LSR fix: Add isSimplifiedLoopNest to IVUsers analysis.
[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 static cl::opt<bool> EnableIVRewrite(
62   "enable-iv-rewrite", cl::Hidden,
63   cl::desc("Enable canonical induction variable rewriting"));
64
65 // Trip count verification can be enabled by default under NDEBUG if we
66 // implement a strong expression equivalence checker in SCEV. Until then, we
67 // use the verify-indvars flag, which may assert in some cases.
68 static cl::opt<bool> VerifyIndvars(
69   "verify-indvars", cl::Hidden,
70   cl::desc("Verify the ScalarEvolution result after running indvars"));
71
72 namespace {
73   class IndVarSimplify : public LoopPass {
74     IVUsers         *IU;
75     LoopInfo        *LI;
76     ScalarEvolution *SE;
77     DominatorTree   *DT;
78     TargetData      *TD;
79
80     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
81     bool Changed;
82   public:
83
84     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
85     IndVarSimplify() : LoopPass(ID), IU(0), LI(0), SE(0), DT(0), TD(0),
86                        Changed(false) {
87       initializeIndVarSimplifyPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
88     }
89
90     virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
91
92     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
93       AU.addRequired<DominatorTree>();
94       AU.addRequired<LoopInfo>();
95       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
96       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
97       AU.addRequiredID(LCSSAID);
98       if (EnableIVRewrite)
99         AU.addRequired<IVUsers>();
100       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
101       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
102       AU.addPreservedID(LCSSAID);
103       if (EnableIVRewrite)
104         AU.addPreserved<IVUsers>();
105       AU.setPreservesCFG();
106     }
107
108   private:
109     virtual void releaseMemory() {
110       DeadInsts.clear();
111     }
112
113     bool isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal);
114
115     void HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PH);
116     void RewriteNonIntegerIVs(Loop *L);
117
118     void SimplifyAndExtend(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter, LPPassManager &LPM);
119
120     void RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
121
122     void RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter);
123
124     Value *LinearFunctionTestReplace(Loop *L, const SCEV *BackedgeTakenCount,
125                                      PHINode *IndVar, SCEVExpander &Rewriter);
126
127     void SinkUnusedInvariants(Loop *L);
128   };
129 }
130
131 char IndVarSimplify::ID = 0;
132 INITIALIZE_PASS_BEGIN(IndVarSimplify, "indvars",
133                 "Induction Variable Simplification", false, false)
134 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
135 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
136 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
137 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
138 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
139 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
140 INITIALIZE_PASS_END(IndVarSimplify, "indvars",
141                 "Induction Variable Simplification", false, false)
142
143 Pass *llvm::createIndVarSimplifyPass() {
144   return new IndVarSimplify();
145 }
146
147 /// isValidRewrite - Return true if the SCEV expansion generated by the
148 /// rewriter can replace the original value. SCEV guarantees that it
149 /// produces the same value, but the way it is produced may be illegal IR.
150 /// Ideally, this function will only be called for verification.
151 bool IndVarSimplify::isValidRewrite(Value *FromVal, Value *ToVal) {
152   // If an SCEV expression subsumed multiple pointers, its expansion could
153   // reassociate the GEP changing the base pointer. This is illegal because the
154   // final address produced by a GEP chain must be inbounds relative to its
155   // underlying object. Otherwise basic alias analysis, among other things,
156   // could fail in a dangerous way. Ultimately, SCEV will be improved to avoid
157   // producing an expression involving multiple pointers. Until then, we must
158   // bail out here.
159   //
160   // Retrieve the pointer operand of the GEP. Don't use GetUnderlyingObject
161   // because it understands lcssa phis while SCEV does not.
162   Value *FromPtr = FromVal;
163   Value *ToPtr = ToVal;
164   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(FromVal)) {
165     FromPtr = GEP->getPointerOperand();
166   }
167   if (GEPOperator *GEP = dyn_cast<GEPOperator>(ToVal)) {
168     ToPtr = GEP->getPointerOperand();
169   }
170   if (FromPtr != FromVal || ToPtr != ToVal) {
171     // Quickly check the common case
172     if (FromPtr == ToPtr)
173       return true;
174
175     // SCEV may have rewritten an expression that produces the GEP's pointer
176     // operand. That's ok as long as the pointer operand has the same base
177     // pointer. Unlike GetUnderlyingObject(), getPointerBase() will find the
178     // base of a recurrence. This handles the case in which SCEV expansion
179     // converts a pointer type recurrence into a nonrecurrent pointer base
180     // indexed by an integer recurrence.
181
182     // If the GEP base pointer is a vector of pointers, abort.
