InstCombine: Shrink ((zext X) & C1) == C2 to fold away the cast if the "zext" and...
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / IndVarSimplify.cpp
1 //===- IndVarSimplify.cpp - Induction Variable Elimination ----------------===//
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 transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into simpler forms suitable for subsequent
12 // analysis and transformation.
13 //
14 // This transformation makes the following changes to each loop with an
15 // identifiable induction variable:
16 //   1. All loops are transformed to have a SINGLE canonical induction variable
17 //      which starts at zero and steps by one.
18 //   2. The canonical induction variable is guaranteed to be the first PHI node
19 //      in the loop header block.
20 //   3. The canonical induction variable is guaranteed to be in a wide enough
21 //      type so that IV expressions need not be (directly) zero-extended or
22 //      sign-extended.
23 //   4. Any pointer arithmetic recurrences are raised to use array subscripts.
24 //
25 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
26 // changes:
27 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
28 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
29 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
30 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
31 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
32 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
33 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
34 //      expression, this transformation will make the loop dead.
35 //
36 // This transformation should be followed by strength reduction after all of the
37 // desired loop transformations have been performed.
38 //
39 //===----------------------------------------------------------------------===//
40
41 #define DEBUG_TYPE "indvars"
42 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
43 #include "llvm/BasicBlock.h"
44 #include "llvm/Constants.h"
45 #include "llvm/Instructions.h"
46 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
47 #include "llvm/LLVMContext.h"
48 #include "llvm/Type.h"
49 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
50 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
51 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
52 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
53 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
54 #include "llvm/Support/CFG.h"
55 #include "llvm/Support/Debug.h"
56 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
57 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
59 #include "llvm/Target/TargetData.h"
60 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
61 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
62 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
63 using namespace llvm;
64
65 STATISTIC(NumRemoved , "Number of aux indvars removed");
66 STATISTIC(NumWidened , "Number of indvars widened");
67 STATISTIC(NumInserted, "Number of canonical indvars added");
68 STATISTIC(NumReplaced, "Number of exit values replaced");
69 STATISTIC(NumLFTR    , "Number of loop exit tests replaced");
70 STATISTIC(NumElimExt , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
71 STATISTIC(NumElimRem , "Number of IV remainder operations eliminated");
72 STATISTIC(NumElimCmp , "Number of IV comparisons eliminated");
73
74 // DisableIVRewrite mode currently affects IVUsers, so is defined in libAnalysis
75 // and referenced here.
76 namespace llvm {
77   extern bool DisableIVRewrite;
78 }
79
80 namespace {
81   class IndVarSimplify : public LoopPass {
82     IVUsers         *IU;
83     LoopInfo        *LI;
84     ScalarEvolution *SE;
85     DominatorTree   *DT;
86     TargetData      *TD;
87     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
88     bool Changed;
89   public:
90
91     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
92     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), IU(0), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0) {
93       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
94     }
95
96     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
97
98     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
99       AU.addRequired<DominatorTree>();
100       AU.addRequired<LoopInfo>();
101       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
102       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
103       AU.addRequiredID(LCSSAID);
104       AU.addRequired<IVUsers>();
105       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
106       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
107       AU.addPreservedID(LCSSAID);
108       AU.addPreserved<IVUsers>();
109       AU.setPreservesCFG();
110     }
111
112   private:
113     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
114
115     void SimplifyIVUsers(SCEVExpander &Rewriter);
116     void EliminateIVComparison(ICmpInst *ICmp, Value *IVOperand);
117     void EliminateIVRemainder(BinaryOperator *Rem,
118                               Value *IVOperand,
119                               bool IsSigned,
120                               PHINode *IVPhi);
121     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
122
123     ICmpInst *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
124                                         PHINode *IndVar,
125                                         SCEVExpander &Rewriter);
126
127     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
128
129     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
130
131     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
132
133     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
134   };
135 }
136
137 char IndVarSimplify::ID = 0;
138 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
139                 "Induction Variable Simplification", false, false)
140 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
141 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
142 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
143 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
144 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
145 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
146 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
147                 "Induction Variable Simplification", false, false)
148
149 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
150   return new IndVarSimplify();
151 }
152
153 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
154 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
155 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
156 /// Ideally, this function will only be called for verification.
157 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
158   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
159   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
160   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
161   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
162   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
163   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
164   // bail out here.
165   //
166   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
167   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
168   Value *FromPtr = FromVal;
169   Value *ToPtr = ToVal;
170   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
171     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
172   }
173   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
174     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
175   }
176   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
177     // Quickly check the common case
178     if (FromPtr == ToPtr)
179       return true;
180
181     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
182     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
183     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
184     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
185     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
186     // indexed by an integer recurrence.
187     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
188     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
189     if (FromBase == ToBase)
190       return true;
191
192     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
193           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
194
195     return false;
196   }
197   return true;
198 }
199
200 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
201 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
202 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
203 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
204   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
205   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
206       BackedgeTakenCount->isZero())
207     return false;
208
209   if (!L->getExitingBlock())
210     return false;
211
212   // Can't rewrite non-branch yet.
