067dd51680be42f31e936798a5c80dd769848867
[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 // If the trip count of a loop is computable, this pass also makes the following
15 // changes:
16 //   1. The exit condition for the loop is canonicalized to compare the
17 //      induction value against the exit value.  This turns loops like:
18 //        'for (i = 7; i*i < 1000; ++i)' into 'for (i = 0; i != 25; ++i)'
19 //   2. Any use outside of the loop of an expression derived from the indvar
20 //      is changed to compute the derived value outside of the loop, eliminating
21 //      the dependence on the exit value of the induction variable.  If the only
22 //      purpose of the loop is to compute the exit value of some derived
23 //      expression, this transformation will make the loop dead.
24 //
25 //===----------------------------------------------------------------------===//
26
27 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
28 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
29 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
30 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
31 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
33 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
34 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionAliasAnalysis.h"
35 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
36 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
37 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
38 #include "llvm/IR/CFG.h"
39 #include "llvm/IR/Constants.h"
40 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
41 #include "llvm/IR/Dominators.h"
42 #include "llvm/IR/Instructions.h"
43 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
44 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
45 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
46 #include "llvm/IR/Type.h"
47 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
48 #include "llvm/Support/Debug.h"
49 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
50 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
51 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
52 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
53 using namespace llvm;
54
55 #define DEBUG_TYPE "indvars"
56
57 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
58 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
59 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
60 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
61 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
62
63 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
64 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
65 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
66 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
67   "verify-indvars", cl::Hidden,
68   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
69
70 static cl::opt<bool> ReduceLiveIVs("liv-reduce", cl::Hidden,
71   cl::desc("Reduce live induction variables."));
72
73 enum ReplaceExitVal { NeverRepl, OnlyCheapRepl, AlwaysRepl };
74
75 static cl::opt<ReplaceExitVal> ReplaceExitValue(
76     "replexitval", cl::Hidden, cl::init(OnlyCheapRepl),
77     cl::desc("Choose the strategy to replace exit value in IndVarSimplify"),
78     cl::values(clEnumValN(NeverRepl, "never", "never replace exit value"),
79                clEnumValN(OnlyCheapRepl, "cheap",
80                           "only replace exit value when the cost is cheap"),
81                clEnumValN(AlwaysRepl, "always",
82                           "always replace exit value whenever possible"),
83                clEnumValEnd));
84
85 namespace {
86 struct RewritePhi;
87 }
88
89 namespace {
90   class IndVarSimplify : public LoopPass {
91     LoopInfo                  *LI;
92     ScalarEvolution           *SE;
93     DominatorTree             *DT;
94     TargetLibraryInfo         *TLI;
95     const TargetTransformInfo *TTI;
96
97     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
98     bool Changed;
99   public:
100
101     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
102     IndVarSimplify()
103         : LoopPass(ID), LI(nullptr), SE(nullptr), DT(nullptr), Changed(false) {
104       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
105     }
106
107     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
108
109     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
110       AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
111       AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
112       AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
113       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
114       AU.addRequiredID(LCSSAID);
115       AU.addPreserved<ScalarEvolutionWrapperPass>();
116       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
117       AU.addPreservedID(LCSSAID);
118       AU.setPreservesCFG();
119     }
120
121   private:
122     void releaseMemory() override {
123       DeadInsts.clear();
124     }
125
126     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
127
128     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
129     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
130
131     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
132
133     bool CanLoopBeDeleted(Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet);
134     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
135
136     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
137                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
138
139     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
140
141     Value *ExpandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S, Loop *L,
142                               Instruction *InsertPt, Type *Ty);
143   };
144 }
145
146 char IndVarSimplify::ID = 0;
147 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
148                 "Induction Variable Simplification", false, false)
149 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
150 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
151 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
152 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
153 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
154 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
155                 "Induction Variable Simplification", false, false)
156
157 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
158   return new IndVarSimplify();
159 }
160
161 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
162 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
163 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
164 /// Ideally, this function will only be called for verification.
165 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
166   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
167   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
168   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
169   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
170   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
171   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
172   // bail out here.
173   //
174   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
175   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
176   Value *FromPtr = FromVal;
177   Value *ToPtr = ToVal;
178   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
179     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
180   }
181   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
182     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
183   }
184   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
185     // Quickly check the common case
186     if (FromPtr == ToPtr)
187       return true;
188
189     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
190     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
191     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
192     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
193     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
194     // indexed by an integer recurrence.
195
196     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
197     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
198       return false;
199
200     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
201     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
202     if (FromBase == ToBase)
203       return true;
204
205     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
206           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
207
208     return false;
209   }
210   return true;
211 }
212
213 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
214 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
215 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
216 /// common dominator for the incoming blocks.
217 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
218                                           DominatorTree *DT) {
219   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
220   if (!PHI)
221     return User;
222
223   Instruction *InsertPt = nullptr;
224   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
225     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
226       continue;
227
228     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
229     if (!InsertPt) {
230       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
231       continue;
232     }
233     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
234     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
235   }
236   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
237   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
238           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
239          "def does not dominate all uses");
240   return InsertPt;
241 }
242
243 //===----------------------------------------------------------------------===//
244 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
245 //===----------------------------------------------------------------------===//
246
247 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
248 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
249   bool isExact = false;
250   // See if we can convert this to an int64_t
251   uint64_t UIntVal;
252   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
253                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
254     return false;
255   IntVal = UIntVal;
256   return true;
257 }
258
259 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
260 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
261 /// For example,
262 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
263 ///   bar(i)
264 /// is converted into
265 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
266 ///   bar((double)i);
267 ///
268 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
269   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
270   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
271
272   // Check incoming value.
273   ConstantFP *InitValueVal =
274     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
275
276   int64_t InitValue;
277   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
278     return;
279
280   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
281   // an add or increment value can not be represented by an integer.
282   BinaryOperator *Incr =
283     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
284   if (Incr == nullptr || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
285
286   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
287   // is not an integer, bail out.
288   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
289   int64_t IncValue;
290   if (IncValueVal == nullptr || Incr->getOperand(0) != PN ||
291       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
292     return;
293
294   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
295   // used by the conditional terminator.