183     if (!FromPtr->getType()->isPointerTy() || !ToPtr->getType()->isPointerTy())
184       return false;
185
186     const SCEV *FromBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(FromPtr));
187     const SCEV *ToBase = SE->getPointerBase(SE->getSCEV(ToPtr));
188     if (FromBase == ToBase)
189       return true;
190
191     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: GEP rewrite bail out "
192           << *FromBase << " != " << *ToBase << "\n");
193
194     return false;
195   }
196   return true;
197 }
198
199 /// Determine the insertion point for this user. By default, insert immediately
200 /// before the user. SCEVExpander or LICM will hoist loop invariants out of the
201 /// loop. For PHI nodes, there may be multiple uses, so compute the nearest
202 /// common dominator for the incoming blocks.
203 static Instruction *getInsertPointForUses(Instruction *User, Value *Def,
204                                           DominatorTree *DT) {
205   PHINode *PHI = dyn_cast<PHINode>(User);
206   if (!PHI)
207     return User;
208
209   Instruction *InsertPt = 0;
210   for (unsigned i = 0, e = PHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
211     if (PHI->getIncomingValue(i) != Def)
212       continue;
213
214     BasicBlock *InsertBB = PHI->getIncomingBlock(i);
215     if (!InsertPt) {
216       InsertPt = InsertBB->getTerminator();
217       continue;
218     }
219     InsertBB = DT->findNearestCommonDominator(InsertPt->getParent(), InsertBB);
220     InsertPt = InsertBB->getTerminator();
221   }
222   assert(InsertPt && "Missing phi operand");
223   assert((!isa<Instruction>(Def) ||
224           DT->dominates(cast<Instruction>(Def), InsertPt)) &&
225          "def does not dominate all uses");
226   return InsertPt;
227 }
228
229 //===----------------------------------------------------------------------===//
230 // RewriteNonIntegerIVs and helpers. Prefer integer IVs.
231 //===----------------------------------------------------------------------===//
232
233 /// ConvertToSInt - Convert APF to an integer, if possible.
234 static bool ConvertToSInt(const APFloat &APF, int64_t &IntVal) {
235   bool isExact = false;
236   if (&APF.getSemantics() == &APFloat::PPCDoubleDouble)
237     return false;
238   // See if we can convert this to an int64_t
239   uint64_t UIntVal;
240   if (APF.convertToInteger(&UIntVal, 64, true, APFloat::rmTowardZero,
241                            &isExact) != APFloat::opOK || !isExact)
242     return false;
243   IntVal = UIntVal;
244   return true;
245 }
246
247 /// HandleFloatingPointIV - If the loop has floating induction variable
248 /// then insert corresponding integer induction variable if possible.
249 /// For example,
250 /// for(double i = 0; i < 10000; ++i)
251 ///   bar(i)
252 /// is converted into
253 /// for(int i = 0; i < 10000; ++i)
254 ///   bar((double)i);
255 ///
256 void IndVarSimplify::HandleFloatingPointIV(Loop *L, PHINode *PN) {
257   unsigned IncomingEdge = L->contains(PN->getIncomingBlock(0));
258   unsigned BackEdge     = IncomingEdge^1;
259
260   // Check incoming value.
261   ConstantFP *InitValueVal =
262     dyn_cast<ConstantFP>(PN->getIncomingValue(IncomingEdge));
263
264   int64_t InitValue;
265   if (!InitValueVal || !ConvertToSInt(InitValueVal->getValueAPF(), InitValue))
266     return;
267
268   // Check IV increment. Reject this PN if increment operation is not
269   // an add or increment value can not be represented by an integer.
270   BinaryOperator *Incr =
271     dyn_cast<BinaryOperator>(PN->getIncomingValue(BackEdge));
272   if (Incr == 0 || Incr->getOpcode() != Instruction::FAdd) return;
273
274   // If this is not an add of the PHI with a constantfp, or if the constant fp
275   // is not an integer, bail out.
276   ConstantFP *IncValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Incr->getOperand(1));
277   int64_t IncValue;
278   if (IncValueVal == 0 || Incr->getOperand(0) != PN ||
279       !ConvertToSInt(IncValueVal->getValueAPF(), IncValue))
280     return;
281
282   // Check Incr uses. One user is PN and the other user is an exit condition
283   // used by the conditional terminator.
284   Value::use_iterator IncrUse = Incr->use_begin();
285   Instruction *U1 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
286   if (IncrUse == Incr->use_end()) return;
287   Instruction *U2 = cast<Instruction>(*IncrUse++);
288   if (IncrUse != Incr->use_end()) return;
289
290   // Find exit condition, which is an fcmp.  If it doesn't exist, or if it isn't
291   // only used by a branch, we can't transform it.