213   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
214   if (!BI)
215     return false;
216
217   // Special case: If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a
218   // UDiv that ScalarEvolution produced in order to compute a precise
219   // expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't find a
220   // UDiv in the code with some simple searching, assume the former and forego
221   // rewriting the loop.
222   if (isa<SCEVUDivExpr>(BackedgeTakenCount)) {
223     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
224     if (!OrigCond) return false;
225     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
226     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
227     if (R != BackedgeTakenCount) {
228       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
229       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
230       if (L != BackedgeTakenCount)
231         return false;
232     }
233   }
234   return true;
235 }
236
237 /// getBackedgeIVType - Get the widest type used by the loop test after peeking
238 /// through Truncs.
239 ///
240 /// TODO: Unnecessary once LinearFunctionTestReplace is removed.
241 static const Type *getBackedgeIVType(Loop *L) {
242   if (!L->getExitingBlock())
243     return 0;
244
245   // Can't rewrite non-branch yet.
246   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
247   if (!BI)
248     return 0;
249
250   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
251   if (!Cond)
252     return 0;
253
254   const Type *Ty = 0;
255   for(User::op_iterator OI = Cond->op_begin(), OE = Cond->op_end();
256       OI != OE; ++OI) {
257     assert((!Ty || Ty == (*OI)->getType()) && "bad icmp operand types");
258     TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(*OI);
259     if (!Trunc)
260       continue;
261
262     return Trunc->getSrcTy();
263   }
264   return Ty;
265 }
266
267 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
268 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
269 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
270 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
271 /// is actually a much broader range than just linear tests.
272 ICmpInst *IndVarSimplify::
273 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
274                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
275                           PHINode *IndVar,
276                           SCEVExpander &Rewriter) {
277   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
278   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
279
280   // If the exiting block is not the same as the backedge block, we must compare
281   // against the preincremented value, otherwise we prefer to compare against
282   // the post-incremented value.
283   Value *CmpIndVar;
284   const SCEV *RHS = BackedgeTakenCount;
285   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
286     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
287     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
288     // cast the induction variable before doing the add.
289     const SCEV *Zero = SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 0);
290     const SCEV *N =
291       SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
292                      SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
293     if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
294         SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
295       // No overflow. Cast the sum.
296       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, IndVar->getType());
297     } else {
298       // Potential overflow. Cast before doing the add.
299       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
300                                         IndVar->getType());
301       RHS = SE->getAddExpr(RHS,
302                            SE->getConstant(IndVar->getType(), 1));
303     }
304
305     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
306     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
307     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
308     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
309   } else {
310     // We have to use the preincremented value...
311     RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
312                                       IndVar->getType());
313     CmpIndVar = IndVar;
314   }
315
316   // Expand the code for the iteration count.
317   assert(SE->isLoopInvariant(RHS, L) &&
318          "Computed iteration count is not loop invariant!");
319   Value *ExitCnt = Rewriter.expandCodeFor(RHS, IndVar->getType(), BI);
320
321   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
322   ICmpInst::Predicate Opcode;
323   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
324     Opcode = ICmpInst::ICMP_NE;
325   else
326     Opcode = ICmpInst::ICMP_EQ;
327
328   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
329                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
330                << "       op:\t"
331                << (Opcode == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
332                << "      RHS:\t" << *RHS << "\n");
333
334   ICmpInst *Cond = new ICmpInst(BI, Opcode, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
335
336   Value *OrigCond = BI->getCondition();
337   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
338   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
339   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
340   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
341   // will make old comparison dead.
342   BI->setCondition(Cond);
343   DeadInsts.push_back(OrigCond);
344
345   ++NumLFTR;
346   Changed = true;
347   return Cond;
348 }
349
350 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
351 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
352 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
353 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
354 /// the loop that use the final values of the current expressions.
355 ///
356 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
357 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
358 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
359 /// constant operands at the beginning of the loop.
360 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
361   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
362   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
363
364   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
365   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
366
367   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
368   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
369   // the exit blocks of the loop to find them.
370   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
371     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
372
373     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
374     // inside the loop are used on this path, skip it.
375     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
376     if (!PN) continue;
377
378     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
379
380     // Iterate over all of the PHI nodes.
381     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
382     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
383       if (PN->use_empty())
384         continue; // dead use, don't replace it
385
386       // SCEV only supports integer expressions for now.
387       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
388         continue;
389
390       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
391       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
392       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
393       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
394       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
395       SE->forgetValue(PN);
396
397       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
398       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
399         // If the value being merged in is not integer or is not defined
400         // in the loop, skip it.
401         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
402         if (!isa<Instruction>(InVal))
403           continue;
404
405         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
406         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
407           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
408
409         // Check that InVal is defined in the loop.
410         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
411         if (!L->contains(Inst))
412           continue;
413
414         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
415         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
416         // contains when the loop exits, if possible.
