[indvars] Revert r139579 until 401.bzip -arch i386 miscompilation is fixed. PR10920.
[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 #define DEBUG_TYPE "indvars"
28 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
29 #include "llvm/BasicBlock.h"
30 #include "llvm/Constants.h"
31 #include "llvm/Instructions.h"
32 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
33 #include "llvm/LLVMContext.h"
34 #include "llvm/Type.h"
35 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
36 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
37 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
38 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
39 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
40 #include "llvm/Support/CFG.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include "llvm/Support/Debug.h"
43 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
44 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
45 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
46 #include "llvm/Transforms/Utils/SimplifyIndVar.h"
47 #include "llvm/Target/TargetData.h"
48 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
49 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
50 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumRemoved     , "Number of aux indvars removed");
54 STATISTIC(NumWidened     , "Number of indvars widened");
55 STATISTIC(NumInserted    , "Number of canonical indvars added");
56 STATISTIC(NumReplaced    , "Number of exit values replaced");
57 STATISTIC(NumLFTR        , "Number of loop exit tests replaced");
58 STATISTIC(NumElimExt     , "Number of IV sign/zero extends eliminated");
59 STATISTIC(NumElimIV      , "Number of congruent IVs eliminated");
60
61 namespace llvm {
62   cl::opt<bool> EnableIVRewrite(
63     "enable-iv-rewrite", cl::Hidden, cl::init(true),
64     cl::desc("Enable canonical induction variable rewriting"));
65
66   // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
67   // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
68   // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
69   cl::opt<bool> VerifyIndvars(
70     "verify-indvars", cl::Hidden,
71     cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
72 }
73
74 namespace {
75   class IndVarSimplify : public LoopPass {
76     IVUsers         *IU;
77     LoopInfo        *LI;
78     ScalarEvolution *SE;
79     DominatorTree   *DT;
80     TargetData      *TD;
81
82     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
83     bool Changed;
84   public:
85
86     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
87     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), IU(0), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0),
88                        Changed(false) {
89       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
90     }
91
92     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
93
94     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
95       AU.addRequired<DominatorTree>();
96       AU.addRequired<LoopInfo>();
97       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
98       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
99       AU.addRequiredID(LCSSAID);
100       if (EnableIVRewrite)
101         AU.addRequired<IVUsers>();
102       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
103       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
104       AU.addPreservedID(LCSSAID);
105       if (EnableIVRewrite)
106         AU.addPreserved<IVUsers>();
107       AU.setPreservesCFG();
108     }
109
110   private:
111     virtual void releaseMemory() {
112       DeadInsts.clear();
113     }
114
115     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
116
117     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
118     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
119
120     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
121
122     void SimplifyCongruentIVs(Loop *L);
123
124     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
125
126     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
127
128     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
129                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
130
131     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
132   };
133 }
134
135 char IndVarSimplify::ID = 0;
136 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
137                 "Induction Variable Simplification", false, false)
138 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
139 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
140 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
141 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
142 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
143 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
144 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
145                 "Induction Variable Simplification", false, false)
146
147 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
148   return new IndVarSimplify();
149 }
150
151 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
152 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
153 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
154 /// Ideally, this function will only be called for verification.
155 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
156   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
157   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
158   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
159   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
160   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
161   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
162   // bail out here.
163   //
164   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
165   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
166   Value *FromPtr = FromVal;
167   Value *ToPtr = ToVal;
168   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
169     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
170   }
171   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
172     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
173   }
174   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
175     // Quickly check the common case
176     if (FromPtr == ToPtr)
177       return true;
178
179     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
180     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
181     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
182     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
183     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
184     // indexed by an integer recurrence.
185     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
186     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
187     if (FromBase == ToBase)
188       return true;
189
190     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
191           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
192
193     return false;
194   }
195   return true;
196 }
197
198 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
199 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
200 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
201 /// common dominator for the incoming blocks.
202 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
203                                           DominatorTree *DT) {
204   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
205   if (!PHI)
206     return User;
207
208   Instruction *InsertPt = 0;
209   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
210     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
211       continue;
212
213     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
214     if (!InsertPt) {
215       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
216       continue;
217     }
218     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
219     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
220   }
221   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
222   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
223           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
224          "def does not dominate all uses");
225   return InsertPt;
226 }
227
228 //===----------------------------------------------------------------------===//
229 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
230 //===----------------------------------------------------------------------===//
231
232 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
233 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
234   bool isExact = false;
235   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
236     return false;
237   // See if we can convert this to an int64_t
238   uint64_t UIntVal;
239   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
240                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
241     return false;
242   IntVal = UIntVal;
243   return true;
244 }
245
246 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
247 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
248 /// For example,
249 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
250 ///   bar(i)
251 /// is converted into
252 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
253 ///   bar((double)i);
254 ///
255 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
256   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
257   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
258
259   // Check incoming value.
260   ConstantFP *InitValueVal =
261     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
262
263   int64_t InitValue;
264   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
265     return;
266
267   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
268   // an add or increment value can not be represented by an integer.
269   BinaryOperator *Incr =
270     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
271   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
272
273   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
274   // is not an integer, bail out.
275   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
276   int64_t IncValue;
277   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
278       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
279     return;
280
281   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
282   // used by the conditional terminator.
283   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
284   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
285   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
286   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
287   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
288
289   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
290   // only used by a branch, we can't transform it.