292   FCmpInst *Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U1);
293   if (!Compare)
294     Compare = dyn_cast<FCmpInst>(U2);
295   if (Compare == 0 || !Compare->hasOneUse() ||
296       !isa<BranchInst>(Compare->use_back()))
297     return;
298
299   BranchInst *TheBr = cast<BranchInst>(Compare->use_back());
300
301   // We need to verify that the branch actually controls the iteration count
302   // of the loop.  If not, the new IV can overflow and no one will notice.
303   // The branch block must be in the loop and one of the successors must be out
304   // of the loop.
305   assert(TheBr->isConditional() && "Can't use fcmp if not conditional");
306   if (!L->contains(TheBr->getParent()) ||
307       (L->contains(TheBr->getSuccessor(0)) &&
308        L->contains(TheBr->getSuccessor(1))))
309     return;
310
311
312   // If it isn't a comparison with an integer-as-fp (the exit value), we can't
313   // transform it.
314   ConstantFP *ExitValueVal = dyn_cast<ConstantFP>(Compare->getOperand(1));
315   int64_t ExitValue;
316   if (ExitValueVal == 0 ||
317       !ConvertToSInt(ExitValueVal->getValueAPF(), ExitValue))
318     return;
319
320   // Find new predicate for integer comparison.
321   CmpInst::Predicate NewPred = CmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
322   switch (Compare->getPredicate()) {
323   default: return;  // Unknown comparison.
324   case CmpInst::FCMP_OEQ:
325   case CmpInst::FCMP_UEQ: NewPred = CmpInst::ICMP_EQ; break;
326   case CmpInst::FCMP_ONE:
327   case CmpInst::FCMP_UNE: NewPred = CmpInst::ICMP_NE; break;
328   case CmpInst::FCMP_OGT:
329   case CmpInst::FCMP_UGT: NewPred = CmpInst::ICMP_SGT; break;
330   case CmpInst::FCMP_OGE:
331   case CmpInst::FCMP_UGE: NewPred = CmpInst::ICMP_SGE; break;
332   case CmpInst::FCMP_OLT:
333   case CmpInst::FCMP_ULT: NewPred = CmpInst::ICMP_SLT; break;
334   case CmpInst::FCMP_OLE:
335   case CmpInst::FCMP_ULE: NewPred = CmpInst::ICMP_SLE; break;
336   }
337
338   // We convert the floating point induction variable to a signed i32 value if
339   // we can.  This is only safe if the comparison will not overflow in a way
340   // that won't be trapped by the integer equivalent operations.  Check for this
341   // now.
342   // TODO: We could use i64 if it is native and the range requires it.
343
344   // The start/stride/exit values must all fit in signed i32.
345   if (!isInt<32>(InitValue) || !isInt<32>(IncValue) || !isInt<32>(ExitValue))
346     return;
347
348   // If not actually striding (add x, 0.0), avoid touching the code.
349   if (IncValue == 0)
350     return;
351
352   // Positive and negative strides have different safety conditions.
353   if (IncValue > 0) {
354     // If we have a positive stride, we require the init to be less than the
355     // exit value.
356     if (InitValue >= ExitValue)
357       return;
358
359     uint32_t Range = uint32_t(ExitValue-InitValue);
360     // Check for infinite loop, either:
361     // while (i <= Exit) or until (i > Exit)
362     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SLE || NewPred == CmpInst::ICMP_SGT) {
363       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
364     }
365
366     unsigned Leftover = Range % uint32_t(IncValue);
367
368     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
369     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
370     // around and do things the fp IV wouldn't.
371     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
372         Leftover != 0)
373       return;
374
375     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
376     // transform the IV.
377     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) < ExitValue)
378       return;
379
380   } else {
381     // If we have a negative stride, we require the init to be greater than the
382     // exit value.
383     if (InitValue <= ExitValue)
384       return;
385
386     uint32_t Range = uint32_t(InitValue-ExitValue);
387     // Check for infinite loop, either:
388     // while (i >= Exit) or until (i < Exit)
389     if (NewPred == CmpInst::ICMP_SGE || NewPred == CmpInst::ICMP_SLT) {
390       if (++Range == 0) return;  // Range overflows.
391     }
392
393     unsigned Leftover = Range % uint32_t(-IncValue);
394
395     // If this is an equality comparison, we require that the strided value
396     // exactly land on the exit value, otherwise the IV condition will wrap
397     // around and do things the fp IV wouldn't.
398     if ((NewPred == CmpInst::ICMP_EQ || NewPred == CmpInst::ICMP_NE) &&
399         Leftover != 0)
400       return;
401
402     // If the stride would wrap around the i32 before exiting, we can't
403     // transform the IV.
