477f42c50e0388206802e6bdba6a068ce435c622
[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/CommandLine.h"
56 #include "llvm/Support/Debug.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
59 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
60 #include "llvm/Target/TargetData.h"
61 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
62 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
63 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
64 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
65 using namespace llvm;
66
67 STATISTIC(NumRemoved     , "Number of aux indvars removed");
68 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
69 STATISTIC(NumInserted    , "Number of canonical indvars added");
70 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
71 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
72 STATISTIC(NumElimIdentity, "Number of IV identities eliminated");
73 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
74 STATISTIC(NumElimRem     , "Number of IV remainder operations eliminated");
75 STATISTIC(NumElimCmp     , "Number of IV comparisons eliminated");
76 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
77
78 static cl::opt<bool> DisableIVRewrite(
79   "disable-iv-rewrite", cl::Hidden,
80   cl::desc("Disable canonical induction variable rewriting"));
81
82 namespace {
83   class IndVarSimplify : public LoopPass {
84     typedef DenseMap<const SCEV *, PHINode *> ExprToIVMapTy;
85
86     IVUsers         *IU;
87     LoopInfo        *LI;
88     ScalarEvolution *SE;
89     DominatorTree   *DT;
90     TargetData      *TD;
91
92     ExprToIVMapTy ExprToIVMap;
93     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
94     bool Changed;
95   public:
96
97     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
98     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), IU(0), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0),
99                        Changed(false) {
100       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
101     }
102
103     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
104
105     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
106       AU.addRequired<DominatorTree>();
107       AU.addRequired<LoopInfo>();
108       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
109       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
110       AU.addRequiredID(LCSSAID);
111       if (!DisableIVRewrite)
112         AU.addRequired<IVUsers>();
113       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
114       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
115       AU.addPreservedID(LCSSAID);
116       if (!DisableIVRewrite)
117         AU.addPreserved<IVUsers>();
118       AU.setPreservesCFG();
119     }
120
121   private:
122     virtual void releaseMemory() {
123       ExprToIVMap.clear();
124       DeadInsts.clear();
125     }
126
127     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
128
129     void SimplifyIVUsers(SCEVExpander &Rewriter);
130     void SimplifyIVUsersNoRewrite(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
131
132     bool EliminateIVUser(Instruction *UseInst, Instruction *IVOperand);
133     void EliminateIVComparison(ICmpInst *ICmp, Value *IVOperand);
134     void EliminateIVRemainder(BinaryOperator *Rem,
135                               Value *IVOperand,
136                               bool IsSigned);
137     bool isSimpleIVUser(Instruction *I, const Loop *L);
138     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
139
140     ICmpInst *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
141                                         PHINode *IndVar,
142                                         SCEVExpander &Rewriter);
143
144     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
145
146     void SimplifyCongruentIVs(Loop *L);
147
148     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
149
150     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
151
152     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
153   };
154 }
155
156 char IndVarSimplify::ID = 0;
157 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
158                 "Induction Variable Simplification", false, false)
159 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
160 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
161 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
162 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
163 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
164 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
165 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
166                 "Induction Variable Simplification", false, false)
167
168 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
169   return new IndVarSimplify();
170 }
171
172 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
173 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
174 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
175 /// Ideally, this function will only be called for verification.
176 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
177   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
178   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
179   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
180   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
181   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
182   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
183   // bail out here.
184   //
185   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
186   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
187   Value *FromPtr = FromVal;
188   Value *ToPtr = ToVal;
189   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
190     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
191   }
192   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
193     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
194   }
195   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
196     // Quickly check the common case
197     if (FromPtr == ToPtr)
198       return true;
199
200     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
201     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
202     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
203     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
204     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
205     // indexed by an integer recurrence.
206     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
207     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
208     if (FromBase == ToBase)
209       return true;
210
211     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
212           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
213
214     return false;
215   }
216   return true;
217 }
218
219 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
220 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
221 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
222 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
223   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
224   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
225       BackedgeTakenCount->isZero())
226     return false;
227
228   if (!L->getExitingBlock())
229     return false;
230
231   // Can't rewrite non-branch yet.
232   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
233   if (!BI)
234     return false;
235
236   // Special case: If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a
237   // UDiv that ScalarEvolution produced in order to compute a precise
238   // expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't find a
239   // UDiv in the code with some simple searching, assume the former and forego
240   // rewriting the loop.
241   if (isa<SCEVUDivExpr>(BackedgeTakenCount)) {
242     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
243     if (!OrigCond) return false;
244     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
245     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
246     if (R != BackedgeTakenCount) {
247       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
248       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
249       if (L != BackedgeTakenCount)
250         return false;
251     }
252   }
253   return true;
254 }
255
256 /// getBackedgeIVType - Get the widest type used by the loop test after peeking
257 /// through Truncs.
258 ///
259 /// TODO: Unnecessary once LinearFunctionTestReplace is removed.
260 static const Type *getBackedgeIVType(Loop *L) {
261   if (!L->getExitingBlock())
262     return 0;
263
264   // Can't rewrite non-branch yet.
265   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
266   if (!BI)
267     return 0;
268
269   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
270   if (!Cond)
271     return 0;
272
273   const Type *Ty = 0;
274   for(User::op_iterator OI = Cond->op_begin(), OE = Cond->op_end();
275       OI != OE; ++OI) {
276     assert((!Ty || Ty == (*OI)->getType()) && "bad icmp operand types");
277     TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(*OI);
278     if (!Trunc)
279       continue;
280
281     return Trunc->getSrcTy();
282   }
283   return Ty;
284 }
285
286 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
287 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
288 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
289 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
290 /// is actually a much broader range than just linear tests.
291 ICmpInst *IndVarSimplify::
292 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
293                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
294                           PHINode *IndVar,
295                           SCEVExpander &Rewriter) {
296   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
297   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
298
299   // If the exiting block is not the same as the backedge block, we must compare
300   // against the preincremented value, otherwise we prefer to compare against
301   // the post-incremented value.