291   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
292   if (!Compare)
293     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
294   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
295       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
296     return;
297
298   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
299
300   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
301   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
302   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
303   // of the loop.
304   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
305   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
306       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
307        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
308     return;
309
310
311   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
312   // transform it.
313   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
314   int64_t ExitValue;
315   if (ExitValueVal == 0 ||
316       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
317     return;
318
319   // Find new predicate for integer comparison.
320   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
321   switch (Compare->getPredicate()) {
322   default: return;  // Unknown comparison.
323   case CmpInst::FCMP_OEQ:
324   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
325   case CmpInst::FCMP_ONE:
326   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
327   case CmpInst::FCMP_OGT:
328   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
329   case CmpInst::FCMP_OGE:
330   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
331   case CmpInst::FCMP_OLT:
332   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
333   case CmpInst::FCMP_OLE:
334   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
335   }
336
337   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
338   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
339   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
340   // now.
341   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
342
343   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
344   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
345     return;
346
347   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
348   if (IncValue == 0)
349     return;
350
351   // Positive and negative strides have different safety conditions.
352   if (IncValue > 0) {
353     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
354     // exit value.
355     if (InitValue >= ExitValue)
356       return;
357
358     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
359     // Check for infinite loop, either:
360     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
361     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
362       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
363     }
364
365     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
366
367     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
368     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
369     // around and do things the fp IV wouldn't.
370     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
371         Leftover != 0)
372       return;
373
374     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
375     // transform the IV.
376     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
377       return;
378
379   } else {
380     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
381     // exit value.
382     if (InitValue <= ExitValue)
383       return;
384
385     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
386     // Check for infinite loop, either:
387     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
388     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
389       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
390     }
391
392     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
393
394     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
395     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
396     // around and do things the fp IV wouldn't.
397     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
398         Leftover != 0)
399       return;
400
401     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
402     // transform the IV.
403     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
404       return;
405   }
406
407   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
408
409   // Insert new integer induction variable.
410   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
411   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
412                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
413
414   Value *NewAdd =
415     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
416                               Incr->getName()+".int", Incr);
417   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
418
419   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
420                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
421                                       Compare->getName());
422
423   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
424   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
425   WeakVH WeakPH = PN;
426
427   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
428   // new comparison.
429   NewCompare->takeName(Compare);
430   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
431   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
432
433   // Delete the old floating point increment.
434   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
435   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
436
437   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
438   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
439   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
440   // int->fp cast.
441   //
442   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
443   // platforms.
444   if (WeakPH) {
445     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
446                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
447     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
448     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
449   }
450
451   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
452   if (IU)
453     IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI);
454
455   Changed = true;
456 }
457
458 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
459   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
460   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
461   // the SCEV routines.
462   //
463   BasicBlock *Header = L->getHeader();
464
465   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
466   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
467        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
468     PHIs.push_back(PN);
469
470   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
471     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
472       HandleFloatingPointIV(L, PN);
473
474   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
475   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
476   // re-writing, the trip count may be computable.
477   if (Changed)
478     SE->forgetLoop(L);
479 }
480
481 //===----------------------------------------------------------------------===//
482 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
483 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
484 //===----------------------------------------------------------------------===//
485
486 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
487 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
488 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
489 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
490 /// the loop that use the final values of the current expressions.
491 ///
492 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
493 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
494 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
495 /// constant operands at the beginning of the loop.
496 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
497   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
498   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
499
500   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
501   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
502
503   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
504   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
505   // the exit blocks of the loop to find them.
506   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
507     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
508
509     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
510     // inside the loop are used on this path, skip it.
511     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
512     if (!PN) continue;
513
514     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
515
516     // Iterate over all of the PHI nodes.
517     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
518     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
519       if (PN->use_empty())
520         continue; // dead use, don't replace it
521
522       // SCEV only supports integer expressions for now.
523       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
524         continue;
525
526       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
527       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
528       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
529       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
530       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
531       SE->forgetValue(PN);
532
533       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
534       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
535         // If the value being merged in is not integer or is not defined
536         // in the loop, skip it.
537         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
538         if (!isa<Instruction>(InVal))
539           continue;
540
541         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
542         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
543           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
544
545         // Check that InVal is defined in the loop.
546         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
547         if (!L->contains(Inst))
548           continue;
549
550         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
551         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
552         // contains when the loop exits, if possible.
553         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
554         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
555           continue;
556
557         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
558
559         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
560                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
561
562         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
563           DeadInsts.push_back(ExitVal);
564           continue;
565         }
566         Changed = true;
567         ++NumReplaced;
568
569         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
570
571         // If this instruction is dead now, delete it.
572         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
573
574         if (NumPreds == 1) {
575           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
576           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
577           // node anymore.
578           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
579           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
580         }
581       }
582       if (NumPreds != 1) {
583         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
584         // any other maps purge the original user from their records.
585         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
586         NewPN->takeName(PN);
587         NewPN->insertBefore(PN);
588         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
589         PN->eraseFromParent();
590       }
591     }
592   }
593
594   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
595   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
596   Rewriter.clearInsertPoint();
597 }
598
599 //===----------------------------------------------------------------------===//
600 //  Rewrite IV users based on a canonical IV.
601 //  Only for use with -enable-iv-rewrite.