404     if (Leftover != 0 && int32_t(ExitValue+IncValue) > ExitValue)
405       return;
406   }
407
408   IntegerType *Int32Ty = Type::getInt32Ty(PN->getContext());
409
410   // Insert new integer induction variable.
411   PHINode *NewPHI = PHINode::Create(Int32Ty, 2, PN->getName()+".int", PN);
412   NewPHI->addIncoming(ConstantInt::get(Int32Ty, InitValue),
413                       PN->getIncomingBlock(IncomingEdge));
414
415   Value *NewAdd =
416     BinaryOperator::CreateAdd(NewPHI, ConstantInt::get(Int32Ty, IncValue),
417                               Incr->getName()+".int", Incr);
418   NewPHI->addIncoming(NewAdd, PN->getIncomingBlock(BackEdge));
419
420   ICmpInst *NewCompare = new ICmpInst(TheBr, NewPred, NewAdd,
421                                       ConstantInt::get(Int32Ty, ExitValue),
422                                       Compare->getName());
423
424   // In the following deletions, PN may become dead and may be deleted.
425   // Use a WeakVH to observe whether this happens.
426   WeakVH WeakPH = PN;
427
428   // Delete the old floating point exit comparison.  The branch starts using the
429   // new comparison.
430   NewCompare->takeName(Compare);
431   Compare->replaceAllUsesWith(NewCompare);
432   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Compare);
433
434   // Delete the old floating point increment.
435   Incr->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Incr->getType()));
436   RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Incr);
437
438   // If the FP induction variable still has uses, this is because something else
439   // in the loop uses its value.  In order to canonicalize the induction
440   // variable, we chose to eliminate the IV and rewrite it in terms of an
441   // int->fp cast.
442   //
443   // We give preference to sitofp over uitofp because it is faster on most
444   // platforms.
445   if (WeakPH) {
446     Value *Conv = new SIToFPInst(NewPHI, PN->getType(), "indvar.conv",
447                                  PN->getParent()->getFirstInsertionPt());
448     PN->replaceAllUsesWith(Conv);
449     RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
450   }
451
452   // Add a new IVUsers entry for the newly-created integer PHI.
453   if (IU) {
454     SmallPtrSet<Loop*, 16> SimplifiedLoopNests;
455     IU->AddUsersIfInteresting(NewPHI, SimplifiedLoopNests);
456   }
457
458   Changed = true;
459 }
460
461 void IndVarSimplify::RewriteNonIntegerIVs(Loop *L) {
462   // First step.  Check to see if there are any floating-point recurrences.
463   // If there are, change them into integer recurrences, permitting analysis by
464   // the SCEV routines.
465   //
466   BasicBlock *Header = L->getHeader();
467
468   SmallVector<WeakVH, 8> PHIs;
469   for (BasicBlock::iterator I = Header->begin();
470        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
471     PHIs.push_back(PN);
472
473   for (unsigned i = 0, e = PHIs.size(); i != e; ++i)
474     if (PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(&*PHIs[i]))
475       HandleFloatingPointIV(L, PN);
476
477   // If the loop previously had floating-point IV, ScalarEvolution
478   // may not have been able to compute a trip count. Now that we've done some
479   // re-writing, the trip count may be computable.
480   if (Changed)
481     SE->forgetLoop(L);
482 }
483
484 //===----------------------------------------------------------------------===//
485 // RewriteLoopExitValues - Optimize IV users outside the loop.
486 // As a side effect, reduces the amount of IV processing within the loop.
487 //===----------------------------------------------------------------------===//
488
489 /// RewriteLoopExitValues - Check to see if this loop has a computable
490 /// loop-invariant execution count.  If so, this means that we can compute the
491 /// final value of any expressions that are recurrent in the loop, and
492 /// substitute the exit values from the loop into any instructions outside of
493 /// the loop that use the final values of the current expressions.
494 ///
495 /// This is mostly redundant with the regular IndVarSimplify activities that
496 /// happen later, except that it's more powerful in some cases, because it's
497 /// able to brute-force evaluate arbitrary instructions as long as they have
498 /// constant operands at the beginning of the loop.
499 void IndVarSimplify::RewriteLoopExitValues(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
500   // Verify the input to the pass in already in LCSSA form.
501   assert(L->isLCSSAForm(*DT));
502
503   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitBlocks;
504   L->getUniqueExitBlocks(ExitBlocks);
505
506   // Find all values that are computed inside the loop, but used outside of it.
507   // Because of LCSSA, these values will only occur in LCSSA PHI Nodes.  Scan
508   // the exit blocks of the loop to find them.
509   for (unsigned i = 0, e = ExitBlocks.size(); i != e; ++i) {
510     BasicBlock *ExitBB = ExitBlocks[i];
511
512     // If there are no PHI nodes in this exit block, then no values defined
513     // inside the loop are used on this path, skip it.