296   Value::user_iterator IncrUse = Incr->user_begin();
297   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
298   if (IncrUse == Incr->user_end()) return;
299   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
300   if (IncrUse != Incr->user_end()) return;
301
302   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
303   // only used by a branch, we can't transform it.
304   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
305   if (!Compare)
306     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
307   if (!Compare || !Compare->hasOneUse() ||
308       !isa<BranchInst>(Compare->user_back()))
309     return;
310
311   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->user_back());
312
313   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
314   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
315   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
316   // of the loop.
317   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
318   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
319       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
320        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
321     return;
322
323
324   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
325   // transform it.
326   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
327   int64_t ExitValue;
328   if (ExitValueVal == nullptr ||
329       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
330     return;
331
332   // Find new predicate for integer comparison.
333   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
334   switch (Compare->getPredicate()) {
335   default: return;  // Unknown comparison.
336   case CmpInst::FCMP_OEQ:
337   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
338   case CmpInst::FCMP_ONE:
339   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
340   case CmpInst::FCMP_OGT:
341   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
342   case CmpInst::FCMP_OGE:
343   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
344   case CmpInst::FCMP_OLT:
345   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
346   case CmpInst::FCMP_OLE:
347   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
348   }
349
350   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
351   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
352   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
353   // now.
354   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
355
356   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
357   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
358     return;
359
360   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
361   if (IncValue == 0)
362     return;
363
364   // Positive and negative strides have different safety conditions.
365   if (IncValue > 0) {
366     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
367     // exit value.
368     if (InitValue >= ExitValue)
369       return;
370
371     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
372     // Check for infinite loop, either:
373     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
374     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
375       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
376     }
377
378     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
379
380     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
381     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
382     // around and do things the fp IV wouldn't.
383     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
384         Leftover != 0)
385       return;
386
387     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
388     // transform the IV.
389     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
390       return;
391
392   } else {
393     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
394     // exit value.
395     if (InitValue <= ExitValue)
396       return;
397
398     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
399     // Check for infinite loop, either:
400     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
401     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
402       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
403     }
404
405     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
406
407     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
408     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
409     // around and do things the fp IV wouldn't.
410     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
411         Leftover != 0)
412       return;
413
414     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
415     // transform the IV.
416     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
417       return;
418   }
419
420   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
421
422   // Insert new integer induction variable.
423   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
424   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
425                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
426
427   Value *NewAdd =
428     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
429                               Incr->getName()+".int", Incr);
430   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
431
432   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
433                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
434                                       Compare->getName());
435
436   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
437   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
438   WeakVH WeakPH = PN;
439
440   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
441   // new comparison.
442   NewCompare->takeName(Compare);
443   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
444   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare, TLI);
445
446   // Delete the old floating point increment.
447   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
448   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr, TLI);
449
450   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
451   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
452   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
453   // int->fp cast.
454   //
455   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
456   // platforms.
457   if (WeakPH) {
458     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
459                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
460     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
461     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN, TLI);
462   }
463   Changed = true;
464 }
465
466 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
467   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
468   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
469   // the SCEV routines.
470   //
471   BasicBlock *Header = L->getHeader();
472
473   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
474   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
475        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
476     PHIs.push_back(PN);
477
478   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
479     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
480       HandleFloatingPointIV(L, PN);
481
482   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
483   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
484   // re-writing, the trip count may be computable.
485   if (Changed)
486     SE->forgetLoop(L);
487 }
488
489 namespace {
490 // Collect information about PHI nodes which can be transformed in
491 // RewriteLoopExitValues.
492 struct RewritePhi {
493   PHINode *PN;
494   unsigned Ith;  // Ith incoming value.
495   Value *Val;    // Exit value after expansion.
496   bool HighCost; // High Cost when expansion.
497   bool SafePhi;  // LCSSASafePhiForRAUW.
498
499   RewritePhi(PHINode *P, unsigned I, Value *V, bool H, bool S)
500       : PN(P), Ith(I), Val(V), HighCost(H), SafePhi(S) {}
501 };
502 }
503
504 Value *IndVarSimplify::ExpandSCEVIfNeeded(SCEVExpander &Rewriter, const SCEV *S,
505                                           Loop *L, Instruction *InsertPt,
506                                           Type *ResultTy) {
507   // Before expanding S into an expensive LLVM expression, see if we can use an
508   // already existing value as the expansion for S.
509   if (Value *RetValue = Rewriter.findExistingExpansion(S, InsertPt, L))
510     return RetValue;
511
512   // We didn't find anything, fall back to using SCEVExpander.
513   return Rewriter.expandCodeFor(S, ResultTy, InsertPt);
514 }
515
516 //===----------------------------------------------------------------------===//
517 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
518 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
519 //===----------------------------------------------------------------------===//
520
521 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
522 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
523 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
524 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
525 /// the loop that use the final values of the current expressions.
526 ///
527 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
528 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
529 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
530 /// constant operands at the beginning of the loop.
531 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
532   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
533   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
534
535   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
536   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
537
538   SmallVector<RewritePhi, 8> RewritePhiSet;
539   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
540   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
541   // the exit blocks of the loop to find them.
542   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
543     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
544
545     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
546     // inside the loop are used on this path, skip it.
547     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
548     if (!PN) continue;
549
550     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
551
552     // We would like to be able to RAUW single-incoming value PHI nodes. We
553     // have to be certain this is safe even when this is an LCSSA PHI node.
554     // While the computed exit value is no longer varying in *this* loop, the
555     // exit block may be an exit block for an outer containing loop as well,
556     // the exit value may be varying in the outer loop, and thus it may still
557     // require an LCSSA PHI node. The safe case is when this is
558     // single-predecessor PHI node (LCSSA) and the exit block containing it is
559     // part of the enclosing loop, or this is the outer most loop of the nest.
560     // In either case the exit value could (at most) be varying in the same
561     // loop body as the phi node itself. Thus if it is in turn used outside of
562     // an enclosing loop it will only be via a separate LCSSA node.
563     bool LCSSASafePhiForRAUW =
564         NumPreds == 1 &&
565         (!L->getParentLoop() || L->getParentLoop() == LI->getLoopFor(ExitBB));
566
567     // Iterate over all of the PHI nodes.