417         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
418         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
419           continue;
420
421         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
422
423         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
424                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
425
426         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
427           DeadInsts.push_back(ExitVal);
428           continue;
429         }
430         Changed = true;
431         ++NumReplaced;
432
433         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
434
435         // If this instruction is dead now, delete it.
436         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
437
438         if (NumPreds == 1) {
439           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
440           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
441           // node anymore.
442           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
443           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
444         }
445       }
446       if (NumPreds != 1) {
447         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
448         // any other maps purge the original user from their records.
449         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
450         NewPN->takeName(PN);
451         NewPN->insertBefore(PN);
452         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
453         PN->eraseFromParent();
454       }
455     }
456   }
457
458   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
459   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
460   Rewriter.clearInsertPoint();
461 }
462
463 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
464   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
465   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
466   // the SCEV routines.
467   //
468   BasicBlock *Header = L->getHeader();
469
470   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
471   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
472        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
473     PHIs.push_back(PN);
474
475   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
476     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
477       HandleFloatingPointIV(L, PN);
478
479   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
480   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
481   // re-writing, the trip count may be computable.
482   if (Changed)
483     SE->forgetLoop(L);
484 }
485
486 namespace {
487   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
488   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
489   // provides the input to WidenIV.
490   struct WideIVInfo {
491     const Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
492     bool IsSigned;                // Was an sext user seen before a zext?
493
494     WideIVInfo() : WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
495   };
496   typedef std::map<PHINode *, WideIVInfo> WideIVMap;
497 }
498
499 /// CollectExtend - Update information about the induction variable that is
500 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
501 /// the final width of the IV before actually widening it.
502 static void CollectExtend(CastInst *Cast, PHINode *Phi, bool IsSigned,
503                           WideIVMap &IVMap, ScalarEvolution *SE,
504                           const TargetData *TD) {
505   const Type *Ty = Cast->getType();
506   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
507   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
508     return;
509
510   WideIVInfo &IVInfo = IVMap[Phi];
511   if (!IVInfo.WidestNativeType) {
512     IVInfo.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
513     IVInfo.IsSigned = IsSigned;
514     return;
515   }
516
517   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
518   if (IVInfo.IsSigned != IsSigned)
519     return;
520
521   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(IVInfo.WidestNativeType))
522     IVInfo.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
523 }
524
525 namespace {
526 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
527 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
528 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
529 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
530 ///
531 class WidenIV {
532   PHINode *OrigPhi;
533   const Type *WideType;
534   bool IsSigned;
535
536   IVUsers *IU;
537   LoopInfo *LI;
538   Loop *L;
539   ScalarEvolution *SE;
540   DominatorTree *DT;
541   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
542
543   PHINode *WidePhi;
544   Instruction *WideInc;
545   const SCEV *WideIncExpr;
546
547   SmallPtrSet<Instruction*,16> Processed;
548
549 public:
550   WidenIV(PHINode *PN, const WideIVInfo &IVInfo, IVUsers *IUsers,
551           LoopInfo *LInfo, ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
552           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
553     OrigPhi(PN),
554     WideType(IVInfo.WidestNativeType),
555     IsSigned(IVInfo.IsSigned),
556     IU(IUsers),
557     LI(LInfo),
558     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
559     SE(SEv),
560     DT(DTree),
561     DeadInsts(DI),
562     WidePhi(0),
563     WideInc(0),
564     WideIncExpr(0) {
565     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
566   }
567
568   bool CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
569
570 protected:
571   Instruction *CloneIVUser(Instruction *NarrowUse,
572                            Instruction *NarrowDef,
573                            Instruction *WideDef);
574
575   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
576
577   Instruction *WidenIVUse(Instruction *NarrowUse,
578                           Instruction *NarrowDef,
579                           Instruction *WideDef);
580 };
581 } // anonymous namespace
582
583 /// SimplifyIVUsers - Iteratively perform simplification on IVUsers within this
584 /// loop. IVUsers is treated as a worklist. Each successive simplification may
585 /// push more users which may themselves be candidates for simplification.
586 ///
587 void IndVarSimplify::SimplifyIVUsers(SCEVExpander &Rewriter) {
588   WideIVMap IVMap;
589
590   // Each round of simplification involves a round of eliminating operations
591   // followed by a round of widening IVs. A single IVUsers worklist is used
592   // across all rounds. The inner loop advances the user. If widening exposes
593   // more uses, then another pass through the outer loop is triggered.