514     PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ExitBB->begin());
515     if (!PN) continue;
516
517     unsigned NumPreds = PN->getNumIncomingValues();
518
519     // Iterate over all of the PHI nodes.
520     BasicBlock::iterator BBI = ExitBB->begin();
521     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(BBI++))) {
522       if (PN->use_empty())
523         continue; // dead use, don't replace it
524
525       // SCEV only supports integer expressions for now.
526       if (!PN->getType()->isIntegerTy() && !PN->getType()->isPointerTy())
527         continue;
528
529       // It's necessary to tell ScalarEvolution about this explicitly so that
530       // it can walk the def-use list and forget all SCEVs, as it may not be
531       // watching the PHI itself. Once the new exit value is in place, there
532       // may not be a def-use connection between the loop and every instruction
533       // which got a SCEVAddRecExpr for that loop.
534       SE->forgetValue(PN);
535
536       // Iterate over all of the values in all the PHI nodes.
537       for (unsigned i = 0; i != NumPreds; ++i) {
538         // If the value being merged in is not integer or is not defined
539         // in the loop, skip it.
540         Value *InVal = PN->getIncomingValue(i);
541         if (!isa<Instruction>(InVal))
542           continue;
543
544         // If this pred is for a subloop, not L itself, skip it.
545         if (LI->getLoopFor(PN->getIncomingBlock(i)) != L)
546           continue; // The Block is in a subloop, skip it.
547
548         // Check that InVal is defined in the loop.
549         Instruction *Inst = cast<Instruction>(InVal);
550         if (!L->contains(Inst))
551           continue;
552
553         // Okay, this instruction has a user outside of the current loop
554         // and varies predictably *inside* the loop.  Evaluate the value it
555         // contains when the loop exits, if possible.
556         const SCEV *ExitValue = SE->getSCEVAtScope(Inst, L->getParentLoop());
557         if (!SE->isLoopInvariant(ExitValue, L))
558           continue;
559
560         Value *ExitVal = Rewriter.expandCodeFor(ExitValue, PN->getType(), Inst);
561
562         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: RLEV: AfterLoopVal = " << *ExitVal << '\n'
563                      << "  LoopVal = " << *Inst << "\n");
564
565         if (!isValidRewrite(Inst, ExitVal)) {
566           DeadInsts.push_back(ExitVal);
567           continue;
568         }
569         Changed = true;
570         ++NumReplaced;
571
572         PN->setIncomingValue(i, ExitVal);
573
574         // If this instruction is dead now, delete it.
575         RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
576
577         if (NumPreds == 1) {
578           // Completely replace a single-pred PHI. This is safe, because the
579           // NewVal won't be variant in the loop, so we don't need an LCSSA phi
580           // node anymore.
581           PN->replaceAllUsesWith(ExitVal);
582           RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(PN);
583         }
584       }
585       if (NumPreds != 1) {
586         // Clone the PHI and delete the original one. This lets IVUsers and
587         // any other maps purge the original user from their records.
588         PHINode *NewPN = cast<PHINode>(PN->clone());
589         NewPN->takeName(PN);
590         NewPN->insertBefore(PN);
591         PN->replaceAllUsesWith(NewPN);
592         PN->eraseFromParent();
593       }
594     }
595   }
596
597   // The insertion point instruction may have been deleted; clear it out
598   // so that the rewriter doesn't trip over it later.
599   Rewriter.clearInsertPoint();
600 }
601
602 //===----------------------------------------------------------------------===//
603 //  Rewrite IV users based on a canonical IV.
604 //  Only for use with -enable-iv-rewrite.
605 //===----------------------------------------------------------------------===//
606
607 /// FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
608 /// complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
609 /// polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
610 /// currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
611 /// indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
612 /// it can be expanded to a trivial value.
613 static bool isSafe(const SCEV *S, const Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
614   // Loop-invariant values are safe.
615   if (SE->isLoopInvariant(S, L)) return true;
616
617   // Affine addrecs are safe. Non-affine are not, because LSR doesn't know how
618   // to transform them into efficient code.
619   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
620     return AR->isAffine();
621
622   // An add is safe it all its operands are safe.
623   if (const SCEVCommutativeExpr *Commutative
624       = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
625     for (SCEVCommutativeExpr::op_iterator I = Commutative->op_begin(),
626          E = Commutative->op_end(); I != E; ++I)
627       if (!isSafe(*I, L, SE)) return false;
628     return true;
629   }
630
631   // A cast is safe if its operand is.
632   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
633     return isSafe(C->getOperand(), L, SE);
634
635   // A udiv is safe if its operands are.