302   Value *CmpIndVar;
303   const SCEV *RHS = BackedgeTakenCount;
304   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
305     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
306     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
307     // cast the induction variable before doing the add.
308     const SCEV *Zero = SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 0);
309     const SCEV *N =
310       SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount,
311                      SE->getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1));
312     if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
313         SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
314       // No overflow. Cast the sum.
315       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, IndVar->getType());
316     } else {
317       // Potential overflow. Cast before doing the add.
318       RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
319                                         IndVar->getType());
320       RHS = SE->getAddExpr(RHS,
321                            SE->getConstant(IndVar->getType(), 1));
322     }
323
324     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
325     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
326     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
327     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
328   } else {
329     // We have to use the preincremented value...
330     RHS = SE->getTruncateOrZeroExtend(BackedgeTakenCount,
331                                       IndVar->getType());
332     CmpIndVar = IndVar;
333   }
334
335   // Expand the code for the iteration count.
336   assert(SE->isLoopInvariant(RHS, L) &&
337          "Computed iteration count is not loop invariant!");
338   Value *ExitCnt = Rewriter.expandCodeFor(RHS, IndVar->getType(), BI);
339
340   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
341   ICmpInst::Predicate Opcode;
342   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
343     Opcode = ICmpInst::ICMP_NE;
344   else
345     Opcode = ICmpInst::ICMP_EQ;
346
347   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
348                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
349                << "       op:\t"
350                << (Opcode == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
351                << "      RHS:\t" << *RHS << "\n");
352
353   ICmpInst *Cond = new ICmpInst(BI, Opcode, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
354   Cond->setDebugLoc(BI->getDebugLoc());
355   Value *OrigCond = BI->getCondition();
356   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
357   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
358   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
359   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
360   // will make old comparison dead.
361   BI->setCondition(Cond);
362   DeadInsts.push_back(OrigCond);
363
364   ++NumLFTR;
365   Changed = true;
366   return Cond;
367 }
368
369 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
370 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
371 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
372 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
373 /// the loop that use the final values of the current expressions.
374 ///
375 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
376 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
377 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
378 /// constant operands at the beginning of the loop.
379 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
380   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
381   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
382
383   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
384   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
385
386   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
387   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
388   // the exit blocks of the loop to find them.
389   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
390     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
391
392     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
393     // inside the loop are used on this path, skip it.
394     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
395     if (!PN) continue;
396
397     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
398
399     // Iterate over all of the PHI nodes.
400     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
401     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
402       if (PN->use_empty())
403         continue; // dead use, don't replace it
404
405       // SCEV only supports integer expressions for now.
406       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
407         continue;
408
409       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
410       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
411       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
412       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
413       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
414       SE->forgetValue(PN);
415
416       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
417       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
418         // If the value being merged in is not integer or is not defined
419         // in the loop, skip it.
420         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
421         if (!isa<Instruction>(InVal))
422           continue;
423
424         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
425         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
426           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
427
428         // Check that InVal is defined in the loop.
429         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
430         if (!L->contains(Inst))
431           continue;
432
433         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
434         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
435         // contains when the loop exits, if possible.
436         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
437         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
438           continue;
439
440         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
441
442         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
443                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
444
445         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
446           DeadInsts.push_back(ExitVal);
447           continue;
448         }
449         Changed = true;
450         ++NumReplaced;
451
452         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
453
454         // If this instruction is dead now, delete it.
455         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
456
457         if (NumPreds == 1) {
458           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
459           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
460           // node anymore.
461           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
462           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
463         }
464       }
465       if (NumPreds != 1) {
466         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
467         // any other maps purge the original user from their records.
468         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
469         NewPN->takeName(PN);
470         NewPN->insertBefore(PN);
471         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
472         PN->eraseFromParent();
473       }
474     }
475   }
476
477   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
478   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
479   Rewriter.clearInsertPoint();
480 }
481
482 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
483   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
484   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
485   // the SCEV routines.
486   //
487   BasicBlock *Header = L->getHeader();
488
489   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
490   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
491        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
492     PHIs.push_back(PN);
493
494   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
495     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
496       HandleFloatingPointIV(L, PN);
497
498   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
499   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
500   // re-writing, the trip count may be computable.
501   if (Changed)
502     SE->forgetLoop(L);
503 }
504
505 /// SimplifyIVUsers - Iteratively perform simplification on IVUsers within this
506 /// loop. IVUsers is treated as a worklist. Each successive simplification may
507 /// push more users which may themselves be candidates for simplification.
508 ///
509 /// This is the old approach to IV simplification to be replaced by
510 /// SimplifyIVUsersNoRewrite.
511 ///
512 void IndVarSimplify::SimplifyIVUsers(SCEVExpander &Rewriter) {
513   // Each round of simplification involves a round of eliminating operations
514   // followed by a round of widening IVs. A single IVUsers worklist is used
515   // across all rounds. The inner loop advances the user. If widening exposes
516   // more uses, then another pass through the outer loop is triggered.
517   for (IVUsers::iterator I = IU->begin(); I != IU->end(); ++I) {
518     Instruction *UseInst = I->getUser();
519     Value *IVOperand = I->getOperandValToReplace();
520
521     if (ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UseInst)) {
522       EliminateIVComparison(ICmp, IVOperand);
523       continue;
524     }
525     if (BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UseInst)) {
526       bool IsSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
527       if (IsSigned || Rem->getOpcode() == Instruction::URem) {
528         EliminateIVRemainder(Rem, IVOperand, IsSigned);
529         continue;
530       }
531     }
532   }
533 }
534
535 namespace {
536   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
537   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
538   // provides the input to WidenIV.
539   struct WideIVInfo {
540     const Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
541     bool IsSigned;                // Was an sext user seen before a zext?