568     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
569     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
570       if (PN->use_empty())
571         continue; // dead use, don't replace it
572
573       // SCEV only supports integer expressions for now.
574       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
575         continue;
576
577       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
578       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
579       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
580       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
581       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
582       SE->forgetValue(PN);
583
584       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
585       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
586         // If the value being merged in is not integer or is not defined
587         // in the loop, skip it.
588         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
589         if (!isa<Instruction>(InVal))
590           continue;
591
592         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
593         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
594           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
595
596         // Check that InVal is defined in the loop.
597         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
598         if (!L->contains(Inst))
599           continue;
600
601         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
602         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
603         // contains when the loop exits, if possible.
604         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
605         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L) ||
606             !isSafeToExpand(ExitValue, *SE))
607           continue;
608
609         // Computing the value outside of the loop brings no benefit if :
610         //  - it is definitely used inside the loop in a way which can not be
611         //    optimized away.
612         //  - no use outside of the loop can take advantage of hoisting the
613         //    computation out of the loop
614         if (ExitValue->getSCEVType()>=scMulExpr) {
615           unsigned NumHardInternalUses = 0;
616           unsigned NumSoftExternalUses = 0;
617           unsigned NumUses = 0;
618           for (auto IB = Inst->user_begin(), IE = Inst->user_end();
619                IB != IE && NumUses <= 6; ++IB) {
620             Instruction *UseInstr = cast<Instruction>(*IB);
621             unsigned Opc = UseInstr->getOpcode();
622             NumUses++;
623             if (L->contains(UseInstr)) {
624               if (Opc == Instruction::Call || Opc == Instruction::Ret)
625                 NumHardInternalUses++;
626             } else {
627               if (Opc == Instruction::PHI) {
628                 // Do not count the Phi as a use. LCSSA may have inserted
629                 // plenty of trivial ones.
630                 NumUses--;
631                 for (auto PB = UseInstr->user_begin(),
632                           PE = UseInstr->user_end();
633                      PB != PE && NumUses <= 6; ++PB, ++NumUses) {
634                   unsigned PhiOpc = cast<Instruction>(*PB)->getOpcode();
635                   if (PhiOpc != Instruction::Call && PhiOpc != Instruction::Ret)
636                     NumSoftExternalUses++;
637                 }
638                 continue;
639               }
640               if (Opc != Instruction::Call && Opc != Instruction::Ret)
641                 NumSoftExternalUses++;
642             }
643           }
644           if (NumUses <= 6 && NumHardInternalUses && !NumSoftExternalUses)
645             continue;
646         }
647
648         bool HighCost = Rewriter.isHighCostExpansion(ExitValue, L, Inst);
649         Value *ExitVal =
650             ExpandSCEVIfNeeded(Rewriter, ExitValue, L, Inst, PN->getType());
651
652         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
653                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
654
655         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
656           DeadInsts.push_back(ExitVal);
657           continue;
658         }
659
660         // Collect all the candidate PHINodes to be rewritten.
661         RewritePhiSet.push_back(
662             RewritePhi(PN, i, ExitVal, HighCost, LCSSASafePhiForRAUW));
663       }
664     }
665   }
666
667   bool LoopCanBeDel = CanLoopBeDeleted(L, RewritePhiSet);
668
669   // Transformation.
670   for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
671     PHINode *PN = Phi.PN;
672     Value *ExitVal = Phi.Val;
673
674     // Only do the rewrite when the ExitValue can be expanded cheaply.
675     // If LoopCanBeDel is true, rewrite exit value aggressively.
676     if (ReplaceExitValue == OnlyCheapRepl && !LoopCanBeDel && Phi.HighCost) {
677       DeadInsts.push_back(ExitVal);
678       continue;
679     }
680
681     Changed = true;
682     ++NumReplaced;
683     Instruction *Inst = cast<Instruction>(PN->getIncomingValue(Phi.Ith));
684     PN->setIncomingValue(Phi.Ith, ExitVal);
685
686     // If this instruction is dead now, delete it. Don't do it now to avoid
687     // invalidating iterators.
688     if (isInstructionTriviallyDead(Inst, TLI))
689       DeadInsts.push_back(Inst);
690
691     // If we determined that this PHI is safe to replace even if an LCSSA
692     // PHI, do so.
693     if (Phi.SafePhi) {
694       PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
695       PN->eraseFromParent();
696     }
697   }
698
699   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
700   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
701   Rewriter.clearInsertPoint();
702 }
703
704 /// CanLoopBeDeleted - Check whether it is possible to delete the loop after
705 /// rewriting exit value. If it is possible, ignore ReplaceExitValue and
706 /// do rewriting aggressively.
707 bool IndVarSimplify::CanLoopBeDeleted(
708     Loop *L, SmallVector<RewritePhi, 8> &RewritePhiSet) {
709
710   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
711   // If there is no preheader, the loop will not be deleted.
712   if (!Preheader)
713     return false;
714
715   // In LoopDeletion pass Loop can be deleted when ExitingBlocks.size() > 1.
716   // We obviate multiple ExitingBlocks case for simplicity.
717   // TODO: If we see testcase with multiple ExitingBlocks can be deleted
718   // after exit value rewriting, we can enhance the logic here.
719   SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
720   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
721   SmallVector<BasicBlock *, 8> ExitBlocks;
722   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
723   if (ExitBlocks.size() > 1 || ExitingBlocks.size() > 1)
724     return false;
725
726   BasicBlock *ExitBlock = ExitBlocks[0];
727   BasicBlock::iterator BI = ExitBlock->begin();
728   while (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(BI)) {
729     Value *Incoming = P->getIncomingValueForBlock(ExitingBlocks[0]);
730
731     // If the Incoming value of P is found in RewritePhiSet, we know it
732     // could be rewritten to use a loop invariant value in transformation
733     // phase later. Skip it in the loop invariant check below.