636   if (const SCEVUDivExpr *UD = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
637     return isSafe(UD->getLHS(), L, SE) &&
638            isSafe(UD->getRHS(), L, SE);
639
640   // SCEVUnknown is always safe.
641   if (isa<SCEVUnknown>(S))
642     return true;
643
644   // Nothing else is safe.
645   return false;
646 }
647
648 void IndVarSimplify::RewriteIVExpressions(Loop *L, SCEVExpander &Rewriter) {
649   // Rewrite all induction variable expressions in terms of the canonical
650   // induction variable.
651   //
652   // If there were induction variables of other sizes or offsets, manually
653   // add the offsets to the primary induction variable and cast, avoiding
654   // the need for the code evaluation methods to insert induction variables
655   // of different sizes.
656   for (IVUsers::iterator UI = IU->begin(), E = IU->end(); UI != E; ++UI) {
657     Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
658     Type *UseTy = Op->getType();
659     Instruction *User = UI->getUser();
660
661     // Compute the final addrec to expand into code.
662     const SCEV *AR = IU->getReplacementExpr(*UI);
663
664     // Evaluate the expression out of the loop, if possible.
665     if (!L->contains(UI->getUser())) {
666       const SCEV *ExitVal = SE->getSCEVAtScope(AR, L->getParentLoop());
667       if (SE->isLoopInvariant(ExitVal, L))
668         AR = ExitVal;
669     }
670
671     // FIXME: It is an extremely bad idea to indvar substitute anything more
672     // complex than affine induction variables.  Doing so will put expensive
673     // polynomial evaluations inside of the loop, and the str reduction pass
674     // currently can only reduce affine polynomials.  For now just disable
675     // indvar subst on anything more complex than an affine addrec, unless
676     // it can be expanded to a trivial value.
677     if (!isSafe(AR, L, SE))
678       continue;
679
680     // Determine the insertion point for this user. By default, insert
681     // immediately before the user. The SCEVExpander class will automatically
682     // hoist loop invariants out of the loop. For PHI nodes, there may be
683     // multiple uses, so compute the nearest common dominator for the
684     // incoming blocks.
685     Instruction *InsertPt = getInsertPointForUses(User, Op, DT);
686
687     // Now expand it into actual Instructions and patch it into place.
688     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(AR, UseTy, InsertPt);
689
690     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewrote IV '" << *AR << "' " << *Op << '\n'
691                  << "   into = " << *NewVal << "\n");
692
693     if (!isValidRewrite(Op, NewVal)) {
694       DeadInsts.push_back(NewVal);
695       continue;
696     }
697     // Inform ScalarEvolution that this value is changing. The change doesn't
698     // affect its value, but it does potentially affect which use lists the
699     // value will be on after the replacement, which affects ScalarEvolution's
700     // ability to walk use lists and drop dangling pointers when a value is
701     // deleted.
702     SE->forgetValue(User);
703
704     // Patch the new value into place.
705     if (Op->hasName())
706       NewVal->takeName(Op);
707     if (Instruction *NewValI = dyn_cast<Instruction>(NewVal))
708       NewValI->setDebugLoc(User->getDebugLoc());
709     User->replaceUsesOfWith(Op, NewVal);
710     UI->setOperandValToReplace(NewVal);
711
712     ++NumRemoved;
713     Changed = true;
714
715     // The old value may be dead now.
716     DeadInsts.push_back(Op);
717   }
718 }
719
720 //===----------------------------------------------------------------------===//
721 //  IV Widening - Extend the width of an IV to cover its widest uses.
722 //===----------------------------------------------------------------------===//
723
724 namespace {
725   // Collect information about induction variables that are used by sign/zero
726   // extend operations. This information is recorded by CollectExtend and
727   // provides the input to WidenIV.
728   struct WideIVInfo {
729     PHINode *NarrowIV;
730     Type *WidestNativeType; // Widest integer type created [sz]ext
731     bool IsSigned;          // Was an sext user seen before a zext?
732
733     WideIVInfo() : NarrowIV(0), WidestNativeType(0), IsSigned(false) {}
734   };
735
736   class WideIVVisitor : public IVVisitor {
737     ScalarEvolution *SE;
738     const TargetData *TD;
739
740   public:
741     WideIVInfo WI;
742
743     WideIVVisitor(PHINode *NarrowIV, ScalarEvolution *SCEV,
744                   const TargetData *TData) :
745       SE(SCEV), TD(TData) { WI.NarrowIV = NarrowIV; }
746
747     // Implement the interface used by simplifyUsersOfIV.
748     virtual void visitCast(CastInst *Cast);
749   };
750 }
751
752 /// visitCast - Update information about the induction variable that is
753 /// extended by this sign or zero extend operation. This is used to determine
754 /// the final width of the IV before actually widening it.