602 //===----------------------------------------------------------------------===//
603
604 /// FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
605 /// complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
606 /// polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
607 /// currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
608 /// indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
609 /// it can be expanded to a trivial value.
610 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
611   // Loop-invariant values are safe.
612   if (SE->isLoopInvariant(S, L)) return true;
613
614   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
615   // to transform them into efficient code.
616   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
617     return AR->isAffine();
618
619   // An add is safe it all its operands are safe.
620   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative
621       = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
622     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
623          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
624       if (!isSafe(*I, L, SE)) return false;
625     return true;
626   }
627
628   // A cast is safe if its operand is.
629   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
630     return isSafe(C->getOperand(), L, SE);
631
632   // A udiv is safe if its operands are.
633   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
634     return isSafe(UD->getLHS(), L, SE) &&
635            isSafe(UD->getRHS(), L, SE);
636
637   // SCEVUnknown is always safe.
638   if (isa<SCEVUnknown>(S))
639     return true;
640
641   // Nothing else is safe.
642   return false;
643 }
644
645 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
646   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
647   // induction variable.
648   //
649   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
650   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
651   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
652   // of different sizes.
653   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
654     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
655     Type *UseTy = Op->getType();
656     Instruction *User = UI->getUser();
657
658     // Compute the final addrec to expand into code.
659     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
660
661     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
662     if (!L->contains(UI->getUser())) {
663       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
664       if (SE->isLoopInvariant(ExitVal, L))
665         AR = ExitVal;
666     }
667
668     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
669     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
670     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
671     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
672     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
673     // it can be expanded to a trivial value.
674     if (!isSafe(AR, L, SE))
675       continue;
676
677     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
678     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
679     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
680     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
681     // incoming blocks.
682     Instruction *InsertPt = getInsertPointForUses(User, Op, DT);
683
684     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
685     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
686
687     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
688                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
689
690     if (!isValidRewrite(Op, NewVal)) {
691       DeadInsts.push_back(NewVal);
692       continue;
693     }
694     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
695     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
696     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
697     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
698     // deleted.
699     SE->forgetValue(User);
700
701     // Patch the new value into place.
702     if (Op->hasName())
703       NewVal->takeName(Op);
704     if (Instruction *NewValI = dyn_cast<Instruction>(NewVal))
705       NewValI->setDebugLoc(User->getDebugLoc());
706     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
707     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
708
709     ++NumRemoved;
710     Changed = true;
711
712     // The old value may be dead now.
713     DeadInsts.push_back(Op);
714   }
715 }
716
717 //===----------------------------------------------------------------------===//
718 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
719 //===----------------------------------------------------------------------===//
720
721 namespace {
722   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
723   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
724   // provides the input to WidenIV.
725   struct WideIVInfo {
726     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
727     bool IsSigned;          // Was an sext user seen before a zext?
728
729     WideIVInfo() : WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
730   };
731
732   class WideIVVisitor : public IVVisitor {
733     ScalarEvolution *SE;
734     const TargetData *TD;
735
736   public:
737     WideIVInfo WI;
738
739     WideIVVisitor(ScalarEvolution *SCEV, const TargetData *TData) :
740       SE(SCEV), TD(TData) {}
741
742     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
743     virtual void visitCast(CastInst *Cast);
744   };
745 }
746
747 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
748 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
749 /// the final width of the IV before actually widening it.
750 void WideIVVisitor::visitCast(CastInst *Cast) {
751   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
752   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
753     return;
754
755   Type *Ty = Cast->getType();
756   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
757   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
758     return;
759
760   if (!WI.WidestNativeType) {
761     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
762     WI.IsSigned = IsSigned;
763     return;
764   }
765
766   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
767   if (WI.IsSigned != IsSigned)
768     return;
769
770   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
771     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
772 }
773
774 namespace {
775
776 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
777 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
778 /// caching Use* pointers.
779 struct NarrowIVDefUse {
780   Instruction *NarrowDef;
781   Instruction *NarrowUse;
782   Instruction *WideDef;
783
784   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(0), NarrowUse(0), WideDef(0) {}
785
786   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
787     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
788 };
789
790 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
791 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
792 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
793 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
794 ///
795 class WidenIV {
796   // Parameters
797   PHINode *OrigPhi;
798   Type *WideType;
799   bool IsSigned;
800
801   // Context
802   LoopInfo        *LI;
803   Loop            *L;
804   ScalarEvolution *SE;
805   DominatorTree   *DT;
806
807   // Result
808   PHINode *WidePhi;
809   Instruction *WideInc;
810   const SCEV *WideIncExpr;
811   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
812
813   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
814   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
815
816 public:
817   WidenIV(PHINode *PN, const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
818           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
819           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
820     OrigPhi(PN),
821     WideType(WI.WidestNativeType),
822     IsSigned(WI.IsSigned),
823     LI(LInfo),
824     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
825     SE(SEv),
826     DT(DTree),
827     WidePhi(0),
828     WideInc(0),
829     WideIncExpr(0),
830     DeadInsts(DI) {
831     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
832   }
833
834   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
835
836 protected:
837   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
838
839   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
840
841   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
842
843   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU);
844
845   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
846 };
847 } // anonymous namespace
848
849 static Value *getExtend( Value *NarrowOper, Type *WideType,
850                                bool IsSigned, IRBuilder<> &Builder) {
851   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
852                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
853 }
854
855 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
856 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
857 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
858 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
859   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
860   switch (Opcode) {
861   default:
862     return 0;
863   case Instruction::Add:
864   case Instruction::Mul:
865   case Instruction::UDiv:
866   case Instruction::Sub:
867   case Instruction::And:
868   case Instruction::Or:
869   case Instruction::Xor:
870   case Instruction::Shl:
871   case Instruction::LShr:
872   case Instruction::AShr:
873     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
874
875     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
876
877     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
878     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
879     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
880     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
881     // WidenIVUse.