734     bool found = false;
735     for (const RewritePhi &Phi : RewritePhiSet) {
736       unsigned i = Phi.Ith;
737       if (Phi.PN == P && (Phi.PN)->getIncomingValue(i) == Incoming) {
738         found = true;
739         break;
740       }
741     }
742
743     Instruction *I;
744     if (!found && (I = dyn_cast<Instruction>(Incoming)))
745       if (!L->hasLoopInvariantOperands(I))
746         return false;
747
748     ++BI;
749   }
750
751   for (Loop::block_iterator LI = L->block_begin(), LE = L->block_end();
752        LI != LE; ++LI) {
753     for (BasicBlock::iterator BI = (*LI)->begin(), BE = (*LI)->end(); BI != BE;
754          ++BI) {
755       if (BI->mayHaveSideEffects())
756         return false;
757     }
758   }
759
760   return true;
761 }
762
763 //===----------------------------------------------------------------------===//
764 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
765 //===----------------------------------------------------------------------===//
766
767 namespace {
768   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
769   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
770   // provides the input to WidenIV.
771   struct WideIVInfo {
772     PHINode *NarrowIV;
773     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
774     bool IsSigned;          // Was a sext user seen before a zext?
775
776     WideIVInfo() : NarrowIV(nullptr), WidestNativeType(nullptr),
777                    IsSigned(false) {}
778   };
779 }
780
781 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
782 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
783 /// the final width of the IV before actually widening it.
784 static void visitIVCast(CastInst *Cast, WideIVInfo &WI, ScalarEvolution *SE,
785                         const TargetTransformInfo *TTI) {
786   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
787   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
788     return;
789
790   Type *Ty = Cast->getType();
791   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
792   if (!Cast->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(Width))
793     return;
794
795   // Cast is either an sext or zext up to this point.
796   // We should not widen an indvar if arithmetics on the wider indvar are more
797   // expensive than those on the narrower indvar. We check only the cost of ADD
798   // because at least an ADD is required to increment the induction variable. We
799   // could compute more comprehensively the cost of all instructions on the
800   // induction variable when necessary.
801   if (TTI &&
802       TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add, Ty) >
803           TTI->getArithmeticInstrCost(Instruction::Add,
804                                       Cast->getOperand(0)->getType())) {
805     return;
806   }
807
808   if (!WI.WidestNativeType) {
809     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
810     WI.IsSigned = IsSigned;
811     return;
812   }
813
814   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
815   if (WI.IsSigned != IsSigned)
816     return;
817
818   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
819     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
820 }
821
822 namespace {
823
824 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
825 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
826 /// caching Use* pointers.
827 struct NarrowIVDefUse {
828   Instruction *NarrowDef;
829   Instruction *NarrowUse;
830   Instruction *WideDef;
831
832   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(nullptr), NarrowUse(nullptr), WideDef(nullptr) {}
833
834   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
835     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
836 };
837
838 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
839 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
840 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
841 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
842 ///
843 class WidenIV {
844   // Parameters
845   PHINode *OrigPhi;
846   Type *WideType;
847   bool IsSigned;
848
849   // Context
850   LoopInfo        *LI;
851   Loop            *L;
852   ScalarEvolution *SE;
853   DominatorTree   *DT;
854
855   // Result
856   PHINode *WidePhi;
857   Instruction *WideInc;
858   const SCEV *WideIncExpr;
859   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
860
861   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
862   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
863
864 public:
865   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
866           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
867           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
868     OrigPhi(WI.NarrowIV),
869     WideType(WI.WidestNativeType),
870     IsSigned(WI.IsSigned),
871     LI(LInfo),
872     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
873     SE(SEv),
874     DT(DTree),
875     WidePhi(nullptr),
876     WideInc(nullptr),
877     WideIncExpr(nullptr),
878     DeadInsts(DI) {
879     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
880   }
881
882   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
883
884 protected:
885   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
886                    Instruction *Use);
887
888   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
889
890   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
891
892   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
893
894   const SCEV *GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
895                               unsigned OpCode) const;
896
897   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
898
899   bool WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU);
900
901   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
902 };
903 } // anonymous namespace
904
905 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
906 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
907 /// gratuitous for this purpose.
908 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
909   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
910   if (!Inst)
911     return true;
912
913   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
914 }
915
916 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
917                           Instruction *Use) {
918   // Set the debug location and conservative insertion point.
919   IRBuilder<> Builder(Use);
920   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
921   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
922        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
923        L = L->getParentLoop())
924     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
925
926   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
927                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
928 }
929
930 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
931 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
932 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
933 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
934   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
935   switch (Opcode) {
936   default:
937     return nullptr;
938   case Instruction::Add:
939   case Instruction::Mul:
940   case Instruction::UDiv:
941   case Instruction::Sub:
942   case Instruction::And:
943   case Instruction::Or:
944   case Instruction::Xor:
945   case Instruction::Shl:
946   case Instruction::LShr:
947   case Instruction::AShr:
948     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
949
950     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
951     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
952     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
953     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
954     // WidenIVUse.
955     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
956       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
957     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
958       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
959
960     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
961     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
962                                                     LHS, RHS,
963                                                     NarrowBO->getName());
964     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
965     Builder.Insert(WideBO);
966     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
967         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
968       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
969       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
970     }
971     return WideBO;
972   }
973 }
974
975 const SCEV *WidenIV::GetSCEVByOpCode(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
976                                      unsigned OpCode) const {
977   if (OpCode == Instruction::Add)
978     return SE->getAddExpr(LHS, RHS);
979   if (OpCode == Instruction::Sub)
980     return SE->getMinusSCEV(LHS, RHS);
981   if (OpCode == Instruction::Mul)
982     return SE->getMulExpr(LHS, RHS);
983
984   llvm_unreachable("Unsupported opcode.");
985 }
986
987 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
988 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
989 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
990 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
991 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
992
993   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
994   const unsigned OpCode = DU.NarrowUse->getOpcode();
995   // Only Add/Sub/Mul instructions supported yet.
996   if (OpCode != Instruction::Add && OpCode != Instruction::Sub &&
997       OpCode != Instruction::Mul)
998     return nullptr;
999
1000   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
1001   // if extending the other will lead to a recurrence.
1002   const unsigned ExtendOperIdx =
1003       DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
1004   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
1005
1006   const SCEV *ExtendOperExpr = nullptr;
1007   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
1008     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
1009   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
1010     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
1011       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1012   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
1013     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
1014       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
1015   else
1016     return nullptr;
1017
1018   // When creating this SCEV expr, don't apply the current operations NSW or NUW
1019   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
1020   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
1021   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
1022   // semantics to those operations.
