that constants can fit in the new type.
 433       Constant *Trunc = ConstantExpr::getTrunc(C, NarrowType);
 434       if (ConstantExpr::getZExt(Trunc, C->getType()) != C)
 435         return nullptr;
 436       NewIncoming.push_back(Trunc);
 437       NumConsts++;
 438     } else {
 439       // If it's not a cast or a constant, bail out.
 440       return nullptr;
 441     }
 442   }
 443
 444   // The more common cases of a phi with no constant operands or just one
 445   // variable operand are handled by FoldPHIArgOpIntoPHI() and FoldOpIntoPhi()
 446   // respectively. FoldOpIntoPhi() wants to do the opposite transform that is
 447   // performed here. It tries to replicate a cast in the phi operand's basic
 448   // block to expose other folding opportunities. Thus, InstCombine will
 449   // infinite loop without this check.
 450   if (NumConsts == 0 || NumZexts < 2)
 451     return nullptr;
 452
 453   // All incoming values are zexts or constants that are safe to truncate.
 454   // Create a new phi node of the narrow type, phi together all of the new
 455   // operands, and zext the result back to the original type.
 456   PHINode *NewPhi = PHINode::Create(NarrowType, NumIncomingValues,
 457                                     Phi.getName() + ".shrunk");
 458   for (unsigned i = 0; i != NumIncomingValues; ++i)
 459     NewPhi->addIncoming(NewIncoming[i], Phi.getIncomingBlock(i));
 460
 461   InsertNewInstBefore(NewPhi, Phi);
 462   return CastInst::CreateZExtOrBitCast(NewPhi, Phi.getType());
 463 }
 464
 465 /// If all operands to a PHI node are the same "unary" operator and they all are
 466 /// only used by the PHI, PHI together their inputs, and do the operation once,
 467 /// to the result of the PHI.
 468 Instruction *InstCombiner::FoldPHIArgOpIntoPHI(PHINode &PN) {
 469   Instruction *FirstInst = cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(0));
 470
 471   if (isa<GetElementPtrInst>(FirstInst))
 472     return FoldPHIArgGEPIntoPHI(PN);
 473   if (isa<LoadInst>(FirstInst))
 474     return FoldPHIArgLoadIntoPHI(PN);
 475
 476   // Scan the instruction, looking for input operations that can be folded away.
 477   // If all input operands to the phi are the same instruction (e.g. a cast from
 478   // the same type or "+42") we can pull the operation through the PHI, reducing
 479   // code size and simplifying code.
 480   Constant *ConstantOp = nullptr;
 481   Type *CastSrcTy = nullptr;
 482   bool isNUW = false, isNSW = false, isExact = false;
 483
 484   if (isa<CastInst>(FirstInst)) {
 485     CastSrcTy = FirstInst->getOperand(0)->getType();
 486
 487     // Be careful about transforming integer PHIs.  We don't want to pessimize
 488     // the code by turning an i32 into an i1293.
 489     if (PN.getType()->isIntegerTy() && CastSrcTy->isIntegerTy()) {
 490       if (!ShouldChangeType(PN.getType(), CastSrcTy))
 491         return nullptr;
 492     }
 493   } else if (isa<BinaryOperator>(FirstInst) || isa<CmpInst>(FirstInst)) {
 494     // Can fold binop, compare or shift here if the RHS is a constant,
 495     // otherwise call FoldPHIArgBinOpIntoPHI.
 496     ConstantOp = dyn_cast<Constant>(FirstInst->getOperand(1));
 497     if (!ConstantOp)
 498       return FoldPHIArgBinOpIntoPHI(PN);
 499
 500     if (OverflowingBinaryOperator *BO =
 501         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(FirstInst)) {
 502       isNUW = BO->hasNoUnsignedWrap();
 503       isNSW = BO->hasNoSignedWrap();
 504     } else if (PossiblyExactOperator *PEO =
 505                dyn_cast<PossiblyExactOperator>(FirstInst))
 506       isExact = PEO->isExact();
 507   } else {
 508     return nullptr;  // Cannot fold this operation.
 509   }
 510
 511   // Check to see if all arguments are the same operation.
 512   for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 513     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(i));
 514     if (!I || !I->hasOneUse() || !I->isSameOperationAs(FirstInst))
 515       return nullptr;
 516     if (CastSrcTy) {
 517       if (I->getOperand(0)->getType() != CastSrcTy)
 518         return nullptr;  // Cast operation must match.