882     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
883       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, Builder);
884     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
885       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, Builder);
886
887     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
888     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
889                                                     LHS, RHS,
890                                                     NarrowBO->getName());
891     Builder.Insert(WideBO);
892     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
893         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
894       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
895       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
896     }
897     return WideBO;
898   }
899   llvm_unreachable(0);
900 }
901
902 /// HoistStep - Attempt to hoist an IV increment above a potential use.
903 ///
904 /// To successfully hoist, two criteria must be met:
905 /// - IncV operands dominate InsertPos and
906 /// - InsertPos dominates IncV
907 ///
908 /// Meeting the second condition means that we don't need to check all of IncV's
909 /// existing uses (it's moving up in the domtree).
910 ///
911 /// This does not yet recursively hoist the operands, although that would
912 /// not be difficult.
913 static bool HoistStep(Instruction *IncV, Instruction *InsertPos,
914                       const DominatorTree *DT)
915 {
916   if (DT->dominates(IncV, InsertPos))
917     return true;
918
919   if (!DT->dominates(InsertPos->getParent(), IncV->getParent()))
920     return false;
921
922   if (IncV->mayHaveSideEffects())
923     return false;
924
925   // Attempt to hoist IncV
926   for (User::op_iterator OI = IncV->op_begin(), OE = IncV->op_end();
927        OI != OE; ++OI) {
928     Instruction *OInst = dyn_cast<Instruction>(OI);
929     if (OInst && !DT->dominates(OInst, InsertPos))
930       return false;
931   }
932   IncV->moveBefore(InsertPos);
933   return true;
934 }
935
936 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
937 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
938 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
939 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
940 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
941   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
942   if (DU.NarrowUse->getOpcode() != Instruction::Add)
943     return 0;
944
945   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
946   // if extending the other will lead to a recurrence.
947   unsigned ExtendOperIdx = DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
948   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
949
950   const SCEV *ExtendOperExpr = 0;
951   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
952     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
953   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
954     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
955       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
956   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
957     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
958       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
959   else
960     return 0;
961
962   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(
963     SE->getAddExpr(SE->getSCEV(DU.WideDef), ExtendOperExpr,
964                    IsSigned ? SCEV::FlagNSW : SCEV::FlagNUW));
965
966   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
967     return 0;
968   return AddRec;
969 }
970
971 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
972 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
973 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
974 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
975 /// recurrence. Otherwise return NULL.
976 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
977   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
978     return 0;
979
980   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
981   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
982       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
983     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
984     // index. So don't follow this use.
985     return 0;
986   }
987
988   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
989     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
990     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
991   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
992   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
993     return 0;
994   return AddRec;
995 }
996
997 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
998 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
999 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU) {
1000
1001   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
1002   if (isa<PHINode>(DU.NarrowUse) &&
1003       LI->getLoopFor(DU.NarrowUse->getParent()) != L)
1004     return 0;
1005
1006   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1007   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1008     Value *NewDef = DU.WideDef;
1009     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1010       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1011       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1012       if (CastWidth < IVWidth) {
1013         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1014         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1015         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1016       }
1017       else {
1018         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1019         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1020         // dead. It should be very rare.
1021         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1022               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1023         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1024         NewDef = DU.NarrowUse;
1025       }
1026     }
1027     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1028       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1029             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1030       ++NumElimExt;
1031       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1032       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
1033     }
1034     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1035     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1036     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1037     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1038     // push the uses of WideDef here.
1039
1040     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1041     return 0;
1042   }
1043
1044   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1045   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1046   if (!WideAddRec) {
1047       WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1048   }
1049   if (!WideAddRec) {
1050     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1051     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1052     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1053     IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1054     Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1055     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1056     return 0;
1057   }
1058   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1059   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1060   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1061          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1062
1063   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1064   // NarrowUse.
1065   Instruction *WideUse = 0;
1066   if (WideAddRec == WideIncExpr && HoistStep(WideInc, DU.NarrowUse, DT)) {
1067     WideUse = WideInc;
1068   }
1069   else {
1070     WideUse = CloneIVUser(DU);
1071     if (!WideUse)
1072       return 0;
1073   }
1074   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1075   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1076   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1077   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1078   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1079   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1080     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1081           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1082     DeadInsts.push_back(WideUse);
1083     return 0;
1084   }
1085
1086   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1087   return WideUse;
1088 }
1089
1090 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1091 ///
1092 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1093   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
1094          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
1095     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(*UI);
1096
1097     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1098     if (!Widened.insert(NarrowUse))
1099       continue;
1100
1101     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUse, WideDef));
1102   }
1103 }
1104
1105 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1106 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1107 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1108 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1109 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1110 /// DeleteDeadPHIs.
1111 ///
1112 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1113 /// invalidating SCEV expressions.
1114 ///
1115 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1116   // Is this phi an induction variable?