1023   const SCEV *lhs = SE->getSCEV(DU.WideDef);
1024   const SCEV *rhs = ExtendOperExpr;
1025
1026   // Let's swap operands to the initial order for the case of non-commutative
1027   // operations, like SUB. See PR21014.
1028   if (ExtendOperIdx == 0)
1029     std::swap(lhs, rhs);
1030   const SCEVAddRecExpr *AddRec =
1031       dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(GetSCEVByOpCode(lhs, rhs, OpCode));
1032
1033   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1034     return nullptr;
1035   return AddRec;
1036 }
1037
1038 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting for further
1039 /// simplification after widening it's type? In other words, can the
1040 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
1041 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
1042 /// recurrence. Otherwise return NULL.
1043 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
1044   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
1045     return nullptr;
1046
1047   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
1048   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
1049       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
1050     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
1051     // index. So don't follow this use.
1052     return nullptr;
1053   }
1054
1055   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
1056     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
1057     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
1058   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
1059   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1060     return nullptr;
1061   return AddRec;
1062 }
1063
1064 /// This IV user cannot be widen. Replace this use of the original narrow IV
1065 /// with a truncation of the new wide IV to isolate and eliminate the narrow IV.
1066 static void truncateIVUse(NarrowIVDefUse DU, DominatorTree *DT) {
1067   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Truncate IV " << *DU.WideDef
1068         << " for user " << *DU.NarrowUse << "\n");
1069   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1070   Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1071   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1072 }
1073
1074 /// If the narrow use is a compare instruction, then widen the compare
1075 //  (and possibly the other operand).  The extend operation is hoisted into the
1076 // loop preheader as far as possible.
1077 bool WidenIV::WidenLoopCompare(NarrowIVDefUse DU) {
1078   ICmpInst *Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(DU.NarrowUse);
1079   if (!Cmp)
1080     return false;
1081
1082   // Sign of IV user and compare must match.
1083   if (IsSigned != CmpInst::isSigned(Cmp->getPredicate()))
1084     return false;
1085
1086   Value *Op = Cmp->getOperand(Cmp->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0);
1087   unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(Op->getType());
1088   unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1089   assert (CastWidth <= IVWidth && "Unexpected width while widening compare.");
1090
1091   // Widen the compare instruction.
1092   IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1093   DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1094
1095   // Widen the other operand of the compare, if necessary.
1096   if (CastWidth < IVWidth) {
1097     Value *ExtOp = getExtend(Op, WideType, IsSigned, Cmp);
1098     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(Op, ExtOp);
1099   }
1100   return true;
1101 }
1102
1103 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
1104 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
1105 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
1106
1107   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1108   if (PHINode *UsePhi = dyn_cast<PHINode>(DU.NarrowUse)) {
1109     if (LI->getLoopFor(UsePhi->getParent()) != L) {
1110       // For LCSSA phis, sink the truncate outside the loop.
1111       // After SimplifyCFG most loop exit targets have a single predecessor.
1112       // Otherwise fall back to a truncate within the loop.
1113       if (UsePhi->getNumOperands() != 1)
1114         truncateIVUse(DU, DT);
1115       else {
1116         PHINode *WidePhi =
1117           PHINode::Create(DU.WideDef->getType(), 1, UsePhi->getName() + ".wide",
1118                           UsePhi);
1119         WidePhi->addIncoming(DU.WideDef, UsePhi->getIncomingBlock(0));
1120         IRBuilder<> Builder(WidePhi->getParent()->getFirstInsertionPt());
1121         Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WidePhi, DU.NarrowDef->getType());
1122         UsePhi->replaceAllUsesWith(Trunc);
1123         DeadInsts.emplace_back(UsePhi);
1124         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Widen lcssa phi " << *UsePhi
1125               << " to " << *WidePhi << "\n");
1126       }
1127       return nullptr;
1128     }
1129   }
1130   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1131   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1132     Value *NewDef = DU.WideDef;
1133     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1134       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1135       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1136       if (CastWidth < IVWidth) {
1137         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1138         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1139         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1140       }
1141       else {
1142         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1143         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1144         // dead. It should be very rare.
1145         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1146               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1147         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1148         NewDef = DU.NarrowUse;
1149       }
1150     }
1151     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1152       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1153             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1154       ++NumElimExt;
1155       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1156       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowUse);
1157     }
1158     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1159     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1160     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1161     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1162     // push the uses of WideDef here.
1163
1164     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1165     return nullptr;
1166   }
1167
1168   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1169   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1170   if (!WideAddRec)
1171     WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1172
1173   if (!WideAddRec) {
1174     // If use is a loop condition, try to promote the condition instead of
1175     // truncating the IV first.
1176     if (WidenLoopCompare(DU))
1177       return nullptr;
1178
1179     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1180     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1181     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1182     truncateIVUse(DU, DT);
1183     return nullptr;
1184   }
1185   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1186   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1187   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1188          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1189
1190   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1191   // NarrowUse.
1192   Instruction *WideUse = nullptr;
1193   if (WideAddRec == WideIncExpr
1194       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1195     WideUse = WideInc;
1196   else {
1197     WideUse = CloneIVUser(DU);
1198     if (!WideUse)
1199       return nullptr;
1200   }
1201   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1202   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1203   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1204   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1205   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1206   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1207     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1208           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1209     DeadInsts.emplace_back(WideUse);
1210     return nullptr;
1211   }
1212
1213   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1214   return WideUse;
1215 }
1216
1217 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1218 ///
1219 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1220   for (User *U : NarrowDef->users()) {
1221     Instruction *NarrowUser = cast<Instruction>(U);
1222
1223     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1224     if (!Widened.insert(NarrowUser).second)
1225       continue;
1226
1227     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUser, WideDef));
1228   }
1229 }
1230
1231 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1232 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1233 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1234 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1235 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1236 /// DeleteDeadPHIs.
1237 ///
1238 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1239 /// invalidating SCEV expressions.
1240 ///
1241 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1242   // Is this phi an induction variable?
1243   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1244   if (!AddRec)
1245     return nullptr;
1246
1247   // Widen the induction variable expression.
1248   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1249     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1250     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1251
1252   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1253          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1254
1255   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1256   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1257   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1258     return nullptr;
1259
1260   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1261   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1262   // operands, so they must dominate the loop header.