 519     } else if (I->getOperand(1) != ConstantOp) {
 520       return nullptr;
 521     }
 522
 523     if (isNUW)
 524       isNUW = cast<OverflowingBinaryOperator>(I)->hasNoUnsignedWrap();
 525     if (isNSW)
 526       isNSW = cast<OverflowingBinaryOperator>(I)->hasNoSignedWrap();
 527     if (isExact)
 528       isExact = cast<PossiblyExactOperator>(I)->isExact();
 529   }
 530
 531   // Okay, they are all the same operation.  Create a new PHI node of the
 532   // correct type, and PHI together all of the LHS's of the instructions.
 533   PHINode *NewPN = PHINode::Create(FirstInst->getOperand(0)->getType(),
 534                                    PN.getNumIncomingValues(),
 535                                    PN.getName()+".in");
 536
 537   Value *InVal = FirstInst->getOperand(0);
 538   NewPN->addIncoming(InVal, PN.getIncomingBlock(0));
 539
 540   // Add all operands to the new PHI.
 541   for (unsigned i = 1, e = PN.getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 542     Value *NewInVal = cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(i))->getOperand(0);
 543     if (NewInVal != InVal)
 544       InVal = nullptr;
 545     NewPN->addIncoming(NewInVal, PN.getIncomingBlock(i));
 546   }
 547
 548   Value *PhiVal;
 549   if (InVal) {
 550     // The new PHI unions all of the same values together.  This is really
 551     // common, so we handle it intelligently here for compile-time speed.
 552     PhiVal = InVal;
 553     delete NewPN;
 554   } else {
 555     InsertNewInstBefore(NewPN, PN);
 556     PhiVal = NewPN;
 557   }
 558
 559   // Insert and return the new operation.
 560   if (CastInst *FirstCI = dyn_cast<CastInst>(FirstInst)) {
 561     CastInst *NewCI = CastInst::Create(FirstCI->getOpcode(), PhiVal,
 562                                        PN.getType());
 563     NewCI->setDebugLoc(FirstInst->getDebugLoc());
 564     return NewCI;
 565   }
 566
 567   if (BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(FirstInst)) {
 568     BinOp = BinaryOperator::Create(BinOp->getOpcode(), PhiVal, ConstantOp);
 569     if (isNUW) BinOp->setHasNoUnsignedWrap();
 570     if (isNSW) BinOp->setHasNoSignedWrap();
 571     if (isExact) BinOp->setIsExact();
 572     BinOp->setDebugLoc(FirstInst->getDebugLoc());
 573     return BinOp;
 574   }
 575
 576   CmpInst *CIOp = cast<CmpInst>(FirstInst);
 577   CmpInst *NewCI = CmpInst::Create(CIOp->getOpcode(), CIOp->getPredicate(),
 578                                    PhiVal, ConstantOp);
 579   NewCI->setDebugLoc(FirstInst->getDebugLoc());
 580   return NewCI;
 581 }
 582
 583 /// Return true if this PHI node is only used by a PHI node cycle that is dead.
 584 static bool DeadPHICycle(PHINode *PN,
 585                          SmallPtrSetImpl<PHINode*> &PotentiallyDeadPHIs) {
 586   if (PN->use_empty()) return true;
 587   if (!PN->hasOneUse()) return false;
 588
 589   // Remember this node, and if we find the cycle, return.
 590   if (!PotentiallyDeadPHIs.insert(PN).second)
 591     return true;
 592
 593   // Don't scan crazily complex things.
 594   if (PotentiallyDeadPHIs.size() == 16)
 595     return false;
 596
 597   if (PHINode *PU = dyn_cast<PHINode>(PN->user_back()))
 598     return DeadPHICycle(PU, PotentiallyDeadPHIs);
 599
 600   return false;
 601 }
 602
 603 /// Return true if this phi node is always equal to NonPhiInVal.
 604 /// This happens with mutually cyclic phi nodes like:
 605 ///   z = some value; x = phi (y, z); y = phi (x, z)
 606 static bool PHIsEqualValue(PHINode *PN, Value *NonPhiInVal,
 607                            SmallPtrSetImpl<PHINode*> &ValueEqualPHIs) {
 608   // See if we already saw this PHI node.
 609   if (!ValueEqualPHIs.insert(PN).second)
 610     return true;
 611
 612   // Don't scan crazily complex things.
 613   if (ValueEqualPHIs.size() == 16)
 614     return false;
 615
 616   // Scan the operands to see if they are either phi nodes or are equal to
 617   // the value.