542
543     WideIVInfo() : WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
544   };
545 }
546
547 /// CollectExtend - Update information about the induction variable that is
548 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
549 /// the final width of the IV before actually widening it.
550 static void CollectExtend(CastInst *Cast, bool IsSigned, WideIVInfo &WI,
551                           ScalarEvolution *SE, const TargetData *TD) {
552   const Type *Ty = Cast->getType();
553   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
554   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
555     return;
556
557   if (!WI.WidestNativeType) {
558     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
559     WI.IsSigned = IsSigned;
560     return;
561   }
562
563   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
564   if (WI.IsSigned != IsSigned)
565     return;
566
567   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
568     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
569 }
570
571 namespace {
572 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
573 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
574 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
575 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
576 ///
577 class WidenIV {
578   // Parameters
579   PHINode *OrigPhi;
580   const Type *WideType;
581   bool IsSigned;
582
583   // Context
584   LoopInfo        *LI;
585   Loop            *L;
586   ScalarEvolution *SE;
587   DominatorTree   *DT;
588
589   // Result
590   PHINode *WidePhi;
591   Instruction *WideInc;
592   const SCEV *WideIncExpr;
593   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
594
595   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
596   SmallVector<std::pair<Use *, Instruction *>, 8> NarrowIVUsers;
597
598 public:
599   WidenIV(PHINode *PN, const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
600           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
601           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
602     OrigPhi(PN),
603     WideType(WI.WidestNativeType),
604     IsSigned(WI.IsSigned),
605     LI(LInfo),
606     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
607     SE(SEv),
608     DT(DTree),
609     WidePhi(0),
610     WideInc(0),
611     WideIncExpr(0),
612     DeadInsts(DI) {
613     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
614   }
615
616   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
617
618 protected:
619   Instruction *CloneIVUser(Instruction *NarrowUse,
620                            Instruction *NarrowDef,
621                            Instruction *WideDef);
622
623   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
624
625   Instruction *WidenIVUse(Use &NarrowDefUse, Instruction *NarrowDef,
626                           Instruction *WideDef);
627
628   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
629 };
630 } // anonymous namespace
631
632 static Value *getExtend( Value *NarrowOper, const Type *WideType,
633                                bool IsSigned, IRBuilder<> &Builder) {
634   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
635                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
636 }
637
638 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
639 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
640 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
641 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(Instruction *NarrowUse,
642                                   Instruction *NarrowDef,
643                                   Instruction *WideDef) {
644   unsigned Opcode = NarrowUse->getOpcode();
645   switch (Opcode) {
646   default:
647     return 0;
648   case Instruction::Add:
649   case Instruction::Mul:
650   case Instruction::UDiv:
651   case Instruction::Sub:
652   case Instruction::And:
653   case Instruction::Or:
654   case Instruction::Xor:
655   case Instruction::Shl:
656   case Instruction::LShr:
657   case Instruction::AShr:
658     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *NarrowUse << "\n");
659
660     IRBuilder<> Builder(NarrowUse);
661
662     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
663     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
664     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
665     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
666     // WidenIVUse.
667     Value *LHS = (NarrowUse->getOperand(0) == NarrowDef) ? WideDef :
668       getExtend(NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, Builder);
669     Value *RHS = (NarrowUse->getOperand(1) == NarrowDef) ? WideDef :
670       getExtend(NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, Builder);
671
672     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(NarrowUse);
673     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
674                                                     LHS, RHS,
675                                                     NarrowBO->getName());
676     Builder.Insert(WideBO);
677     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
678         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
679       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
680       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
681     }
682     return WideBO;
683   }
684   llvm_unreachable(0);
685 }
686
687 /// HoistStep - Attempt to hoist an IV increment above a potential use.
688 ///
689 /// To successfully hoist, two criteria must be met:
690 /// - IncV operands dominate InsertPos and
691 /// - InsertPos dominates IncV
692 ///
693 /// Meeting the second condition means that we don't need to check all of IncV's
694 /// existing uses (it's moving up in the domtree).
695 ///
696 /// This does not yet recursively hoist the operands, although that would
697 /// not be difficult.
698 static bool HoistStep(Instruction *IncV, Instruction *InsertPos,
699                       const DominatorTree *DT)
700 {
701   if (DT->dominates(IncV, InsertPos))
702     return true;
703
704   if (!DT->dominates(InsertPos->getParent(), IncV->getParent()))
705     return false;
706
707   if (IncV->mayHaveSideEffects())
708     return false;
709
710   // Attempt to hoist IncV
711   for (User::op_iterator OI = IncV->op_begin(), OE = IncV->op_end();
712        OI != OE; ++OI) {
713     Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(OI);
714     if (OInst && !DT->dominates(OInst, InsertPos))
715       return false;
716   }
717   IncV->moveBefore(InsertPos);
718   return true;
719 }
720
721 // GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from IVUsers'
722 // perspective after widening it's type? In other words, can the extend be
723 // safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a recurrence
724 // on the same loop. If so, return the sign or zero extended
725 // recurrence. Otherwise return NULL.
726 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
727   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
728     return 0;
729
730   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
731   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
732       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
733     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
734     // index. So don't follow this use.
735     return 0;
736   }
737
738   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
739     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
740     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
741   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
742   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
743     return 0;
744
745   return AddRec;
746 }
747
748 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
749 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
750 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(Use &NarrowDefUse, Instruction *NarrowDef,
751                                  Instruction *WideDef) {
752   Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(NarrowDefUse.getUser());
753
754   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
755   if (isa<PHINode>(NarrowUse) && LI->getLoopFor(NarrowUse->getParent()) != L)
756     return 0;
757
758   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
759   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(NarrowUse) : isa<ZExtInst>(NarrowUse)) {
760     Value *NewDef = WideDef;
761     if (NarrowUse->getType() != WideType) {
762       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(NarrowUse->getType());
763       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
764       if (CastWidth < IVWidth) {
765         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
766         IRBuilder<> Builder(NarrowDefUse);
767         NewDef = Builder.CreateTrunc(WideDef, NarrowUse->getType());
768       }
769       else {
770         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
771         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
772         // dead. It should be very rare.