1263   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1264          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1265          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1266
1267   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1268   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1269   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1270   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1271   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1272   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1273
1274   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1275   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1276   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1277   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1278   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1279     WideInc =
1280       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1281     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1282   }
1283
1284   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1285   ++NumWidened;
1286
1287   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1288   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1289
1290   Widened.insert(OrigPhi);
1291   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1292
1293   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1294     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1295
1296     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1297     // use_iterator across it.
1298     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1299
1300     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1301     if (WideUse)
1302       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1303
1304     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1305     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1306       DeadInsts.emplace_back(DU.NarrowDef);
1307   }
1308   return WidePhi;
1309 }
1310
1311 //===----------------------------------------------------------------------===//
1312 //  Live IV Reduction - Minimize IVs live across the loop.
1313 //===----------------------------------------------------------------------===//
1314
1315
1316 //===----------------------------------------------------------------------===//
1317 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1318 //===----------------------------------------------------------------------===//
1319
1320 namespace {
1321   class IndVarSimplifyVisitor : public IVVisitor {
1322     ScalarEvolution *SE;
1323     const TargetTransformInfo *TTI;
1324     PHINode *IVPhi;
1325
1326   public:
1327     WideIVInfo WI;
1328
1329     IndVarSimplifyVisitor(PHINode *IV, ScalarEvolution *SCEV,
1330                           const TargetTransformInfo *TTI,
1331                           const DominatorTree *DTree)
1332         : SE(SCEV), TTI(TTI), IVPhi(IV) {
1333       DT = DTree;
1334       WI.NarrowIV = IVPhi;
1335       if (ReduceLiveIVs)
1336         setSplitOverflowIntrinsics();
1337     }
1338
1339     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
1340     void visitCast(CastInst *Cast) override { visitIVCast(Cast, WI, SE, TTI); }
1341   };
1342 }
1343
1344 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1345 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1346 /// themselves be candidates for simplification.
1347 ///
1348 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1349 ///
1350 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1351                                        SCEVExpander &Rewriter,
1352                                        LPPassManager &LPM) {
1353   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1354
1355   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1356   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1357     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1358   }
1359   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1360   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1361   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1362   // simplification on the wide IVs.
1363   while (!LoopPhis.empty()) {
1364     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1365     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1366     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1367     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1368     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1369     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1370     do {
1371       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1372
1373       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1374       IndVarSimplifyVisitor Visitor(CurrIV, SE, TTI, DT);
1375
1376       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &Visitor);
1377
1378       if (Visitor.WI.WidestNativeType) {
1379         WideIVs.push_back(Visitor.WI);
1380       }
1381     } while(!LoopPhis.empty());
1382
1383     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1384       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1385       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1386         Changed = true;
1387         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1388       }
1389     }
1390   }
1391 }
1392
1393 //===----------------------------------------------------------------------===//
1394 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1395 //===----------------------------------------------------------------------===//
1396
1397 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1398 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1399 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1400 ///
1401 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1402 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1403 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1404 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1405 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1406 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1407 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1408 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1409 /// into inequality tests.
1410 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE,
1411                                         SCEVExpander &Rewriter) {
1412   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1413   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1414       BackedgeTakenCount->isZero())
1415     return false;
1416
1417   if (!L->getExitingBlock())
1418     return false;
1419
1420   // Can't rewrite non-branch yet.
1421   if (!isa<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator()))
1422     return false;
1423
1424   if (Rewriter.isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, L))
1425     return false;
1426
1427   return true;
1428 }
1429
1430 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1431 /// invariant value to the phi.
1432 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1433   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1434   if (!IncI)
1435     return nullptr;
1436
1437   switch (IncI->getOpcode()) {
1438   case Instruction::Add:
1439   case Instruction::Sub:
1440     break;
1441   case Instruction::GetElementPtr:
1442     // An IV counter must preserve its type.
1443     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1444       break;
1445   default:
1446     return nullptr;
1447   }
1448
1449   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1450   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1451     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1452       return Phi;
1453     return nullptr;
1454   }
1455   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1456     return nullptr;
1457
1458   // Allow add/sub to be commuted.
1459   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1460   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1461     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1462       return Phi;
1463   }
1464   return nullptr;
1465 }
1466
1467 /// Return the compare guarding the loop latch, or NULL for unrecognized tests.
1468 static ICmpInst *getLoopTest(Loop *L) {
1469   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1470
1471   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1472   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1473   if (!LatchBlock)
1474     return nullptr;
1475
1476   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1477   assert(BI && "expected exit branch");
1478
1479   return dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1480 }
1481
1482 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1483 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1484 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1485   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1486   ICmpInst *Cond = getLoopTest(L);
1487   if (!Cond)
1488     return true;
1489
1490   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1491   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1492   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1493     return true;
1494
1495   // Look for a loop invariant RHS
1496   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1497   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1498   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1499     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1500       return true;
1501     std::swap(LHS, RHS);
1502   }
1503   // Look for a simple IV counter LHS
1504   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1505   if (!Phi)
1506     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1507
1508   if (!Phi)
1509     return true;
1510
1511   // Do LFTR if PHI node is defined in the loop, but is *not* a counter.
1512   int Idx = Phi->getBasicBlockIndex(L->getLoopLatch());
1513   if (Idx < 0)
1514     return true;
1515
1516   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1517   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(Idx);
1518   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1519 }
1520
1521 /// Recursive helper for hasConcreteDef(). Unfortunately, this currently boils
1522 /// down to checking that all operands are constant and listing instructions
1523 /// that may hide undef.
1524 static bool hasConcreteDefImpl(Value *V, SmallPtrSetImpl<Value*> &Visited,
1525                                unsigned Depth) {
1526   if (isa<Constant>(V))
1527     return !isa<UndefValue>(V);
1528
1529   if (Depth >= 6)
1530     return false;
1531
1532   // Conservatively handle non-constant non-instructions. For example, Arguments
1533   // may be undef.
1534   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
1535   if (!I)
1536     return false;
1537
1538   // Load and return values may be undef.
1539   if(I->mayReadFromMemory() || isa<CallInst>(I) || isa<InvokeInst>(I))
1540     return false;
1541
1542   // Optimistically handle other instructions.