 618   for (Value *Op : PN->incoming_values()) {
 619     if (PHINode *OpPN = dyn_cast<PHINode>(Op)) {
 620       if (!PHIsEqualValue(OpPN, NonPhiInVal, ValueEqualPHIs))
 621         return false;
 622     } else if (Op != NonPhiInVal)
 623       return false;
 624   }
 625
 626   return true;
 627 }
 628
 629
 630 namespace {
 631 struct PHIUsageRecord {
 632   unsigned PHIId;     // The ID # of the PHI (something determinstic to sort on)
 633   unsigned Shift;     // The amount shifted.
 634   Instruction *Inst;  // The trunc instruction.
 635
 636   PHIUsageRecord(unsigned pn, unsigned Sh, Instruction *User)
 637     : PHIId(pn), Shift(Sh), Inst(User) {}
 638
 639   bool operator<(const PHIUsageRecord &RHS) const {
 640     if (PHIId < RHS.PHIId) return true;
 641     if (PHIId > RHS.PHIId) return false;
 642     if (Shift < RHS.Shift) return true;
 643     if (Shift > RHS.Shift) return false;
 644     return Inst->getType()->getPrimitiveSizeInBits() <
 645            RHS.Inst->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
 646   }
 647 };
 648
 649 struct LoweredPHIRecord {
 650   PHINode *PN;        // The PHI that was lowered.
 651   unsigned Shift;     // The amount shifted.
 652   unsigned Width;     // The width extracted.
 653
 654   LoweredPHIRecord(PHINode *pn, unsigned Sh, Type *Ty)
 655     : PN(pn), Shift(Sh), Width(Ty->getPrimitiveSizeInBits()) {}
 656
 657   // Ctor form used by DenseMap.
 658   LoweredPHIRecord(PHINode *pn, unsigned Sh)
 659     : PN(pn), Shift(Sh), Width(0) {}
 660 };
 661 }
 662
 663 namespace llvm {
 664   template<>
 665   struct DenseMapInfo<LoweredPHIRecord> {
 666     static inline LoweredPHIRecord getEmptyKey() {
 667       return LoweredPHIRecord(nullptr, 0);
 668     }
 669     static inline LoweredPHIRecord getTombstoneKey() {
 670       return LoweredPHIRecord(nullptr, 1);
 671     }
 672     static unsigned getHashValue(const LoweredPHIRecord &Val) {
 673       return DenseMapInfo<PHINode*>::getHashValue(Val.PN) ^ (Val.Shift>>3) ^
 674              (Val.Width>>3);
 675     }
 676     static bool isEqual(const LoweredPHIRecord &LHS,
 677                         const LoweredPHIRecord &RHS) {
 678       return LHS.PN == RHS.PN && LHS.Shift == RHS.Shift &&
 679              LHS.Width == RHS.Width;
 680     }
 681   };
 682 }
 683
 684
 685 /// This is an integer PHI and we know that it has an illegal type: see if it is
 686 /// only used by trunc or trunc(lshr) operations. If so, we split the PHI into
 687 /// the various pieces being extracted. This sort of thing is introduced when
 688 /// SROA promotes an aggregate to large integer values.
 689 ///
 690 /// TODO: The user of the trunc may be an bitcast to float/double/vector or an
 691 /// inttoptr.  We should produce new PHIs in the right type.
 692 ///
 693 Instruction *InstCombiner::SliceUpIllegalIntegerPHI(PHINode &FirstPhi) {
 694   // PHIUsers - Keep track of all of the truncated values extracted from a set
 695   // of PHIs, along with their offset.  These are the things we want to rewrite.
 696   SmallVector<PHIUsageRecord, 16> PHIUsers;
 697
 698   // PHIs are often mutually cyclic, so we keep track of a whole set of PHI
 699   // nodes which are extracted from. PHIsToSlice is a set we use to avoid
 700   // revisiting PHIs, PHIsInspected is a ordered list of PHIs that we need to
 701   // check the uses of (to ensure they are all extracts).
 702   SmallVector<PHINode*, 8> PHIsToSlice;
 703   SmallPtrSet<PHINode*, 8> PHIsInspected;
 704
 705   PHIsToSlice.push_back(&FirstPhi);
 706   PHIsInspected.insert(&FirstPhi);
 707
 708   for (unsigned PHIId = 0; PHIId != PHIsToSlice.size(); ++PHIId) {
 709     PHINode *PN = PHIsToSlice[PHIId];
 710
 711     // Scan the input list of the PHI.  If any input is an invoke, and if the
 712     // input is defined in the predecessor, then we won't be split the critical
 713     // edge which is required to insert a truncate.  Because of this, we have to
 714     // bail out.