773         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
774               << " not wide enough to subsume " << *NarrowUse << "\n");
775         NarrowUse->replaceUsesOfWith(NarrowDef, WideDef);
776         NewDef = NarrowUse;
777       }
778     }
779     if (NewDef != NarrowUse) {
780       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *NarrowUse
781             << " replaced by " << *WideDef << "\n");
782       ++NumElimExt;
783       NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
784       DeadInsts.push_back(NarrowUse);
785     }
786     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
787     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
788     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
789     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
790     // push the uses of WideDef here.
791
792     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
793     return 0;
794   }
795
796   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
797   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(NarrowUse);
798   if (!WideAddRec) {
799     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
800     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
801     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
802     IRBuilder<> Builder(NarrowDefUse);
803     Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(WideDef, NarrowDef->getType());
804     NarrowUse->replaceUsesOfWith(NarrowDef, Trunc);
805     return 0;
806   }
807   // We assume that block terminators are not SCEVable. We wouldn't want to
808   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
809   assert(NarrowUse != NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
810          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
811
812   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
813   // NarrowUse.
814   Instruction *WideUse = 0;
815   if (WideAddRec == WideIncExpr && HoistStep(WideInc, NarrowUse, DT)) {
816     WideUse = WideInc;
817   }
818   else {
819     WideUse = CloneIVUser(NarrowUse, NarrowDef, WideDef);
820     if (!WideUse)
821       return 0;
822   }
823   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
824   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
825   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
826   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
827   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
828   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
829     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
830           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
831     DeadInsts.push_back(WideUse);
832     return 0;
833   }
834
835   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
836   return WideUse;
837 }
838
839 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
840 ///
841 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
842   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
843          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
844     Use &U = UI.getUse();
845
846     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
847     if (!Widened.insert(cast<Instruction>(U.getUser())))
848       continue;
849
850     NarrowIVUsers.push_back(std::make_pair(&UI.getUse(), WideDef));
851   }
852 }
853
854 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
855 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
856 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
857 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
858 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
859 /// DeleteDeadPHIs.
860 ///
861 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
862 /// invalidating SCEV expressions.
863 ///
864 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
865   // Is this phi an induction variable?
866   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
867   if (!AddRec)
868     return NULL;
869
870   // Widen the induction variable expression.
871   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
872     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
873     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
874
875   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
876          "Expect the new IV expression to preserve its type");
877
878   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
879   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
880   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
881     return NULL;
882
883   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
884   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
885   // operands, so they must dominate the loop header.
886   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
887          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
888          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
889
890   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
891   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
892   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
893   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
894   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
895   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
896
897   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
898   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
899   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
900   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
901   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
902     WideInc =
903       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
904     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
905   }
906
907   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
908   ++NumWidened;
909
910   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
911   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
912
913   Widened.insert(OrigPhi);
914   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
915
916   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
917     Use *UsePtr;
918     Instruction *WideDef;
919     tie(UsePtr, WideDef) = NarrowIVUsers.pop_back_val();
920     Use &NarrowDefUse = *UsePtr;
921
922     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
923     // use_iterator across it.
924     Instruction *NarrowDef = cast<Instruction>(NarrowDefUse.get());
925     Instruction *WideUse = WidenIVUse(NarrowDefUse, NarrowDef, WideDef);
926
927     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
928     if (WideUse)
929       pushNarrowIVUsers(cast<Instruction>(NarrowDefUse.getUser()), WideUse);
930
931     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
932     if (NarrowDef->use_empty())
933       DeadInsts.push_back(NarrowDef);
934   }
935   return WidePhi;
936 }
937
938 void IndVarSimplify::EliminateIVComparison(ICmpInst *ICmp, Value *IVOperand) {
939   unsigned IVOperIdx = 0;
940   ICmpInst::Predicate Pred = ICmp->getPredicate();
941   if (IVOperand != ICmp->getOperand(0)) {
942     // Swapped
943     assert(IVOperand == ICmp->getOperand(1) && "Can't find IVOperand");
944     IVOperIdx = 1;
945     Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
946   }
947
948   // Get the SCEVs for the ICmp operands.
949   const SCEV *S = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(IVOperIdx));
950   const SCEV *X = SE->getSCEV(ICmp->getOperand(1 - IVOperIdx));
951
952   // Simplify unnecessary loops away.
953   const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(ICmp->getParent());
954   S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
955   X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
956
957   // If the condition is always true or always false, replace it with
958   // a constant value.
959   if (SE->isKnownPredicate(Pred, S, X))
960     ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getTrue(ICmp->getContext()));
961   else if (SE->isKnownPredicate(ICmpInst::getInversePredicate(Pred), S, X))
962     ICmp->replaceAllUsesWith(ConstantInt::getFalse(ICmp->getContext()));
963   else
964     return;
965
966   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated comparison: " << *ICmp << '\n');
967   ++NumElimCmp;
968   Changed = true;
969   DeadInsts.push_back(ICmp);
970 }
971
972 void IndVarSimplify::EliminateIVRemainder(BinaryOperator *Rem,
973                                           Value *IVOperand,
974                                           bool IsSigned) {
975   // We're only interested in the case where we know something about
976   // the numerator.
977   if (IVOperand != Rem->getOperand(0))
978     return;
979
980   // Get the SCEVs for the ICmp operands.
981   const SCEV *S = SE->getSCEV(Rem->getOperand(0));
982   const SCEV *X = SE->getSCEV(Rem->getOperand(1));
983
984   // Simplify unnecessary loops away.
985   const Loop *ICmpLoop = LI->getLoopFor(Rem->getParent());
986   S = SE->getSCEVAtScope(S, ICmpLoop);
987   X = SE->getSCEVAtScope(X, ICmpLoop);
988
989   // i % n  -->  i  if i is in [0,n).