594   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E;) {
595     for(; I != E; ++I) {
596       Instruction *UseInst = I->getUser();
597       Value *IVOperand = I->getOperandValToReplace();
598
599       if (DisableIVRewrite) {
600         if (CastInst *Cast = dyn_cast<CastInst>(UseInst)) {
601           bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
602           if (IsSigned || Cast->getOpcode() == Instruction::ZExt) {
603             CollectExtend(Cast, I->getPhi(), IsSigned, IVMap, SE, TD);
604             continue;
605           }
606         }
607       }
608       if (ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UseInst)) {
609         EliminateIVComparison(ICmp, IVOperand);
610         continue;
611       }
612       if (BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UseInst)) {
613         bool IsSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
614         if (IsSigned || Rem->getOpcode() == Instruction::URem) {
615           EliminateIVRemainder(Rem, IVOperand, IsSigned, I->getPhi());
616           continue;
617         }
618       }
619     }
620     for (WideIVMap::const_iterator I = IVMap.begin(), E = IVMap.end();
621          I != E; ++I) {
622       WidenIV Widener(I->first, I->second, IU, LI, SE, DT, DeadInsts);
623       if (Widener.CreateWideIV(Rewriter))
624         Changed = true;
625     }
626   }
627 }
628
629 static Value *getExtend( Value *NarrowOper, const Type *WideType,
630                                bool IsSigned, IRBuilder<> &Builder) {
631   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
632                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
633 }
634
635 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
636 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
637 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
638 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(Instruction *NarrowUse,
639                                   Instruction *NarrowDef,
640                                   Instruction *WideDef) {
641   unsigned Opcode = NarrowUse->getOpcode();
642   switch (Opcode) {
643   default:
644     return 0;
645   case Instruction::Add:
646   case Instruction::Mul:
647   case Instruction::UDiv:
648   case Instruction::Sub:
649   case Instruction::And:
650   case Instruction::Or:
651   case Instruction::Xor:
652   case Instruction::Shl:
653   case Instruction::LShr:
654   case Instruction::AShr:
655     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *NarrowUse << "\n");
656
657     IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
658
659     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
660     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
661     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
662     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
663     // WidenIVUse.
664     Value *LHS = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef) ? WideDef :
665       getExtend(NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, Builder);
666     Value *RHS = (NarrowUse->getOperand(1) == NarrowDef) ? WideDef :
667       getExtend(NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, Builder);
668
669     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(NarrowUse);
670     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
671                                                     LHS, RHS,
672                                                     NarrowBO->getName());
673     Builder.Insert(WideBO);
674     if (NarrowBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
675     if (NarrowBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
676
677     return WideBO;
678   }
679   llvm_unreachable(0);
680 }
681
682 // GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from IVUsers'
683 // perspective after widening it's type? In other words, can the extend be
684 // safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a recurrence
685 // on the same loop. If so, return the sign or zero extended
686 // recurrence. Otherwise return NULL.
687 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
688   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
689     return 0;
690
691   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
692   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
693     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
694     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
695   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
696   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
697     return 0;
698
699   return AddRec;
700 }
701
702 /// HoistStep - Attempt to hoist an IV increment above a potential use.
703 ///
704 /// To successfully hoist, two criteria must be met:
705 /// - IncV operands dominate InsertPos and
706 /// - InsertPos dominates IncV
707 ///
708 /// Meeting the second condition means that we don't need to check all of IncV's
709 /// existing uses (it's moving up in the domtree).
710 ///
711 /// This does not yet recursively hoist the operands, although that would
712 /// not be difficult.
713 static bool HoistStep(Instruction *IncV, Instruction *InsertPos,
714                       const DominatorTree *DT)
715 {
716   if (DT->dominates(IncV, InsertPos))
717     return true;
718
719   if (!DT->dominates(InsertPos->getParent(), IncV->getParent()))
720     return false;
721
722   if (IncV->mayHaveSideEffects())
723     return false;
724
725   // Attempt to hoist IncV
726   for (User::op_iterator OI = IncV->op_begin(), OE = IncV->op_end();
727        OI != OE; ++OI) {
728     Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(OI);
729     if (OInst && !DT->dominates(OInst, InsertPos))
730       return false;
731   }
732   IncV->moveBefore(InsertPos);
733   return true;
734 }
735
736 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
737 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
738 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(Instruction *NarrowUse,
739                                  Instruction *NarrowDef,
740                                  Instruction *WideDef) {
741   // To be consistent with IVUsers, stop traversing the def-use chain at
742   // inner-loop phis or post-loop phis.
743   if (isa<PHINode>(NarrowUse) && LI->getLoopFor(NarrowUse->getParent()) != L)
744     return 0;
745
746   // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
747   if (!Processed.insert(NarrowUse))
748     return 0;
749
750   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
751   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(NarrowUse) : isa<ZExtInst>(NarrowUse)) {
752     Value *NewDef = WideDef;
753     if (NarrowUse->getType() != WideType) {
754       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(NarrowUse->getType());
755       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
756       if (CastWidth < IVWidth) {
757         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
758         IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
759         NewDef = Builder.CreateTrunc(WideDef, NarrowUse->getType());
760       }
761       else {
762         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
763         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
764         // dead. It should be very rare.