 715     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 716       InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(PN->getIncomingValue(i));
 717       if (!II) continue;
 718       if (II->getParent() != PN->getIncomingBlock(i))
 719         continue;
 720
 721       // If we have a phi, and if it's directly in the predecessor, then we have
 722       // a critical edge where we need to put the truncate.  Since we can't
 723       // split the edge in instcombine, we have to bail out.
 724       return nullptr;
 725     }
 726
 727     for (User *U : PN->users()) {
 728       Instruction *UserI = cast<Instruction>(U);
 729
 730       // If the user is a PHI, inspect its uses recursively.
 731       if (PHINode *UserPN = dyn_cast<PHINode>(UserI)) {
 732         if (PHIsInspected.insert(UserPN).second)
 733           PHIsToSlice.push_back(UserPN);
 734         continue;
 735       }
 736
 737       // Truncates are always ok.
 738       if (isa<TruncInst>(UserI)) {
 739         PHIUsers.push_back(PHIUsageRecord(PHIId, 0, UserI));
 740         continue;
 741       }
 742
 743       // Otherwise it must be a lshr which can only be used by one trunc.
 744       if (UserI->getOpcode() != Instruction::LShr ||
 745           !UserI->hasOneUse() || !isa<TruncInst>(UserI->user_back()) ||
 746           !isa<ConstantInt>(UserI->getOperand(1)))
 747         return nullptr;
 748
 749       unsigned Shift = cast<ConstantInt>(UserI->getOperand(1))->getZExtValue();
 750       PHIUsers.push_back(PHIUsageRecord(PHIId, Shift, UserI->user_back()));
 751     }
 752   }
 753
 754   // If we have no users, they must be all self uses, just nuke the PHI.
 755   if (PHIUsers.empty())
 756     return ReplaceInstUsesWith(FirstPhi, UndefValue::get(FirstPhi.getType()));
 757
 758   // If this phi node is transformable, create new PHIs for all the pieces
 759   // extracted out of it.  First, sort the users by their offset and size.
 760   array_pod_sort(PHIUsers.begin(), PHIUsers.end());
 761
 762   DEBUG(dbgs() << "SLICING UP PHI: " << FirstPhi << '\n';
 763         for (unsigned i = 1, e = PHIsToSlice.size(); i != e; ++i)
 764           dbgs() << "AND USER PHI #" << i << ": " << *PHIsToSlice[i] << '\n';
 765     );
 766
 767   // PredValues - This is a temporary used when rewriting PHI nodes.  It is
 768   // hoisted out here to avoid construction/destruction thrashing.
 769   DenseMap<BasicBlock*, Value*> PredValues;
 770
 771   // ExtractedVals - Each new PHI we introduce is saved here so we don't
 772   // introduce redundant PHIs.
 773   DenseMap<LoweredPHIRecord, PHINode*> ExtractedVals;
 774
 775   for (unsigned UserI = 0, UserE = PHIUsers.size(); UserI != UserE; ++UserI) {
 776     unsigned PHIId = PHIUsers[UserI].PHIId;
 777     PHINode *PN = PHIsToSlice[PHIId];
 778     unsigned Offset = PHIUsers[UserI].Shift;
 779     Type *Ty = PHIUsers[UserI].Inst->getType();
 780
 781     PHINode *EltPHI;
 782
 783     // If we've already lowered a user like this, reuse the previously lowered
 784     // value.
 785     if ((EltPHI = ExtractedVals[LoweredPHIRecord(PN, Offset, Ty)]) == nullptr) {
 786
 787       // Otherwise, Create the new PHI node for this user.
 788       EltPHI = PHINode::Create(Ty, PN->getNumIncomingValues(),
 789                                PN->getName()+".off"+Twine(Offset), PN);
 790       assert(EltPHI->getType() != PN->getType() &&
 791              "Truncate didn't shrink phi?");
 792
 793       for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 794         BasicBlock *Pred = PN->getIncomingBlock(i);
 795         Value *&PredVal = PredValues[Pred];
 796
 797         // If we already have a value for this predecessor, reuse it.
 798         if (PredVal) {
 799           EltPHI->addIncoming(PredVal, Pred);
 800           continue;
 801         }
 802
 803         // Handle the PHI self-reuse case.