1117   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1118   if (!AddRec)
1119     return NULL;
1120
1121   // Widen the induction variable expression.
1122   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1123     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1124     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1125
1126   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1127          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1128
1129   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1130   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1131   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1132     return NULL;
1133
1134   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1135   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1136   // operands, so they must dominate the loop header.
1137   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1138          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1139          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1140
1141   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1142   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1143   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1144   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1145   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1146   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1147
1148   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1149   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1150   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1151   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1152   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1153     WideInc =
1154       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1155     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1156   }
1157
1158   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1159   ++NumWidened;
1160
1161   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1162   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1163
1164   Widened.insert(OrigPhi);
1165   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1166
1167   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1168     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1169
1170     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1171     // use_iterator across it.
1172     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU);
1173
1174     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1175     if (WideUse)
1176       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1177
1178     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1179     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1180       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1181   }
1182   return WidePhi;
1183 }
1184
1185 //===----------------------------------------------------------------------===//
1186 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1187 //===----------------------------------------------------------------------===//
1188
1189
1190 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1191 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1192 /// themselves be candidates for simplification.
1193 ///
1194 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1195 ///
1196 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1197                                        SCEVExpander &Rewriter,
1198                                        LPPassManager &LPM) {
1199   std::map<PHINode *, WideIVInfo> WideIVMap;
1200
1201   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1202   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1203     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1204   }
1205   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1206   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1207   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1208   // simplification on the wide IVs.
1209   while (!LoopPhis.empty()) {
1210     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1211     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1212     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1213     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1214     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1215     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1216     do {
1217       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1218
1219       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1220       WideIVVisitor WIV(SE, TD);
1221
1222       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &WIV);
1223
1224       if (WIV.WI.WidestNativeType) {
1225         WideIVMap[CurrIV] = WIV.WI;
1226       }
1227     } while(!LoopPhis.empty());
1228
1229     for (std::map<PHINode *, WideIVInfo>::const_iterator I = WideIVMap.begin(),
1230            E = WideIVMap.end(); I != E; ++I) {
1231       WidenIV Widener(I->first, I->second, LI, SE, DT, DeadInsts);
1232       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1233         Changed = true;
1234         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1235       }
1236     }
1237     WideIVMap.clear();
1238   }
1239 }
1240
1241 /// SimplifyCongruentIVs - Check for congruent phis in this loop header and
1242 /// replace them with their chosen representative.
1243 ///
1244 void IndVarSimplify::SimplifyCongruentIVs(Loop *L) {
1245   DenseMap<const SCEV *, PHINode *> ExprToIVMap;
1246   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1247     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1248     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1249       continue;
1250
1251     const SCEV *S = SE->getSCEV(Phi);
1252     std::pair<DenseMap<const SCEV *, PHINode *>::const_iterator, bool> Tmp =
1253       ExprToIVMap.insert(std::make_pair(S, Phi));
1254     if (Tmp.second)
1255       continue;
1256     PHINode *OrigPhi = Tmp.first->second;
1257
1258     // If one phi derives from the other via GEPs, types may differ.
1259     if (OrigPhi->getType() != Phi->getType())
1260       continue;
1261
1262     // Replacing the congruent phi is sufficient because acyclic redundancy
1263     // elimination, CSE/GVN, should handle the rest. However, once SCEV proves
1264     // that a phi is congruent, it's almost certain to be the head of an IV
1265     // user cycle that is isomorphic with the original phi. So it's worth
1266     // eagerly cleaning up the common case of a single IV increment.
1267     if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1268       Instruction *OrigInc =
1269         cast<Instruction>(OrigPhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1270       Instruction *IsomorphicInc =
1271         cast<Instruction>(Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1272       if (OrigInc != IsomorphicInc &&
1273           OrigInc->getType() == IsomorphicInc->getType() &&
1274           SE->getSCEV(OrigInc) == SE->getSCEV(IsomorphicInc) &&
1275           HoistStep(OrigInc, IsomorphicInc, DT)) {
1276         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated congruent iv.inc: "
1277               << *IsomorphicInc << '\n');
1278         IsomorphicInc->replaceAllUsesWith(OrigInc);
1279         DeadInsts.push_back(IsomorphicInc);
1280       }
1281     }
1282     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Eliminated congruent iv: " << *Phi << '\n');
1283     ++NumElimIV;
1284     Phi->replaceAllUsesWith(OrigPhi);
1285     DeadInsts.push_back(Phi);
1286   }
1287 }
1288
1289 //===----------------------------------------------------------------------===//
1290 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1291 //===----------------------------------------------------------------------===//
1292
1293 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1294 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1295 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1296 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1297                                 ScalarEvolution *SE) {
1298   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1299   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1300   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1301   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1302   // forego rewriting the loop.
1303   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1304     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1305     if (!OrigCond) return true;
1306     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1307     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1308     if (R != S) {
1309       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1310       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1311       if (L != S)
1312         return true;
1313     }
1314   }
1315
1316   if (EnableIVRewrite)
1317     return false;
1318
1319   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1320   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1321   // they are not too expensive rematerialize.
1322   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1323     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1324          I != E; ++I) {
1325       if (isHighCostExpansion(*I, BI, SE))
1326         return true;
1327     }
1328     return false;
1329   }
1330
1331   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1332   // the exit condition.
1333   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1334     return true;
1335
1336   // If we haven't recognized an expensive SCEV patter, assume its an expression
1337   // produced by program code.