990   if ((!IsSigned || SE->isKnownNonNegative(S)) &&
991       SE->isKnownPredicate(IsSigned ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
992                            S, X))
993     Rem->replaceAllUsesWith(Rem->getOperand(0));
994   else {
995     // (i+1) % n  -->  (i+1)==n?0:(i+1)  if i is in [0,n).
996     const SCEV *LessOne =
997       SE->getMinusSCEV(S, SE->getConstant(S->getType(), 1));
998     if (IsSigned && !SE->isKnownNonNegative(LessOne))
999       return;
1000
1001     if (!SE->isKnownPredicate(IsSigned ?
1002                               ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
1003                               LessOne, X))
1004       return;
1005
1006     ICmpInst *ICmp = new ICmpInst(Rem, ICmpInst::ICMP_EQ,
1007                                   Rem->getOperand(0), Rem->getOperand(1),
1008                                   "tmp");
1009     SelectInst *Sel =
1010       SelectInst::Create(ICmp,
1011                          ConstantInt::get(Rem->getType(), 0),
1012                          Rem->getOperand(0), "tmp", Rem);
1013     Rem->replaceAllUsesWith(Sel);
1014   }
1015
1016   // Inform IVUsers about the new users.
1017   if (IU) {
1018     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Rem->getOperand(0)))
1019       IU->AddUsersIfInteresting(I);
1020   }
1021   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Simplified rem: " << *Rem << '\n');
1022   ++NumElimRem;
1023   Changed = true;
1024   DeadInsts.push_back(Rem);
1025 }
1026
1027 /// EliminateIVUser - Eliminate an operation that consumes a simple IV and has
1028 /// no observable side-effect given the range of IV values.
1029 bool IndVarSimplify::EliminateIVUser(Instruction *UseInst,
1030                                      Instruction *IVOperand) {
1031   if (ICmpInst *ICmp = dyn_cast<ICmpInst>(UseInst)) {
1032     EliminateIVComparison(ICmp, IVOperand);
1033     return true;
1034   }
1035   if (BinaryOperator *Rem = dyn_cast<BinaryOperator>(UseInst)) {
1036     bool IsSigned = Rem->getOpcode() == Instruction::SRem;
1037     if (IsSigned || Rem->getOpcode() == Instruction::URem) {
1038       EliminateIVRemainder(Rem, IVOperand, IsSigned);
1039       return true;
1040     }
1041   }
1042
1043   // Eliminate any operation that SCEV can prove is an identity function.
1044   if (!SE->isSCEVable(UseInst->getType()) ||
1045       (UseInst->getType() != IVOperand->getType()) ||
1046       (SE->getSCEV(UseInst) != SE->getSCEV(IVOperand)))
1047     return false;
1048
1049   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated identity: " << *UseInst << '\n');
1050
1051   UseInst->replaceAllUsesWith(IVOperand);
1052   ++NumElimIdentity;
1053   Changed = true;
1054   DeadInsts.push_back(UseInst);
1055   return true;
1056 }
1057
1058 /// pushIVUsers - Add all uses of Def to the current IV's worklist.
1059 ///
1060 static void pushIVUsers(
1061   Instruction *Def,
1062   SmallPtrSet<Instruction*,16> &Simplified,
1063   SmallVectorImpl< std::pair<Instruction*,Instruction*> > &SimpleIVUsers) {
1064
1065   for (Value::use_iterator UI = Def->use_begin(), E = Def->use_end();
1066        UI != E; ++UI) {
1067     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
1068
1069     // Avoid infinite or exponential worklist processing.
1070     // Also ensure unique worklist users.
1071     // If Def is a LoopPhi, it may not be in the Simplified set, so check for
1072     // self edges first.
1073     if (User != Def && Simplified.insert(User))
1074       SimpleIVUsers.push_back(std::make_pair(User, Def));
1075   }
1076 }
1077
1078 /// isSimpleIVUser - Return true if this instruction generates a simple SCEV
1079 /// expression in terms of that IV.
1080 ///
1081 /// This is similar to IVUsers' isInsteresting() but processes each instruction
1082 /// non-recursively when the operand is already known to be a simpleIVUser.
1083 ///
1084 bool IndVarSimplify::isSimpleIVUser(Instruction *I, const Loop *L) {
1085   if (!SE->isSCEVable(I->getType()))
1086     return false;
1087
1088   // Get the symbolic expression for this instruction.
1089   const SCEV *S = SE->getSCEV(I);
1090
1091   // We assume that terminators are not SCEVable.
1092   assert((!S || I != I->getParent()->getTerminator()) &&
1093          "can't fold terminators");
1094
1095   // Only consider affine recurrences.
1096   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S);
1097   if (AR && AR->getLoop() == L)
1098     return true;
1099
1100   return false;
1101 }
1102
1103 /// SimplifyIVUsersNoRewrite - Iteratively perform simplification on a worklist
1104 /// of IV users. Each successive simplification may push more users which may
1105 /// themselves be candidates for simplification.
1106 ///
1107 /// The "NoRewrite" algorithm does not require IVUsers analysis. Instead, it
1108 /// simplifies instructions in-place during analysis. Rather than rewriting
1109 /// induction variables bottom-up from their users, it transforms a chain of
1110 /// IVUsers top-down, updating the IR only when it encouters a clear
1111 /// optimization opportunitiy. A SCEVExpander "Rewriter" instance is still
1112 /// needed, but only used to generate a new IV (phi) of wider type for sign/zero
1113 /// extend elimination.
1114 ///
1115 /// Once DisableIVRewrite is default, LSR will be the only client of IVUsers.
1116 ///
1117 void IndVarSimplify::SimplifyIVUsersNoRewrite(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
1118   std::map<PHINode *, WideIVInfo> WideIVMap;
1119
1120   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1121   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1122     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1123   }
1124   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1125   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1126   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1127   // simplification on the wide IVs.