 804         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
 805         if (InVal == PN) {
 806           PredVal = EltPHI;
 807           EltPHI->addIncoming(PredVal, Pred);
 808           continue;
 809         }
 810
 811         if (PHINode *InPHI = dyn_cast<PHINode>(PN)) {
 812           // If the incoming value was a PHI, and if it was one of the PHIs we
 813           // already rewrote it, just use the lowered value.
 814           if (Value *Res = ExtractedVals[LoweredPHIRecord(InPHI, Offset, Ty)]) {
 815             PredVal = Res;
 816             EltPHI->addIncoming(PredVal, Pred);
 817             continue;
 818           }
 819         }
 820
 821         // Otherwise, do an extract in the predecessor.
 822         Builder->SetInsertPoint(Pred, Pred->getTerminator());
 823         Value *Res = InVal;
 824         if (Offset)
 825           Res = Builder->CreateLShr(Res, ConstantInt::get(InVal->getType(),
 826                                                           Offset), "extract");
 827         Res = Builder->CreateTrunc(Res, Ty, "extract.t");
 828         PredVal = Res;
 829         EltPHI->addIncoming(Res, Pred);
 830
 831         // If the incoming value was a PHI, and if it was one of the PHIs we are
 832         // rewriting, we will ultimately delete the code we inserted.  This
 833         // means we need to revisit that PHI to make sure we extract out the
 834         // needed piece.
 835         if (PHINode *OldInVal = dyn_cast<PHINode>(PN->getIncomingValue(i)))
 836           if (PHIsInspected.count(OldInVal)) {
 837             unsigned RefPHIId = std::find(PHIsToSlice.begin(),PHIsToSlice.end(),
 838                                           OldInVal)-PHIsToSlice.begin();
 839             PHIUsers.push_back(PHIUsageRecord(RefPHIId, Offset,
 840                                               cast<Instruction>(Res)));
 841             ++UserE;
 842           }
 843       }
 844       PredValues.clear();
 845
 846       DEBUG(dbgs() << "  Made element PHI for offset " << Offset << ": "
 847                    << *EltPHI << '\n');
 848       ExtractedVals[LoweredPHIRecord(PN, Offset, Ty)] = EltPHI;
 849     }
 850
 851     // Replace the use of this piece with the PHI node.
 852     ReplaceInstUsesWith(*PHIUsers[UserI].Inst, EltPHI);
 853   }
 854
 855   // Replace all the remaining uses of the PHI nodes (self uses and the lshrs)
 856   // with undefs.
 857   Value *Undef = UndefValue::get(FirstPhi.getType());
 858   for (unsigned i = 1, e = PHIsToSlice.size(); i != e; ++i)
 859     ReplaceInstUsesWith(*PHIsToSlice[i], Undef);
 860   return ReplaceInstUsesWith(FirstPhi, Undef);
 861 }
 862
 863 // PHINode simplification
 864 //
 865 Instruction *InstCombiner::visitPHINode(PHINode &PN) {
 866   if (Value *V = SimplifyInstruction(&PN, DL, TLI, DT, AC))
 867     return ReplaceInstUsesWith(PN, V);
 868
 869   if (Instruction *Result = FoldPHIArgZextsIntoPHI(PN))
 870     return Result;
 871
 872   // If all PHI operands are the same operation, pull them through the PHI,
 873   // reducing code size.
 874   if (isa<Instruction>(PN.getIncomingValue(0)) &&
 875       isa<Instruction>(PN.getIncomingValue(1)) &&
 876       cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(0))->getOpcode() ==
 877       cast<Instruction>(PN.getIncomingValue(1))->getOpcode() &&
 878       // FIXME: The hasOneUse check will fail for PHIs that use the value more
 879       // than themselves more than once.
 880       PN.getIncomingValue(0)->hasOneUse())
 881     if (Instruction *Result = FoldPHIArgOpIntoPHI(PN))
 882       return Result;
 883
 884   // If this is a trivial cycle in the PHI node graph, remove it.  Basically, if
 885   // this PHI only has a single use (a PHI), and if that PHI only has one use (a
 886   // PHI)... break the cycle.