755 void WideIVVisitor::visitCast(CastInst *Cast) {
756   bool IsSigned = Cast->getOpcode() == Instruction::SExt;
757   if (!IsSigned && Cast->getOpcode() != Instruction::ZExt)
758     return;
759
760   Type *Ty = Cast->getType();
761   uint64_t Width = SE->getTypeSizeInBits(Ty);
762   if (TD && !TD->isLegalInteger(Width))
763     return;
764
765   if (!WI.WidestNativeType) {
766     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
767     WI.IsSigned = IsSigned;
768     return;
769   }
770
771   // We extend the IV to satisfy the sign of its first user, arbitrarily.
772   if (WI.IsSigned != IsSigned)
773     return;
774
775   if (Width > SE->getTypeSizeInBits(WI.WidestNativeType))
776     WI.WidestNativeType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
777 }
778
779 namespace {
780
781 /// NarrowIVDefUse - Record a link in the Narrow IV def-use chain along with the
782 /// WideIV that computes the same value as the Narrow IV def.  This avoids
783 /// caching Use* pointers.
784 struct NarrowIVDefUse {
785   Instruction *NarrowDef;
786   Instruction *NarrowUse;
787   Instruction *WideDef;
788
789   NarrowIVDefUse(): NarrowDef(0), NarrowUse(0), WideDef(0) {}
790
791   NarrowIVDefUse(Instruction *ND, Instruction *NU, Instruction *WD):
792     NarrowDef(ND), NarrowUse(NU), WideDef(WD) {}
793 };
794
795 /// WidenIV - The goal of this transform is to remove sign and zero extends
796 /// without creating any new induction variables. To do this, it creates a new
797 /// phi of the wider type and redirects all users, either removing extends or
798 /// inserting truncs whenever we stop propagating the type.
799 ///
800 class WidenIV {
801   // Parameters
802   PHINode *OrigPhi;
803   Type *WideType;
804   bool IsSigned;
805
806   // Context
807   LoopInfo        *LI;
808   Loop            *L;
809   ScalarEvolution *SE;
810   DominatorTree   *DT;
811
812   // Result
813   PHINode *WidePhi;
814   Instruction *WideInc;
815   const SCEV *WideIncExpr;
816   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts;
817
818   SmallPtrSet<Instruction*,16> Widened;
819   SmallVector<NarrowIVDefUse, 8> NarrowIVUsers;
820
821 public:
822   WidenIV(const WideIVInfo &WI, LoopInfo *LInfo,
823           ScalarEvolution *SEv, DominatorTree *DTree,
824           SmallVectorImpl<WeakVH> &DI) :
825     OrigPhi(WI.NarrowIV),
826     WideType(WI.WidestNativeType),
827     IsSigned(WI.IsSigned),
828     LI(LInfo),
829     L(LI->getLoopFor(OrigPhi->getParent())),
830     SE(SEv),
831     DT(DTree),
832     WidePhi(0),
833     WideInc(0),
834     WideIncExpr(0),
835     DeadInsts(DI) {
836     assert(L->getHeader() == OrigPhi->getParent() && "Phi must be an IV");
837   }
838
839   PHINode *CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter);
840
841 protected:
842   Value *getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
843                    Instruction *Use);
844
845   Instruction *CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU);
846
847   const SCEVAddRecExpr *GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse);
848
849   const SCEVAddRecExpr* GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU);
850
851   Instruction *WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter);
852
853   void pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef);
854 };
855 } // anonymous namespace
856
857 /// isLoopInvariant - Perform a quick domtree based check for loop invariance
858 /// assuming that V is used within the loop. LoopInfo::isLoopInvariant() seems
859 /// gratuitous for this purpose.
860 static bool isLoopInvariant(Value *V, const Loop *L, const DominatorTree *DT) {
861   Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V);
862   if (!Inst)
863     return true;
864
865   return DT->properlyDominates(Inst->getParent(), L->getHeader());
866 }
867
868 Value *WidenIV::getExtend(Value *NarrowOper, Type *WideType, bool IsSigned,
869                           Instruction *Use) {
870   // Set the debug location and conservative insertion point.
871   IRBuilder<> Builder(Use);
872   // Hoist the insertion point into loop preheaders as far as possible.
873   for (const Loop *L = LI->getLoopFor(Use->getParent());
874        L && L->getLoopPreheader() && isLoopInvariant(NarrowOper, L, DT);
875        L = L->getParentLoop())
876     Builder.SetInsertPoint(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
877
878   return IsSigned ? Builder.CreateSExt(NarrowOper, WideType) :
879                     Builder.CreateZExt(NarrowOper, WideType);
880 }
881
882 /// CloneIVUser - Instantiate a wide operation to replace a narrow
883 /// operation. This only needs to handle operations that can evaluation to
884 /// SCEVAddRec. It can safely return 0 for any operation we decide not to clone.