1338   return false;
1339 }
1340
1341 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1342 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1343 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1344 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1345   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1346   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1347       BackedgeTakenCount->isZero())
1348     return false;
1349
1350   if (!L->getExitingBlock())
1351     return false;
1352
1353   // Can't rewrite non-branch yet.
1354   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1355   if (!BI)
1356     return false;
1357
1358   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, SE))
1359     return false;
1360
1361   return true;
1362 }
1363
1364 /// getBackedgeIVType - Get the widest type used by the loop test after peeking
1365 /// through Truncs.
1366 ///
1367 /// TODO: Unnecessary when ForceLFTR is removed.
1368 static Type *getBackedgeIVType(Loop *L) {
1369   if (!L->getExitingBlock())
1370     return 0;
1371
1372   // Can't rewrite non-branch yet.
1373   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1374   if (!BI)
1375     return 0;
1376
1377   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1378   if (!Cond)
1379     return 0;
1380
1381   Type *Ty = 0;
1382   for(User::op_iterator OI = Cond->op_begin(), OE = Cond->op_end();
1383       OI != OE; ++OI) {
1384     assert((!Ty || Ty == (*OI)->getType()) && "bad icmp operand types");
1385     TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(*OI);
1386     if (!Trunc)
1387       continue;
1388
1389     return Trunc->getSrcTy();
1390   }
1391   return Ty;
1392 }
1393
1394 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
1395 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
1396 /// gratuitous for this purpose.
1397 static bool isLoopInvariant(Value *V, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1398   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
1399   if (!Inst)
1400     return true;
1401
1402   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
1403 }
1404
1405 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1406 /// invariant value to the phi.
1407 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1408   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1409   if (!IncI)
1410     return 0;
1411
1412   switch (IncI->getOpcode()) {
1413   case Instruction::Add:
1414   case Instruction::Sub:
1415     break;
1416   case Instruction::GetElementPtr:
1417     // An IV counter must preserve its type.
1418     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1419       break;
1420   default:
1421     return 0;
1422   }
1423
1424   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1425   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1426     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1427       return Phi;
1428     return 0;
1429   }
1430   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1431     return 0;
1432
1433   // Allow add/sub to be commuted.
1434   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1435   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1436     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1437       return Phi;
1438   }
1439   return 0;
1440 }
1441
1442 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1443 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1444 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1445   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1446
1447   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1448   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1449   if (!LatchBlock)
1450     return false;
1451
1452   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1453   assert(BI && "expected exit branch");
1454
1455   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1456   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1457   if (!Cond)
1458     return true;
1459
1460   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1461   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1462   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1463     return true;
1464
1465   // Look for a loop invariant RHS
1466   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1467   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1468   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1469     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1470       return true;
1471     std::swap(LHS, RHS);
1472   }
1473   // Look for a simple IV counter LHS
1474   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1475   if (!Phi)
1476     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1477
1478   if (!Phi)
1479     return true;
1480
1481   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1482   Value *IncV = Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch());
1483   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1484 }
1485
1486 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1487 /// be rewritten) loop exit test.
1488 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1489   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1490   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1491
1492   for (Value::use_iterator UI = Phi->use_begin(), UE = Phi->use_end();
1493        UI != UE; ++UI) {
1494     if (*UI != Cond && *UI != IncV) return false;
1495   }
1496
1497   for (Value::use_iterator UI = IncV->use_begin(), UE = IncV->use_end();
1498        UI != UE; ++UI) {
1499     if (*UI != Cond && *UI != Phi) return false;
1500   }
1501   return true;
1502 }
1503
1504 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1505 ///
1506 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1507 ///
1508 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1509 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1510 /// could at least handle constant BECounts.
1511 static PHINode *
1512 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1513                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const TargetData *TD) {
1514   // I'm not sure how BECount could be a pointer type, but we definitely don't
1515   // want to LFTR that.
1516   if (BECount->getType()->isPointerTy())
1517     return 0;
1518
1519   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1520
1521   Value *Cond =
1522     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1523
1524   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1525   PHINode *BestPhi = 0;
1526   const SCEV *BestInit = 0;
1527   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1528   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1529
1530   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1531     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1532     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1533       continue;
1534
1535     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1536     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1537       continue;
1538
1539     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1540     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1541     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1542     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1543     if (PhiWidth < BCWidth || (TD && !TD->isLegalInteger(PhiWidth)))
1544       continue;
1545
1546     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1547     if (!Step || !Step->isOne())
1548       continue;
1549
1550     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1551     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1552     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1553       continue;
1554
1555     const SCEV *Init = AR->getStart();
1556
1557     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1558       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1559       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1560         continue;
1561
1562       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1563       // also prefers integer to pointer IVs.
1564       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1565         if (BestInit->isZero())
1566           continue;
1567       }
1568       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1569       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1570       // to allow the other to be eliminated.
1571       if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1572         continue;
1573     }
1574     BestPhi = Phi;
1575     BestInit = Init;
1576   }
1577   return BestPhi;
1578 }
1579
1580 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1581 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1582 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1583 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1584 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1585 Value *IndVarSimplify::
1586 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1587                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1588                           PHINode *IndVar,
1589                           SCEVExpander &Rewriter) {
1590   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1591   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1592
1593   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1594   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1595   Type *CntTy = !EnableIVRewrite ?