 887   if (PN.hasOneUse()) {
 888     Instruction *PHIUser = cast<Instruction>(PN.user_back());
 889     if (PHINode *PU = dyn_cast<PHINode>(PHIUser)) {
 890       SmallPtrSet<PHINode*, 16> PotentiallyDeadPHIs;
 891       PotentiallyDeadPHIs.insert(&PN);
 892       if (DeadPHICycle(PU, PotentiallyDeadPHIs))
 893         return ReplaceInstUsesWith(PN, UndefValue::get(PN.getType()));
 894     }
 895
 896     // If this phi has a single use, and if that use just computes a value for
 897     // the next iteration of a loop, delete the phi.  This occurs with unused
 898     // induction variables, e.g. "for (int j = 0; ; ++j);".  Detecting this
 899     // common case here is good because the only other things that catch this
 900     // are induction variable analysis (sometimes) and ADCE, which is only run
 901     // late.
 902     if (PHIUser->hasOneUse() &&
 903         (isa<BinaryOperator>(PHIUser) || isa<GetElementPtrInst>(PHIUser)) &&
 904         PHIUser->user_back() == &PN) {
 905       return ReplaceInstUsesWith(PN, UndefValue::get(PN.getType()));
 906     }
 907   }
 908
 909   // We sometimes end up with phi cycles that non-obviously end up being the
 910   // same value, for example:
 911   //   z = some value; x = phi (y, z); y = phi (x, z)
 912   // where the phi nodes don't necessarily need to be in the same block.  Do a
 913   // quick check to see if the PHI node only contains a single non-phi value, if
 914   // so, scan to see if the phi cycle is actually equal to that value.
 915   {
 916     unsigned InValNo = 0, NumIncomingVals = PN.getNumIncomingValues();
 917     // Scan for the first non-phi operand.
 918     while (InValNo != NumIncomingVals &&
 919            isa<PHINode>(PN.getIncomingValue(InValNo)))
 920       ++InValNo;
 921
 922     if (InValNo != NumIncomingVals) {
 923       Value *NonPhiInVal = PN.getIncomingValue(InValNo);
 924
 925       // Scan the rest of the operands to see if there are any conflicts, if so
 926       // there is no need to recursively scan other phis.
 927       for (++InValNo; InValNo != NumIncomingVals; ++InValNo) {
 928         Value *OpVal = PN.getIncomingValue(InValNo);
 929         if (OpVal != NonPhiInVal && !isa<PHINode>(OpVal))
 930           break;
 931       }
 932
 933       // If we scanned over all operands, then we have one unique value plus
 934       // phi values.  Scan PHI nodes to see if they all merge in each other or
 935       // the value.
 936       if (InValNo == NumIncomingVals) {
 937         SmallPtrSet<PHINode*, 16> ValueEqualPHIs;
 938         if (PHIsEqualValue(&PN, NonPhiInVal, ValueEqualPHIs))
 939           return ReplaceInstUsesWith(PN, NonPhiInVal);
 940       }
 941     }
 942   }
 943
 944   // If there are multiple PHIs, sort their operands so that they all list
 945   // the blocks in the same order. This will help identical PHIs be eliminated
 946   // by other passes. Other passes shouldn't depend on this for correctness
 947   // however.
 948   PHINode *FirstPN = cast<PHINode>(PN.getParent()->begin());
 949   if (&PN != FirstPN)
 950     for (unsigned i = 0, e = FirstPN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
 951       BasicBlock *BBA = PN.getIncomingBlock(i);
 952       BasicBlock *BBB = FirstPN->getIncomingBlock(i);
 953       if (BBA != BBB) {
 954         Value *VA = PN.getIncomingValue(i);
 955         unsigned j = PN.getBasicBlockIndex(BBB);
 956         Value *VB = PN.getIncomingValue(j);
 957         PN.setIncomingBlock(i, BBB);
 958         PN.setIncomingValue(i, VB);
 959         PN.setIncomingBlock(j, BBA);
 960         PN.setIncomingValue(j, VA);
 961         // NOTE: Instcombine normally would want us to "return &PN" if we
 962         // modified any of the operands of an instruction.  However, since we
 963         // aren't adding or removing uses (just rearranging them) we don't do
 964         // this in this case.
 965       }
 966     }
 967
 968   // If this is an integer PHI and we know that it has an illegal type, see if
 969   // it is only used by trunc or trunc(lshr) operations.  If so, we split the
 970   // PHI into the various pieces being extracted.  This sort of thing is
 971   // introduced when SROA promotes an aggregate to a single large integer type.
 972   if (PN.getType()->isIntegerTy() &&
 973       !DL.isLegalInteger(PN.getType()->getPrimitiveSizeInBits()))
 974     if (Instruction *Res = SliceUpIllegalIntegerPHI(PN))
 975       return Res;
 976
 977   return nullptr;
 978 }