1128   while (!LoopPhis.empty()) {
1129     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1130     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1131     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1132     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1133     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1134     // other SCEV based analysis prior to SimplifyIVUsersNoRewrite.
1135     do {
1136       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1137
1138       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1139       WideIVInfo WI;
1140
1141       // Instructions processed by SimplifyIVUsers for CurrIV.
1142       SmallPtrSet<Instruction*,16> Simplified;
1143
1144       // Use-def pairs if IV users waiting to be processed for CurrIV.
1145       SmallVector<std::pair<Instruction*, Instruction*>, 8> SimpleIVUsers;
1146
1147       // Push users of the current LoopPhi. In rare cases, pushIVUsers may be
1148       // called multiple times for the same LoopPhi. This is the proper thing to
1149       // do for loop header phis that use each other.
1150       pushIVUsers(CurrIV, Simplified, SimpleIVUsers);
1151
1152       while (!SimpleIVUsers.empty()) {
1153         Instruction *UseInst, *Operand;
1154         tie(UseInst, Operand) = SimpleIVUsers.pop_back_val();
1155         // Bypass back edges to avoid extra work.
1156         if (UseInst == CurrIV) continue;
1157
1158         if (EliminateIVUser(UseInst, Operand)) {
1159           pushIVUsers(Operand, Simplified, SimpleIVUsers);
1160           continue;
1161         }
1162         if (CastInst *Cast = dyn_cast<CastInst>(UseInst)) {
1163           bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
1164           if (IsSigned || Cast->getOpcode() == Instruction::ZExt) {
1165             CollectExtend(Cast, IsSigned, WI, SE, TD);
1166           }
1167           continue;
1168         }
1169         if (isSimpleIVUser(UseInst, L)) {
1170           pushIVUsers(UseInst, Simplified, SimpleIVUsers);
1171         }
1172       }
1173       if (WI.WidestNativeType) {
1174         WideIVMap[CurrIV] = WI;
1175       }
1176     } while(!LoopPhis.empty());
1177
1178     for (std::map<PHINode *, WideIVInfo>::const_iterator I = WideIVMap.begin(),
1179            E = WideIVMap.end(); I != E; ++I) {
1180       WidenIV Widener(I->first, I->second, LI, SE, DT, DeadInsts);
1181       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1182         Changed = true;
1183         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1184       }
1185     }
1186     WideIVMap.clear();
1187   }
1188 }
1189
1190 /// SimplifyCongruentIVs - Check for congruent phis in this loop header and
1191 /// populate ExprToIVMap for use later.
1192 ///
1193 void IndVarSimplify::SimplifyCongruentIVs(Loop *L) {
1194   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1195     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1196     const SCEV *S = SE->getSCEV(Phi);
1197     ExprToIVMapTy::const_iterator Pos;
1198     bool Inserted;
1199     tie(Pos, Inserted) = ExprToIVMap.insert(std::make_pair(S, Phi));
1200     if (Inserted)
1201       continue;
1202     PHINode *OrigPhi = Pos->second;
1203     // Replacing the congruent phi is sufficient because acyclic redundancy
1204     // elimination, CSE/GVN, should handle the rest. However, once SCEV proves
1205     // that a phi is congruent, it's almost certain to be the head of an IV
1206     // user cycle that is isomorphic with the original phi. So it's worth
1207     // eagerly cleaning up the common case of a single IV increment.
1208     if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1209       Instruction *OrigInc =
1210         cast<Instruction>(OrigPhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1211       Instruction *IsomorphicInc =
1212         cast<Instruction>(Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1213       if (OrigInc != IsomorphicInc &&
1214           SE->getSCEV(OrigInc) == SE->getSCEV(IsomorphicInc) &&
1215           HoistStep(OrigInc, IsomorphicInc, DT)) {
1216         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated congruent iv.inc: "
1217               << *IsomorphicInc << '\n');
1218         IsomorphicInc->replaceAllUsesWith(OrigInc);
1219         DeadInsts.push_back(IsomorphicInc);
1220       }
1221     }
1222     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated congruent iv: " << *Phi << '\n');
1223     ++NumElimIV;
1224     Phi->replaceAllUsesWith(OrigPhi);
1225     DeadInsts.push_back(Phi);
1226   }
1227 }
1228
1229 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1230   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1231   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1232   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1233   //    afterwards.
1234   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1235   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1236   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1237   //    we've manually inserted one.
1238   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1239     return false;
1240
1241   if (!DisableIVRewrite)
1242     IU = &getAnalysis<IVUsers>();
1243   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1244   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1245   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1246   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1247
1248   ExprToIVMap.clear();
1249   DeadInsts.clear();
1250   Changed = false;
1251
1252   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1253   // transform them to use integer recurrences.
1254   RewriteNonIntegerIVs(L);
1255
1256   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1257
1258   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1259   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1260
1261   // Eliminate redundant IV users.
1262   //
1263   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1264   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1265   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1266   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1267   if (DisableIVRewrite) {
1268     Rewriter.disableCanonicalMode();
1269     SimplifyIVUsersNoRewrite(L, Rewriter);
1270   }
1271
1272   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1273   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1274   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1275   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1276   // the current expressions.
1277   //
1278   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1279     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1280
1281   // Eliminate redundant IV users.
1282   if (!DisableIVRewrite)
1283     SimplifyIVUsers(Rewriter);
1284
1285   // Eliminate redundant IV cycles and populate ExprToIVMap.
1286   // TODO: use ExprToIVMap to allow LFTR without canonical IVs
1287   if (DisableIVRewrite)
1288     SimplifyCongruentIVs(L);
1289
1290   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
1291   // a canonical induction variable should be inserted.
1292   const Type *LargestType = 0;
1293   bool NeedCannIV = false;
1294   bool ExpandBECount = canExpandBackedgeTakenCount(L, SE);
1295   if (ExpandBECount) {
1296     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
1297     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
1298     // canonical induction variable.