1543   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
1544     if (!Visited.insert(*OI).second)
1545       continue;
1546     if (!hasConcreteDefImpl(*OI, Visited, Depth+1))
1547       return false;
1548   }
1549   return true;
1550 }
1551
1552 /// Return true if the given value is concrete. We must prove that undef can
1553 /// never reach it.
1554 ///
1555 /// TODO: If we decide that this is a good approach to checking for undef, we
1556 /// may factor it into a common location.
1557 static bool hasConcreteDef(Value *V) {
1558   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited;
1559   Visited.insert(V);
1560   return hasConcreteDefImpl(V, Visited, 0);
1561 }
1562
1563 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1564 /// be rewritten) loop exit test.
1565 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1566   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1567   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1568
1569   for (User *U : Phi->users())
1570     if (U != Cond && U != IncV) return false;
1571
1572   for (User *U : IncV->users())
1573     if (U != Cond && U != Phi) return false;
1574   return true;
1575 }
1576
1577 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1578 ///
1579 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1580 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1581 /// expression as far as SCEV is concerned.
1582 ///
1583 /// Currently only valid for LFTR. See the comments on hasConcreteDef below.
1584 ///
1585 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1586 ///
1587 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1588 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1589 /// could at least handle constant BECounts.
1590 static PHINode *FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1591                                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT) {
1592   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1593
1594   Value *Cond =
1595     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1596
1597   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1598   PHINode *BestPhi = nullptr;
1599   const SCEV *BestInit = nullptr;
1600   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1601   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1602
1603   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1604     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1605     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1606       continue;
1607
1608     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1609     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1610       continue;
1611
1612     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1613     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1614       continue;
1615
1616     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1617     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1618     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1619     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1620     if (PhiWidth < BCWidth ||
1621         !L->getHeader()->getModule()->getDataLayout().isLegalInteger(PhiWidth))
1622       continue;
1623
1624     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1625     if (!Step || !Step->isOne())
1626       continue;
1627
1628     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1629     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1630     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1631       continue;
1632
1633     // Avoid reusing a potentially undef value to compute other values that may
1634     // have originally had a concrete definition.
1635     if (!hasConcreteDef(Phi)) {
1636       // We explicitly allow unknown phis as long as they are already used by
1637       // the loop test. In this case we assume that performing LFTR could not
1638       // increase the number of undef users.
1639       if (ICmpInst *Cond = getLoopTest(L)) {
1640         if (Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(0), L, DT)
1641             && Phi != getLoopPhiForCounter(Cond->getOperand(1), L, DT)) {
1642           continue;
1643         }
1644       }
1645     }
1646     const SCEV *Init = AR->getStart();
1647
1648     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1649       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1650       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1651         continue;
1652
1653       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1654       // also prefers integer to pointer IVs.
1655       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1656         if (BestInit->isZero())
1657           continue;
1658       }
1659       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1660       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1661       // to allow the other to be eliminated.
1662       else if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1663         continue;
1664     }
1665     BestPhi = Phi;
1666     BestInit = Init;
1667   }
1668   return BestPhi;
1669 }
1670
1671 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1672 /// holds the RHS of the new loop test.
1673 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1674                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1675   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1676   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1677   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1678
1679   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1680   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1681   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1682   // the existing GEPs whenever possible.
1683   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1684       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1685
1686     // IVOffset will be the new GEP offset that is interpreted by GEP as a
1687     // signed value. IVCount on the other hand represents the loop trip count,
1688     // which is an unsigned value. FindLoopCounter only allows induction
1689     // variables that have a positive unit stride of one. This means we don't
1690     // have to handle the case of negative offsets (yet) and just need to zero
1691     // extend IVCount.
1692     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1693     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, OfsTy);
1694
1695     // Expand the code for the iteration count.
1696     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1697            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1698     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1699     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1700
1701     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1702     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1703     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1704     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1705     assert(SE->getSizeOfExpr(IntegerType::getInt64Ty(IndVar->getContext()),
1706              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1707            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1708
1709     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1710     return Builder.CreateGEP(nullptr, GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1711   }
1712   else {
1713     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1714     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1715     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1716     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1717     //
1718     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1719     // for simple memset-style loops.
1720     //
1721     // IVInit integer and IVCount pointer would only occur if a canonical IV
1722     // were generated on top of case #2, which is not expected.
1723
1724     const SCEV *IVLimit = nullptr;
1725     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1726     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1727     if (AR->getStart()->isZero())
1728       IVLimit = IVCount;
1729     else {
1730       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1731       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1732
1733       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1734       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1735           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1736         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1737
1738       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1739     }
1740     // Expand the code for the iteration count.
1741     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1742     IRBuilder<> Builder(BI);
1743     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1744            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1745     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1746     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1747     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1748     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1749       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1750     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1751   }
1752 }
1753
1754 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1755 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1756 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1757 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1758 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1759 Value *IndVarSimplify::
1760 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1761                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1762                           PHINode *IndVar,
1763                           SCEVExpander &Rewriter) {
1764   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && "precondition");
1765
1766   // Initialize CmpIndVar and IVCount to their preincremented values.
1767   Value *CmpIndVar = IndVar;
1768   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1769
1770   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1771   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1772   // against the preincremented value.
1773   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1774     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1775     // This addition may overflow, which is valid as long as the comparison is
1776     // truncated to BackedgeTakenCount->getType().
1777     IVCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
1778                              SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
1779     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1780     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1781     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1782     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1783   }
1784
1785   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1786   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1787          && "genLoopLimit missed a cast");
1788
1789   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1790   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1791   ICmpInst::Predicate P;
1792   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1793     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1794   else
1795     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1796
1797   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1798                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1799                << "       op:\t"
1800                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1801                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1802                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1803
1804   IRBuilder<> Builder(BI);
1805
1806   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1807   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1808   unsigned CmpIndVarSize = SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType());
1809   unsigned ExitCntSize = SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType());
1810   if (CmpIndVarSize > ExitCntSize) {
1811     const SCEVAddRecExpr *AR = cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1812     const SCEV *ARStart = AR->getStart();
1813     const SCEV *ARStep = AR->getStepRecurrence(*SE);
1814     // For constant IVCount, avoid truncation.