765         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
766               << " not wide enough to subsume " << *NarrowUse << "\n");
767         NarrowUse->replaceUsesOfWith(NarrowDef, WideDef);
768         NewDef = NarrowUse;
769       }
770     }
771     if (NewDef != NarrowUse) {
772       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *NarrowUse
773             << " replaced by " << *WideDef << "\n");
774       ++NumElimExt;
775       NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
776       DeadInsts.push_back(NarrowUse);
777     }
778     // Now that the extend is gone, expose it's uses to IVUsers for potential
779     // further simplification within SimplifyIVUsers.
780     IU->AddUsersIfInteresting(WideDef, WidePhi);
781
782     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
783     return 0;
784   }
785   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(NarrowUse);
786   if (!WideAddRec) {
787     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
788     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
789     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
790     IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
791     Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WideDef, NarrowDef->getType());
792     NarrowUse->replaceUsesOfWith(NarrowDef, Trunc);
793     return 0;
794   }
795   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
796   // NarrowUse.
797   Instruction *WideUse = 0;
798   if (WideAddRec == WideIncExpr && HoistStep(WideInc, NarrowUse, DT)) {
799     WideUse = WideInc;
800   }
801   else {
802     WideUse = CloneIVUser(NarrowUse, NarrowDef, WideDef);
803     if (!WideUse)
804       return 0;
805   }
806   // GetWideRecurrence ensured that the narrow expression could be extended
807   // outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
808   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
809   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
810   // where it fails, we simple throw away the newly created wide use.
811   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
812     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
813           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
814     DeadInsts.push_back(WideUse);
815     return 0;
816   }
817
818   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
819   return WideUse;
820 }
821
822 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
823 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
824 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
825 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse as processed all
826 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
827 /// DeleteDeadPHIs.
828 ///
829 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
830 /// invalidating SCEV expressions.
831 ///
832 bool WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
833   // Is this phi an induction variable?
834   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
835   if (!AddRec)
836     return false;
837
838   // Widen the induction variable expression.
839   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
840     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
841     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
842
843   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
844          "Expect the new IV expression to preserve its type");
845
846   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
847   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
848   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
849     return false;
850
851   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec it
852   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
853   // operands, so they must dominate the loop header.
854   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
855          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
856          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
857
858   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
859   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
860   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
861   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
862   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
863   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
864
865   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
866   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
867   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
868   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
869   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
870     WideInc =
871       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
872     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
873   }
874
875   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
876   ++NumWidened;
877
878   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
879   assert(Processed.empty() && "expect initial state" );
880
881   // Each worklist entry has a Narrow def-use link and Wide def.
882   SmallVector<std::pair<Use *, Instruction *>, 8> NarrowIVUsers;
883   for (Value::use_iterator UI = OrigPhi->use_begin(),
884          UE = OrigPhi->use_end(); UI != UE; ++UI) {
885     NarrowIVUsers.push_back(std::make_pair(&UI.getUse(), WidePhi));
886   }
887   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
888     Use *NarrowDefUse;
889     Instruction *WideDef;
890     tie(NarrowDefUse, WideDef) = NarrowIVUsers.pop_back_val();
891
892     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
893     // use_iterator across it.
894     Instruction *NarrowDef = cast<Instruction>(NarrowDefUse->get());
895     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(NarrowDefUse->getUser());
896     Instruction *WideUse = WidenIVUse(NarrowUse, NarrowDef, WideDef);
897
898     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
899     if (WideUse) {
900       for (Value::use_iterator UI = NarrowUse->use_begin(),
901              UE = NarrowUse->use_end(); UI != UE; ++UI) {
902         NarrowIVUsers.push_back(std::make_pair(&UI.getUse(), WideUse));
903       }
904     }
905     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
906     if (NarrowDef->use_empty())
907       DeadInsts.push_back(NarrowDef);
908   }
909   return true;
910 }
911
912 void IndVarSimplify::EliminateIVComparison(ICmpInst *ICmp, Value *IVOperand) {
913   unsigned IVOperIdx = 0;
914   ICmpInst::Predicate Pred = ICmp->getPredicate();
915   if (IVOperand != ICmp->getOperand(0)) {
916     // Swapped
917     assert(IVOperand == ICmp->getOperand(1) && "Can't find IVOperand");
918     IVOperIdx = 1;
919     Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
920   }
921
922   // Get the SCEVs for the ICmp operands.
923   const SCEV *S = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(IVOperIdx));
924   const SCEV *X = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(1 - IVOperIdx));
925
926   // Simplify unnecessary loops away.
927   const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(ICmp->getParent());
928   S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
929   X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
930
931   // If the condition is always true or always false, replace it with
932   // a constant value.
933   if (SE->isKnownPredicate(Pred, S, X))
934     ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getTrue(ICmp->getContext()));
935   else if (SE->isKnownPredicate(ICmpInst::getInversePredicate(Pred), S, X))
936     ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getFalse(ICmp->getContext()));
937   else
938     return;
939
940   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated comparison: " << *ICmp << '\n');
941   ++NumElimCmp;
942   Changed = true;
943   DeadInsts.push_back(ICmp);
944 }
945
946 void IndVarSimplify::EliminateIVRemainder(BinaryOperator *Rem,
947                                           Value *IVOperand,
948                                           bool IsSigned,
949                                           PHINode *IVPhi) {
950   // We're only interested in the case where we know something about
951   // the numerator.