1299     NeedCannIV = true;
1300     const Type *Ty = BackedgeTakenCount->getType();
1301     if (DisableIVRewrite) {
1302       // In this mode, SimplifyIVUsers may have already widened the IV used by
1303       // the backedge test and inserted a Trunc on the compare's operand. Get
1304       // the wider type to avoid creating a redundant narrow IV only used by the
1305       // loop test.
1306       LargestType = getBackedgeIVType(L);
1307     }
1308     if (!LargestType ||
1309         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1310         SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1311       LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
1312   }
1313   if (!DisableIVRewrite) {
1314     for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
1315       NeedCannIV = true;
1316       const Type *Ty =
1317         SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
1318       if (!LargestType ||
1319           SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1320           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1321         LargestType = Ty;
1322     }
1323   }
1324
1325   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
1326   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
1327   PHINode *IndVar = 0;
1328   if (NeedCannIV) {
1329     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
1330     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
1331     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
1332     // doesn't attempt to reuse them.
1333     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
1334     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
1335       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
1336           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1337         OldCannIV->removeFromParent();
1338       else
1339         break;
1340       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
1341     }
1342
1343     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
1344
1345     ++NumInserted;
1346     Changed = true;
1347     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
1348
1349     // Now that the official induction variable is established, reinsert
1350     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
1351     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
1352     // the end of the pass.
1353     while (!OldCannIVs.empty()) {
1354       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
1355       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstNonPHI());
1356     }
1357   }
1358
1359   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1360   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1361   ICmpInst *NewICmp = 0;
1362   if (ExpandBECount) {
1363     assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) &&
1364            "canonical IV disrupted BackedgeTaken expansion");
1365     assert(NeedCannIV &&
1366            "LinearFunctionTestReplace requires a canonical induction variable");
1367     NewICmp = LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar,
1368                                         Rewriter);
1369   }
1370   // Rewrite IV-derived expressions.
1371   if (!DisableIVRewrite)
1372     RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
1373
1374   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1375   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1376   // trigger.
1377   Rewriter.clear();
1378
1379   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1380   // which are now dead.
1381   while (!DeadInsts.empty())
1382     if (Instruction *Inst =
1383           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1384       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
1385
1386   // The Rewriter may not be used from this point on.
1387
1388   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1389   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1390   SinkUnusedInvariants(L);
1391
1392   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
1393   // loop exit test instruction.
1394   if (NewICmp && IU)
1395     IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmp->getOperand(0)));
1396
1397   // Clean up dead instructions.
1398   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
1399   // Check a post-condition.
1400   assert(L->isLCSSAForm(*DT) && "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1401   return Changed;
1402 }
1403
1404 // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
1405 // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
1406 // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
1407 // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
1408 // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
1409 // it can be expanded to a trivial value.
1410 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1411   // Loop-invariant values are safe.
1412   if (SE->isLoopInvariant(S, L)) return true;
1413
1414   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
1415   // to transform them into efficient code.
1416   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
1417     return AR->isAffine();
1418
1419   // An add is safe it all its operands are safe.
1420   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
1421     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
1422          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
1423       if (!isSafe(*I, L, SE)) return false;
1424     return true;
1425   }
1426
1427   // A cast is safe if its operand is.
1428   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
1429     return isSafe(C->getOperand(), L, SE);
1430
1431   // A udiv is safe if its operands are.
1432   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
1433     return isSafe(UD->getLHS(), L, SE) &&
1434            isSafe(UD->getRHS(), L, SE);
1435
1436   // SCEVUnknown is always safe.
1437   if (isa<SCEVUnknown>(S))
1438     return true;
1439
1440   // Nothing else is safe.
1441   return false;
1442 }
1443
1444 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
1445   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
1446   // induction variable.
1447   //
1448   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
1449   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
1450   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
1451   // of different sizes.
1452   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
1453     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
1454     const Type *UseTy = Op->getType();
1455     Instruction *User = UI->getUser();
1456
1457     // Compute the final addrec to expand into code.
1458     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
1459
1460     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
1461     if (!L->contains(UI->getUser())) {
1462       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
1463       if (SE->isLoopInvariant(ExitVal, L))
1464         AR = ExitVal;
1465     }
1466
1467     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
1468     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
1469     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
1470     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
1471     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
1472     // it can be expanded to a trivial value.
1473     if (!isSafe(AR, L, SE))
1474       continue;
1475
1476     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
1477     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
1478     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
1479     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
1480     // incoming blocks.
1481     Instruction *InsertPt = User;
1482     if (PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(InsertPt))
1483       for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
1484         if (PHI->getIncomingValue(i) == Op) {
1485           if (InsertPt == User)
1486             InsertPt = PHI->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
1487           else
1488             InsertPt =
1489               DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(),
1490                                              PHI->getIncomingBlock(i))
1491                     ->getTerminator();
1492         }
1493
1494     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
1495     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
1496
1497     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
1498                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
1499
1500     if (!isValidRewrite(Op, NewVal)) {
1501       DeadInsts.push_back(NewVal);
1502       continue;
1503     }
1504     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
1505     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
1506     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
1507     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
1508     // deleted.
1509     SE->forgetValue(User);
1510
1511     // Patch the new value into place.
1512     if (Op->hasName())
1513       NewVal->takeName(Op);
1514     if (Instruction *NewValI = dyn_cast<Instruction>(NewVal))
1515       NewValI->setDebugLoc(User->getDebugLoc());
1516     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
1517     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
1518
1519     ++NumRemoved;
1520     Changed = true;
1521
1522     // The old value may be dead now.
1523     DeadInsts.push_back(Op);
1524   }
1525 }
1526
1527 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1528 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1529 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1530 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1531   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1532   if (!ExitBlock) return;
1533
1534   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1535   if (!Preheader) return;
1536
1537   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstNonPHI();
1538   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1539   while (I != Preheader->begin()) {
1540     --I;
1541     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1542     if (isa<PHINode>(I))
1543       break;
1544
1545     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1546     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1547     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1548     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1549     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1550     // block.