1815     if (isa<SCEVConstant>(ARStart) && isa<SCEVConstant>(IVCount)) {
1816       const APInt &Start = cast<SCEVConstant>(ARStart)->getValue()->getValue();
1817       APInt Count = cast<SCEVConstant>(IVCount)->getValue()->getValue();
1818       // Note that the post-inc value of BackedgeTakenCount may have overflowed
1819       // above such that IVCount is now zero.
1820       if (IVCount != BackedgeTakenCount && Count == 0) {
1821         Count = APInt::getMaxValue(Count.getBitWidth()).zext(CmpIndVarSize);
1822         ++Count;
1823       }
1824       else
1825         Count = Count.zext(CmpIndVarSize);
1826       APInt NewLimit;
1827       if (cast<SCEVConstant>(ARStep)->getValue()->isNegative())
1828         NewLimit = Start - Count;
1829       else
1830         NewLimit = Start + Count;
1831       ExitCnt = ConstantInt::get(CmpIndVar->getType(), NewLimit);
1832
1833       DEBUG(dbgs() << "  Widen RHS:\t" << *ExitCnt << "\n");
1834     } else {
1835       CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1836                                       "lftr.wideiv");
1837     }
1838   }
1839   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1840   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1841   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1842   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1843   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1844   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1845   // will make old comparison dead.
1846   BI->setCondition(Cond);
1847   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1848
1849   ++NumLFTR;
1850   Changed = true;
1851   return Cond;
1852 }
1853
1854 //===----------------------------------------------------------------------===//
1855 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1856 //===----------------------------------------------------------------------===//
1857
1858 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1859 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1860 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1861 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1862   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1863   if (!ExitBlock) return;
1864
1865   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1866   if (!Preheader) return;
1867
1868   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1869   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1870   while (I != Preheader->begin()) {
1871     --I;
1872     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1873     if (isa<PHINode>(I))
1874       break;
1875
1876     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1877     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1878     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1879     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1880     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1881     // block.
1882     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1883       continue;
1884
1885     // Skip debug info intrinsics.
1886     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1887       continue;
1888
1889     // Skip eh pad instructions.
1890     if (I->isEHPad())
1891       continue;
1892
1893     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1894     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1895     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1896     // FIXME: Refactor this check somehow?
1897     if (isa<AllocaInst>(I))
1898       continue;
1899
1900     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1901     // otherwise).
1902     bool UsedInLoop = false;
1903     for (Use &U : I->uses()) {
1904       Instruction *User = cast<Instruction>(U.getUser());
1905       BasicBlock *UseBB = User->getParent();
1906       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(User)) {
1907         unsigned i =
1908           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(U.getOperandNo());
1909         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1910       }
1911       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1912         UsedInLoop = true;
1913         break;
1914       }
1915     }
1916
1917     // If there is, the def must remain in the preheader.
1918     if (UsedInLoop)
1919       continue;
1920
1921     // Otherwise, sink it to the exit block.
1922     Instruction *ToMove = I;
1923     bool Done = false;
1924
1925     if (I != Preheader->begin()) {
1926       // Skip debug info intrinsics.
1927       do {
1928         --I;
1929       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1930
1931       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1932         Done = true;
1933     } else {
1934       Done = true;
1935     }
1936
1937     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1938     if (Done) break;
1939     InsertPt = ToMove;
1940   }
1941 }
1942
1943 //===----------------------------------------------------------------------===//
1944 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1945 //===----------------------------------------------------------------------===//
1946
1947 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1948   if (skipOptnoneFunction(L))
1949     return false;
1950
1951   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1952   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1953   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1954   //    afterwards.
1955   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1956   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1957   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1958   //    we've manually inserted one.
1959   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1960     return false;
1961
1962   LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1963   SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1964   DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1965   auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1966   TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1967   auto *TTIP = getAnalysisIfAvailable<TargetTransformInfoWrapperPass>();
1968   TTI = TTIP ? &TTIP->getTTI(*L->getHeader()->getParent()) : nullptr;
1969   const DataLayout &DL = L->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
1970
1971   DeadInsts.clear();
1972   Changed = false;
1973
1974   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1975   // transform them to use integer recurrences.
1976   RewriteNonIntegerIVs(L);
1977
1978   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1979
1980   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1981   SCEVExpander Rewriter(*SE, DL, "indvars");
1982 #ifndef NDEBUG
1983   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1984 #endif
1985
1986   // Eliminate redundant IV users.
1987   //
1988   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1989   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1990   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1991   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1992   Rewriter.disableCanonicalMode();
1993   SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1994
1995   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1996   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1997   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1998   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1999   // the current expressions.
2000   //
2001   if (ReplaceExitValue != NeverRepl &&
2002       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2003     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
2004
2005   // Eliminate redundant IV cycles.
2006   NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
2007
2008   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
2009   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
2010   if (canExpandBackedgeTakenCount(L, SE, Rewriter) && needsLFTR(L, DT)) {
2011     PHINode *IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT);
2012     if (IndVar) {
2013       // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
2014       // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
2015       // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
2016       // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops,
2017       // while LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
2018       //
2019       // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
2020       // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
2021       const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
2022       if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
2023         (void)LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
2024                                         Rewriter);
2025     }
2026   }
2027   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
2028   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
2029   // trigger.
2030   Rewriter.clear();
2031
2032   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
2033   // which are now dead.
2034   while (!DeadInsts.empty())
2035     if (Instruction *Inst =
2036             dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val()))
2037       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst, TLI);
2038
2039   // The Rewriter may not be used from this point on.
2040
2041   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
2042   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
2043   SinkUnusedInvariants(L);
2044
2045   // Clean up dead instructions.
2046   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader(), TLI);
2047   // Check a post-condition.
2048   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
2049          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
2050
2051   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
2052   // ability to compute trip count.
2053 #ifndef NDEBUG
2054   if (VerifyIndvars && !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
2055     SE->forgetLoop(L);
2056     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2057     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2058         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2059       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2060                                          BackedgeTakenCount->getType());
2061     else
2062       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2063                                                  NewBECount->getType());
2064     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2065   }
2066 #endif
2067
2068   return Changed;
2069 }