952   if (IVOperand != Rem->getOperand(0))
953     return;
954
955   // Get the SCEVs for the ICmp operands.
956   const SCEV *S = SE->getSCEV(Rem->getOperand(0));
957   const SCEV *X = SE->getSCEV(Rem->getOperand(1));
958
959   // Simplify unnecessary loops away.
960   const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(Rem->getParent());
961   S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
962   X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
963
964   // i % n  -->  i  if i is in [0,n).
965   if ((!IsSigned || SE->isKnownNonNegative(S)) &&
966       SE->isKnownPredicate(IsSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
967                            S, X))
968     Rem->replaceAllUsesWith(Rem->getOperand(0));
969   else {
970     // (i+1) % n  -->  (i+1)==n?0:(i+1)  if i is in [0,n).
971     const SCEV *LessOne =
972       SE->getMinusSCEV(S, SE->getConstant(S->getType(), 1));
973     if (IsSigned && !SE->isKnownNonNegative(LessOne))
974       return;
975
976     if (!SE->isKnownPredicate(IsSigned ?
977                               ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
978                               LessOne, X))
979       return;
980
981     ICmpInst *ICmp = new ICmpInst(Rem, ICmpInst::ICMP_EQ,
982                                   Rem->getOperand(0), Rem->getOperand(1),
983                                   "tmp");
984     SelectInst *Sel =
985       SelectInst::Create(ICmp,
986                          ConstantInt::get(Rem->getType(), 0),
987                          Rem->getOperand(0), "tmp", Rem);
988     Rem->replaceAllUsesWith(Sel);
989   }
990
991   // Inform IVUsers about the new users.
992   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Rem->getOperand(0)))
993     IU->AddUsersIfInteresting(I, IVPhi);
994
995   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Simplified rem: " << *Rem << '\n');
996   ++NumElimRem;
997   Changed = true;
998   DeadInsts.push_back(Rem);
999 }
1000
1001 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1002   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1003   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1004   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1005   //    afterwards.
1006   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1007   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1008   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1009   //    we've manually inserted one.
1010   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1011     return false;
1012
1013   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
1014   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1015   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1016   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1017   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1018
1019   DeadInsts.clear();
1020   Changed = false;
1021
1022   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1023   // transform them to use integer recurrences.
1024   RewriteNonIntegerIVs(L);
1025
1026   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1027
1028   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1029   SCEVExpander Rewriter(*SE);
1030   if (DisableIVRewrite)
1031     Rewriter.disableCanonicalMode();
1032
1033   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1034   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1035   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1036   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1037   // the current expressions.
1038   //
1039   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1040     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1041
1042   // Eliminate redundant IV users.
1043   SimplifyIVUsers(Rewriter);
1044
1045   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
1046   // a canonical induction variable should be inserted.
1047   const Type *LargestType = 0;
1048   bool NeedCannIV = false;
1049   bool ExpandBECount = canExpandBackedgeTakenCount(L, SE);
1050   if (ExpandBECount) {
1051     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
1052     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
1053     // canonical induction variable.
1054     NeedCannIV = true;
1055     const Type *Ty = BackedgeTakenCount->getType();
1056     if (DisableIVRewrite) {
1057       // In this mode, SimplifyIVUsers may have already widened the IV used by
1058       // the backedge test and inserted a Trunc on the compare's operand. Get
1059       // the wider type to avoid creating a redundant narrow IV only used by the
1060       // loop test.
1061       LargestType = getBackedgeIVType(L);
1062     }
1063     if (!LargestType ||
1064         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1065         SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1066       LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
1067   }
1068   if (!DisableIVRewrite) {
1069     for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
1070       NeedCannIV = true;
1071       const Type *Ty =
1072         SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
1073       if (!LargestType ||
1074           SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1075           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1076         LargestType = Ty;
1077     }
1078   }
1079
1080   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
1081   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
1082   PHINode *IndVar = 0;
1083   if (NeedCannIV) {
1084     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
1085     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
1086     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
1087     // doesn't attempt to reuse them.
1088     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
1089     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
1090       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
1091           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1092         OldCannIV->removeFromParent();
1093       else
1094         break;
1095       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
1096     }
1097
1098     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
1099
1100     ++NumInserted;
1101     Changed = true;
1102     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
1103
1104     // Now that the official induction variable is established, reinsert
1105     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
1106     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
1107     // the end of the pass.
1108     while (!OldCannIVs.empty()) {
1109       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
1110       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstNonPHI());
1111     }
1112   }
1113
1114   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1115   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1116   ICmpInst *NewICmp = 0;
1117   if (ExpandBECount) {
1118     assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) &&
1119            "canonical IV disrupted BackedgeTaken expansion");
1120     assert(NeedCannIV &&
1121            "LinearFunctionTestReplace requires a canonical induction variable");
1122     NewICmp = LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1123                                         Rewriter);
1124   }
1125   // Rewrite IV-derived expressions.