1551     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1552       continue;
1553
1554     // Skip debug info intrinsics.
1555     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1556       continue;
1557
1558     // Don't sink static AllocaInsts out of the entry block, which would
1559     // turn them into dynamic allocas!
1560     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
1561       if (AI->isStaticAlloca())
1562         continue;
1563
1564     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1565     // otherwise).
1566     bool UsedInLoop = false;
1567     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1568          UI != UE; ++UI) {
1569       User *U = *UI;
1570       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1571       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1572         unsigned i =
1573           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1574         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1575       }
1576       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1577         UsedInLoop = true;
1578         break;
1579       }
1580     }
1581
1582     // If there is, the def must remain in the preheader.
1583     if (UsedInLoop)
1584       continue;
1585
1586     // Otherwise, sink it to the exit block.
1587     Instruction *ToMove = I;
1588     bool Done = false;
1589
1590     if (I != Preheader->begin()) {
1591       // Skip debug info intrinsics.
1592       do {
1593         --I;
1594       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1595
1596       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1597         Done = true;
1598     } else {
1599       Done = true;
1600     }
1601
1602     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1603     if (Done) break;
1604     InsertPt = ToMove;
1605   }
1606 }
1607
1608 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
1609 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
1610   bool isExact = false;
1611   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
1612     return false;
1613   // See if we can convert this to an int64_t
1614   uint64_t UIntVal;
1615   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
1616                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
1617     return false;
1618   IntVal = UIntVal;
1619   return true;
1620 }
1621
1622 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
1623 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
1624 /// For example,
1625 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
1626 ///   bar(i)
1627 /// is converted into
1628 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
1629 ///   bar((double)i);
1630 ///
1631 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
1632   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
1633   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
1634
1635   // Check incoming value.
1636   ConstantFP *InitValueVal =
1637     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
1638
1639   int64_t InitValue;
1640   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
1641     return;
1642
1643   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
1644   // an add or increment value can not be represented by an integer.
1645   BinaryOperator *Incr =
1646     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
1647   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
1648
1649   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
1650   // is not an integer, bail out.
1651   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
1652   int64_t IncValue;
1653   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
1654       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
1655     return;
1656
1657   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
1658   // used by the conditional terminator.
1659   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
1660   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
1661   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
1662   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
1663   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
1664
1665   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
1666   // only used by a branch, we can't transform it.
1667   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
1668   if (!Compare)
1669     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
1670   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
1671       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
1672     return;
1673
1674   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
1675
1676   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
1677   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
1678   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
1679   // of the loop.
1680   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
1681   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
1682       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
1683        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
1684     return;
1685
1686
1687   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
1688   // transform it.
1689   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
1690   int64_t ExitValue;
1691   if (ExitValueVal == 0 ||
1692       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
1693     return;
1694
1695   // Find new predicate for integer comparison.
1696   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
1697   switch (Compare->getPredicate()) {
1698   default: return;  // Unknown comparison.
1699   case CmpInst::FCMP_OEQ:
1700   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
1701   case CmpInst::FCMP_ONE:
1702   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
1703   case CmpInst::FCMP_OGT:
1704   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
1705   case CmpInst::FCMP_OGE:
1706   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
1707   case CmpInst::FCMP_OLT:
1708   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
1709   case CmpInst::FCMP_OLE:
1710   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
1711   }
1712
1713   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
1714   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
1715   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
1716   // now.
1717   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
1718
1719   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
1720   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
1721     return;
1722
1723   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
1724   if (IncValue == 0)
1725     return;
1726
1727   // Positive and negative strides have different safety conditions.
1728   if (IncValue > 0) {
1729     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
1730     // exit value and an equality or less than comparison.
1731     if (InitValue >= ExitValue ||
1732         NewPred == CmpInst::ICMP_SGT || NewPred == CmpInst::ICMP_SGE)
1733       return;
1734
1735     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
1736     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE) {
1737       // Normalize SLE -> SLT, check for infinite loop.
1738       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
1739     }
1740
1741     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
1742
1743     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
1744     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
1745     // around and do things the fp IV wouldn't.
1746     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
1747         Leftover != 0)
1748       return;
1749
1750     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
1751     // transform the IV.
1752     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
1753       return;
1754
1755   } else {
1756     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
1757     // exit value and an equality or greater than comparison.
1758     if (InitValue >= ExitValue ||
1759         NewPred == CmpInst::ICMP_SLT || NewPred == CmpInst::ICMP_SLE)
1760       return;
1761
1762     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
1763     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE) {
1764       // Normalize SGE -> SGT, check for infinite loop.
1765       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
1766     }
1767
1768     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
1769
1770     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
1771     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
1772     // around and do things the fp IV wouldn't.
1773     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
1774         Leftover != 0)
1775       return;
1776
1777     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
1778     // transform the IV.
1779     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
1780       return;
1781   }
1782
1783   const IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
1784
1785   // Insert new integer induction variable.
1786   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
1787   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
1788                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
1789
1790   Value *NewAdd =
1791     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
1792                               Incr->getName()+".int", Incr);
1793   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
1794
1795   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
1796                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
1797                                       Compare->getName());
1798
1799   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
1800   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
1801   WeakVH WeakPH = PN;
1802
1803   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
1804   // new comparison.
1805   NewCompare->takeName(Compare);
1806   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
1807   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
1808
1809   // Delete the old floating point increment.
1810   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
1811   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
1812
1813   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
1814   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
1815   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
1816   // int->fp cast.
1817   //
1818   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
1819   // platforms.
1820   if (WeakPH) {
1821     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
1822                                  PN->getParent()->getFirstNonPHI());
1823     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
1824     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
1825   }
1826
1827   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
1828   if (IU)
1829     IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI);
1830 }