1596     BackedgeTakenCount->getType() : IndVar->getType();
1597
1598   const SCEV *IVLimit = BackedgeTakenCount;
1599
1600   // If the exiting block is not the same as the backedge block, we must compare
1601   // against the preincremented value, otherwise we prefer to compare against
1602   // the post-incremented value.
1603   Value *CmpIndVar;
1604   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1605     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1606     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
1607     // cast the induction variable before doing the add.
1608     const SCEV *N =
1609       SE->getAddExpr(IVLimit, SE->getConstant(IVLimit->getType(), 1));
1610     if (CntTy == IVLimit->getType())
1611       IVLimit = N;
1612     else {
1613       const SCEV *Zero = SE->getConstant(IVLimit->getType(), 0);
1614       if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
1615           SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
1616         // No overflow. Cast the sum.
1617         IVLimit = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, CntTy);
1618       } else {
1619         // Potential overflow. Cast before doing the add.
1620         IVLimit = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVLimit, CntTy);
1621         IVLimit = SE->getAddExpr(IVLimit, SE->getConstant(CntTy, 1));
1622       }
1623     }
1624     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1625     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1626     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1627     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1628   } else {
1629     // We have to use the preincremented value...
1630     IVLimit = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVLimit, CntTy);
1631     CmpIndVar = IndVar;
1632   }
1633
1634   // For unit stride, IVLimit = Start + BECount with 2's complement overflow.
1635   // So for, non-zero start compute the IVLimit here.
1636   bool isPtrIV = false;
1637   Type *CmpTy = CntTy;
1638   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1639   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1640   if (!AR->getStart()->isZero()) {
1641     assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1642     const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1643
1644     // For pointer types, sign extend BECount in order to materialize a GEP.
1645     // Note that for without EnableIVRewrite, we never run SCEVExpander on a
1646     // pointer type, because we must preserve the existing GEPs. Instead we
1647     // directly generate a GEP later.
1648     if (IVInit->getType()->isPointerTy()) {
1649       isPtrIV = true;
1650       CmpTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1651       IVLimit = SE->getTruncateOrSignExtend(IVLimit, CmpTy);
1652     }
1653     // For integer types, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1654     else {
1655       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1656           > SE->getTypeSizeInBits(CmpTy))
1657         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, CmpTy);
1658
1659       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVLimit);
1660     }
1661   }
1662   // Expand the code for the iteration count.
1663   IRBuilder<> Builder(BI);
1664
1665   assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1666          "Computed iteration count is not loop invariant!");
1667   Value *ExitCnt = Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, CmpTy, BI);
1668
1669   // Create a gep for IVInit + IVLimit from on an existing pointer base.
1670   assert(isPtrIV == IndVar->getType()->isPointerTy() &&
1671          "IndVar type must match IVInit type");
1672   if (isPtrIV) {
1673       Value *IVStart = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1674       assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(IVStart) && "bad loop counter");
1675       assert(SE->getSizeOfExpr(
1676                cast<PointerType>(IVStart->getType())->getElementType())->isOne()
1677              && "unit stride pointer IV must be i8*");
1678
1679       Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1680       ExitCnt = Builder.CreateGEP(IVStart, ExitCnt, "lftr.limit");
1681       Builder.SetInsertPoint(BI);
1682   }
1683
1684   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1685   ICmpInst::Predicate P;
1686   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1687     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1688   else
1689     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1690
1691   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1692                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1693                << "       op:\t"
1694                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1695                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1696                << "     Expr:\t" << *IVLimit << "\n");
1697
1698   if (SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType())
1699       > SE->getTypeSizeInBits(CmpTy)) {
1700     CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, CmpTy, "lftr.wideiv");
1701   }
1702
1703   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1704   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1705   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1706   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1707   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1708   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1709   // will make old comparison dead.
1710   BI->setCondition(Cond);
1711   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1712
1713   ++NumLFTR;
1714   Changed = true;
1715   return Cond;
1716 }
1717
1718 //===----------------------------------------------------------------------===//
1719 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1720 //===----------------------------------------------------------------------===//
1721
1722 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1723 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1724 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1725 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1726   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1727   if (!ExitBlock) return;
1728
1729   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1730   if (!Preheader) return;
1731
1732   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1733   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1734   while (I != Preheader->begin()) {
1735     --I;
1736     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1737     if (isa<PHINode>(I))
1738       break;
1739
1740     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1741     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1742     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1743     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1744     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1745     // block.
1746     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1747       continue;
1748
1749     // Skip debug info intrinsics.
1750     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1751       continue;
1752
1753     // Skip landingpad instructions.
1754     if (isa<LandingPadInst>(I))
1755       continue;
1756
1757     // Don't sink static AllocaInsts out of the entry block, which would
1758     // turn them into dynamic allocas!
1759     if (AllocaInst *AI = dyn_cast<AllocaInst>(I))
1760       if (AI->isStaticAlloca())
1761         continue;
1762
1763     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1764     // otherwise).
1765     bool UsedInLoop = false;
1766     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1767          UI != UE; ++UI) {
1768       User *U = *UI;
1769       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1770       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1771         unsigned i =
1772           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1773         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1774       }
1775       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1776         UsedInLoop = true;
1777         break;
1778       }
1779     }
1780
1781     // If there is, the def must remain in the preheader.