1126   if (!DisableIVRewrite)
1127     RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
1128
1129   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1130   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1131   // trigger.
1132   Rewriter.clear();
1133
1134   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1135   // which are now dead.
1136   while (!DeadInsts.empty())
1137     if (Instruction *Inst =
1138           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1139       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
1140
1141   // The Rewriter may not be used from this point on.
1142
1143   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1144   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1145   SinkUnusedInvariants(L);
1146
1147   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
1148   // loop exit test instruction.
1149   if (NewICmp)
1150     IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmp->getOperand(0)),
1151                               IndVar);
1152
1153   // Clean up dead instructions.
1154   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
1155   // Check a post-condition.
1156   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1157   return Changed;
1158 }
1159
1160 // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
1161 // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
1162 // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
1163 // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
1164 // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
1165 // it can be expanded to a trivial value.
1166 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1167   // Loop-invariant values are safe.
1168   if (SE->isLoopInvariant(S, L)) return true;
1169
1170   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
1171   // to transform them into efficient code.
1172   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
1173     return AR->isAffine();
1174
1175   // An add is safe it all its operands are safe.
1176   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
1177     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
1178          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
1179       if (!isSafe(*I, L, SE)) return false;
1180     return true;
1181   }
1182
1183   // A cast is safe if its operand is.
1184   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
1185     return isSafe(C->getOperand(), L, SE);
1186
1187   // A udiv is safe if its operands are.
1188   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
1189     return isSafe(UD->getLHS(), L, SE) &&
1190            isSafe(UD->getRHS(), L, SE);
1191
1192   // SCEVUnknown is always safe.
1193   if (isa<SCEVUnknown>(S))
1194     return true;
1195
1196   // Nothing else is safe.
1197   return false;
1198 }
1199
1200 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
1201   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
1202   // induction variable.
1203   //
1204   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
1205   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
1206   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
1207   // of different sizes.
1208   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
1209     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
1210     const Type *UseTy = Op->getType();
1211     Instruction *User = UI->getUser();
1212
1213     // Compute the final addrec to expand into code.
1214     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
1215
1216     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
1217     if (!L->contains(UI->getUser())) {
1218       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
1219       if (SE->isLoopInvariant(ExitVal, L))
1220         AR = ExitVal;
1221     }
1222
1223     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
1224     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
1225     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
1226     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
1227     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
1228     // it can be expanded to a trivial value.
1229     if (!isSafe(AR, L, SE))
1230       continue;
1231
1232     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
1233     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
1234     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
1235     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
1236     // incoming blocks.
1237     Instruction *InsertPt = User;
1238     if (PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(InsertPt))
1239       for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
1240         if (PHI->getIncomingValue(i) == Op) {
1241           if (InsertPt == User)
1242             InsertPt = PHI->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
1243           else
1244             InsertPt =
1245               DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(),
1246                                              PHI->getIncomingBlock(i))
1247                     ->getTerminator();
1248         }
1249
1250     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
1251     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
1252
1253     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
1254                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
1255
1256     if (!isValidRewrite(Op, NewVal)) {
1257       DeadInsts.push_back(NewVal);
1258       continue;
1259     }
1260     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
1261     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
1262     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
1263     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
1264     // deleted.
1265     SE->forgetValue(User);
1266
1267     // Patch the new value into place.
1268     if (Op->hasName())
1269       NewVal->takeName(Op);
1270     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
1271     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
1272
1273     ++NumRemoved;
1274     Changed = true;
1275
1276     // The old value may be dead now.
1277     DeadInsts.push_back(Op);
1278   }
1279 }
1280
1281 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1282 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1283 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1284 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1285   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1286   if (!ExitBlock) return;
1287
1288   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1289   if (!Preheader) return;
1290
1291   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
1292   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1293   while (I != Preheader->begin()) {
1294     --I;
1295     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1296     if (isa<PHINode>(I))
1297       break;
1298
1299     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1300     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1301     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1302     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1303     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1304     // block.
1305     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1306       continue;
1307
1308     // Skip debug info intrinsics.
1309     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1310       continue;
1311
1312     // Don't sink static AllocaInsts out of the entry block, which would
1313     // turn them into dynamic allocas!
1314     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
1315       if (AI->isStaticAlloca())
1316         continue;
1317
1318     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1319     // otherwise).
1320     bool UsedInLoop = false;
1321     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1322          UI != UE; ++UI) {
1323       User *U = *UI;
1324       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1325       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1326         unsigned i =
1327           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1328         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1329       }
1330       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1331         UsedInLoop = true;
1332         break;
1333       }
1334     }
1335
1336     // If there is, the def must remain in the preheader.
1337     if (UsedInLoop)
1338       continue;
1339
1340     // Otherwise, sink it to the exit block.