1782     if (UsedInLoop)
1783       continue;
1784
1785     // Otherwise, sink it to the exit block.
1786     Instruction *ToMove = I;
1787     bool Done = false;
1788
1789     if (I != Preheader->begin()) {
1790       // Skip debug info intrinsics.
1791       do {
1792         --I;
1793       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1794
1795       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1796         Done = true;
1797     } else {
1798       Done = true;
1799     }
1800
1801     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1802     if (Done) break;
1803     InsertPt = ToMove;
1804   }
1805 }
1806
1807 //===----------------------------------------------------------------------===//
1808 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1809 //===----------------------------------------------------------------------===//
1810
1811 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1812   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1813   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1814   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1815   //    afterwards.
1816   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1817   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1818   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1819   //    we've manually inserted one.
1820   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1821     return false;
1822
1823   if (EnableIVRewrite)
1824     IU = &getAnalysis<IVUsers>();
1825   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1826   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1827   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1828   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1829
1830   DeadInsts.clear();
1831   Changed = false;
1832
1833   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1834   // transform them to use integer recurrences.
1835   RewriteNonIntegerIVs(L);
1836
1837   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1838
1839   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1840   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1841
1842   // Eliminate redundant IV users.
1843   //
1844   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1845   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1846   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1847   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1848   if (!EnableIVRewrite) {
1849     Rewriter.disableCanonicalMode();
1850     SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1851   }
1852
1853   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1854   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1855   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1856   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1857   // the current expressions.
1858   //
1859   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1860     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1861
1862   // Eliminate redundant IV users.
1863   if (EnableIVRewrite)
1864     Changed |= simplifyIVUsers(IU, SE, &LPM, DeadInsts);
1865
1866   // Eliminate redundant IV cycles.
1867   if (!EnableIVRewrite)
1868     SimplifyCongruentIVs(L);
1869
1870   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
1871   // a canonical induction variable should be inserted.
1872   Type *LargestType = 0;
1873   bool NeedCannIV = false;
1874   bool ExpandBECount = canExpandBackedgeTakenCount(L, SE);
1875   if (EnableIVRewrite && ExpandBECount) {
1876     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
1877     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
1878     // canonical induction variable.
1879     NeedCannIV = true;
1880     Type *Ty = BackedgeTakenCount->getType();
1881     if (!EnableIVRewrite) {
1882       // In this mode, SimplifyIVUsers may have already widened the IV used by
1883       // the backedge test and inserted a Trunc on the compare's operand. Get
1884       // the wider type to avoid creating a redundant narrow IV only used by the
1885       // loop test.
1886       LargestType = getBackedgeIVType(L);
1887     }
1888     if (!LargestType ||
1889         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1890         SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1891       LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
1892   }
1893   if (EnableIVRewrite) {
1894     for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
1895       NeedCannIV = true;
1896       Type *Ty =
1897         SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
1898       if (!LargestType ||
1899           SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1900           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1901         LargestType = Ty;
1902     }
1903   }
1904
1905   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
1906   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
1907   PHINode *IndVar = 0;
1908   if (NeedCannIV) {
1909     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
1910     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
1911     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
1912     // doesn't attempt to reuse them.
1913     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
1914     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
1915       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
1916           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1917         OldCannIV->removeFromParent();
1918       else
1919         break;
1920       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
1921     }
1922
1923     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
1924
1925     ++NumInserted;
1926     Changed = true;
1927     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
1928
1929     // Now that the official induction variable is established, reinsert
1930     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
1931     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
1932     // the end of the pass.
1933     while (!OldCannIVs.empty()) {
1934       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
1935       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstInsertionPt());
1936     }
1937   }
1938   else if (!EnableIVRewrite && ExpandBECount && needsLFTR(L, DT)) {
1939     IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, TD);
1940   }
1941   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1942   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1943   Value *NewICmp = 0;
1944   if (ExpandBECount && IndVar) {
1945     // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1946     // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1947     // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1948     // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops, while
1949     // LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1950     //
1951     // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1952     // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1953     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1954     if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1955       NewICmp =
1956         LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar, Rewriter);
1957   }
1958   // Rewrite IV-derived expressions.
1959   if (EnableIVRewrite)
1960     RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
1961
1962   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1963   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1964   // trigger.
1965   Rewriter.clear();
1966
1967   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1968   // which are now dead.
1969   while (!DeadInsts.empty())
1970     if (Instruction *Inst =
1971           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1972       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
1973
1974   // The Rewriter may not be used from this point on.
1975
1976   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1977   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1978   SinkUnusedInvariants(L);
1979
1980   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
1981   // loop exit test instruction.
1982   if (IU && NewICmp) {
1983     ICmpInst *NewICmpInst = dyn_cast<ICmpInst>(NewICmp);
1984     if (NewICmpInst)
1985       IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmpInst->getOperand(0)));
1986   }
1987   // Clean up dead instructions.
1988   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
1989   // Check a post-condition.
1990   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1991          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1992
1993   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1994   // ability to compute trip count.
1995 #ifndef NDEBUG
1996   if (!EnableIVRewrite && VerifyIndvars &&
1997       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1998     SE->forgetLoop(L);
1999     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2000     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
2001         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
2002       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
2003                                          BackedgeTakenCount->getType());
2004     else
2005       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
2006                                                  NewBECount->getType());
2007     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
2008   }
2009 #endif
2010
2011   return Changed;
2012 }