1341     Instruction *ToMove = I;
1342     bool Done = false;
1343
1344     if (I != Preheader->begin()) {
1345       // Skip debug info intrinsics.
1346       do {
1347         --I;
1348       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1349
1350       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1351         Done = true;
1352     } else {
1353       Done = true;
1354     }
1355
1356     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1357     if (Done) break;
1358     InsertPt = ToMove;
1359   }
1360 }
1361
1362 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
1363 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
1364   bool isExact = false;
1365   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
1366     return false;
1367   // See if we can convert this to an int64_t
1368   uint64_t UIntVal;
1369   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
1370                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
1371     return false;
1372   IntVal = UIntVal;
1373   return true;
1374 }
1375
1376 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
1377 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
1378 /// For example,
1379 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
1380 ///   bar(i)
1381 /// is converted into
1382 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
1383 ///   bar((double)i);
1384 ///
1385 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
1386   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1387   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1388
1389   // Check incoming value.
1390   ConstantFP *InitValueVal =
1391     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1392
1393   int64_t InitValue;
1394   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
1395     return;
1396
1397   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
1398   // an add or increment value can not be represented by an integer.
1399   BinaryOperator *Incr =
1400     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1401   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
1402
1403   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
1404   // is not an integer, bail out.
1405   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
1406   int64_t IncValue;
1407   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
1408       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
1409     return;
1410
1411   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
1412   // used by the conditional terminator.
1413   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
1414   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
1415   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
1416   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
1417   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
1418
1419   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
1420   // only used by a branch, we can't transform it.
1421   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
1422   if (!Compare)
1423     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
1424   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
1425       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
1426     return;
1427
1428   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
1429
1430   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
1431   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
1432   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
1433   // of the loop.
1434   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
1435   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
1436       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
1437        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
1438     return;
1439
1440
1441   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
1442   // transform it.
1443   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
1444   int64_t ExitValue;
1445   if (ExitValueVal == 0 ||
1446       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
1447     return;
1448
1449   // Find new predicate for integer comparison.
1450   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
1451   switch (Compare->getPredicate()) {
1452   default: return;  // Unknown comparison.
1453   case CmpInst::FCMP_OEQ:
1454   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
1455   case CmpInst::FCMP_ONE:
1456   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
1457   case CmpInst::FCMP_OGT:
1458   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
1459   case CmpInst::FCMP_OGE:
1460   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
1461   case CmpInst::FCMP_OLT:
1462   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
1463   case CmpInst::FCMP_OLE:
1464   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
1465   }
1466
1467   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
1468   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
1469   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
1470   // now.
1471   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
1472
1473   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
1474   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
1475     return;
1476
1477   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
1478   if (IncValue == 0)
1479     return;
1480
1481   // Positive and negative strides have different safety conditions.
1482   if (IncValue > 0) {
1483     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
1484     // exit value and an equality or less than comparison.
1485     if (InitValue >= ExitValue ||
1486         NewPred == CmpInst::ICMP_SGT || NewPred == CmpInst::ICMP_SGE)
1487       return;
1488
1489     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
1490     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE) {
1491       // Normalize SLE -> SLT, check for infinite loop.
1492       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
1493     }
1494
1495     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
1496
1497     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
1498     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
1499     // around and do things the fp IV wouldn't.
1500     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
1501         Leftover != 0)
1502       return;
1503
1504     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
1505     // transform the IV.
1506     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
1507       return;
1508
1509   } else {
1510     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
1511     // exit value and an equality or greater than comparison.
1512     if (InitValue >= ExitValue ||
1513         NewPred == CmpInst::ICMP_SLT || NewPred == CmpInst::ICMP_SLE)
1514       return;
1515
1516     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
1517     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE) {
1518       // Normalize SGE -> SGT, check for infinite loop.
1519       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
1520     }
1521
1522     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
1523
1524     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
1525     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
1526     // around and do things the fp IV wouldn't.
1527     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
1528         Leftover != 0)
1529       return;
1530
1531     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
1532     // transform the IV.
1533     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
1534       return;
1535   }
1536
1537   const IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
1538
1539   // Insert new integer induction variable.
1540   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
1541   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
1542                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
1543
1544   Value *NewAdd =
1545     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
1546                               Incr->getName()+".int", Incr);
1547   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
1548
1549   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
1550                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
1551                                       Compare->getName());
1552
1553   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
1554   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
1555   WeakVH WeakPH = PN;
1556
1557   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
1558   // new comparison.
1559   NewCompare->takeName(Compare);
1560   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
1561   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
1562
1563   // Delete the old floating point increment.
1564   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
1565   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
1566
1567   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
1568   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
1569   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
1570   // int->fp cast.
1571   //
1572   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
1573   // platforms.
1574   if (WeakPH) {
1575     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
1576                                  PN->getParent()->getFirstNonPHI());
1577     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
1578     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
1579   }
1580
1581   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
1582   IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI, NewPHI);
1583 }