885 Instruction *WidenIV::CloneIVUser(NarrowIVDefUse DU) {
886   unsigned Opcode = DU.NarrowUse->getOpcode();
887   switch (Opcode) {
888   default:
889     return 0;
890   case Instruction::Add:
891   case Instruction::Mul:
892   case Instruction::UDiv:
893   case Instruction::Sub:
894   case Instruction::And:
895   case Instruction::Or:
896   case Instruction::Xor:
897   case Instruction::Shl:
898   case Instruction::LShr:
899   case Instruction::AShr:
900     DEBUG(dbgs() << "Cloning IVUser: " << *DU.NarrowUse << "\n");
901
902     // Replace NarrowDef operands with WideDef. Otherwise, we don't know
903     // anything about the narrow operand yet so must insert a [sz]ext. It is
904     // probably loop invariant and will be folded or hoisted. If it actually
905     // comes from a widened IV, it should be removed during a future call to
906     // WidenIVUse.
907     Value *LHS = (DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
908       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(0), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
909     Value *RHS = (DU.NarrowUse->getOperand(1) == DU.NarrowDef) ? DU.WideDef :
910       getExtend(DU.NarrowUse->getOperand(1), WideType, IsSigned, DU.NarrowUse);
911
912     BinaryOperator *NarrowBO = cast<BinaryOperator>(DU.NarrowUse);
913     BinaryOperator *WideBO = BinaryOperator::Create(NarrowBO->getOpcode(),
914                                                     LHS, RHS,
915                                                     NarrowBO->getName());
916     IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
917     Builder.Insert(WideBO);
918     if (const OverflowingBinaryOperator *OBO =
919         dyn_cast<OverflowingBinaryOperator>(NarrowBO)) {
920       if (OBO->hasNoUnsignedWrap()) WideBO->setHasNoUnsignedWrap();
921       if (OBO->hasNoSignedWrap()) WideBO->setHasNoSignedWrap();
922     }
923     return WideBO;
924   }
925 }
926
927 /// No-wrap operations can transfer sign extension of their result to their
928 /// operands. Generate the SCEV value for the widened operation without
929 /// actually modifying the IR yet. If the expression after extending the
930 /// operands is an AddRec for this loop, return it.
931 const SCEVAddRecExpr* WidenIV::GetExtendedOperandRecurrence(NarrowIVDefUse DU) {
932   // Handle the common case of add<nsw/nuw>
933   if (DU.NarrowUse->getOpcode() != Instruction::Add)
934     return 0;
935
936   // One operand (NarrowDef) has already been extended to WideDef. Now determine
937   // if extending the other will lead to a recurrence.
938   unsigned ExtendOperIdx = DU.NarrowUse->getOperand(0) == DU.NarrowDef ? 1 : 0;
939   assert(DU.NarrowUse->getOperand(1-ExtendOperIdx) == DU.NarrowDef && "bad DU");
940
941   const SCEV *ExtendOperExpr = 0;
942   const OverflowingBinaryOperator *OBO =
943     cast<OverflowingBinaryOperator>(DU.NarrowUse);
944   if (IsSigned && OBO->hasNoSignedWrap())
945     ExtendOperExpr = SE->getSignExtendExpr(
946       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
947   else if(!IsSigned && OBO->hasNoUnsignedWrap())
948     ExtendOperExpr = SE->getZeroExtendExpr(
949       SE->getSCEV(DU.NarrowUse->getOperand(ExtendOperIdx)), WideType);
950   else
951     return 0;
952
953   // When creating this AddExpr, don't apply the current operations NSW or NUW
954   // flags. This instruction may be guarded by control flow that the no-wrap
955   // behavior depends on. Non-control-equivalent instructions can be mapped to
956   // the same SCEV expression, and it would be incorrect to transfer NSW/NUW
957   // semantics to those operations.
958   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(
959     SE->getAddExpr(SE->getSCEV(DU.WideDef), ExtendOperExpr));
960
961   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
962     return 0;
963   return AddRec;
964 }
965
966 /// GetWideRecurrence - Is this instruction potentially interesting from
967 /// IVUsers' perspective after widening it's type? In other words, can the
968 /// extend be safely hoisted out of the loop with SCEV reducing the value to a
969 /// recurrence on the same loop. If so, return the sign or zero extended
970 /// recurrence. Otherwise return NULL.
971 const SCEVAddRecExpr *WidenIV::GetWideRecurrence(Instruction *NarrowUse) {
972   if (!SE->isSCEVable(NarrowUse->getType()))
973     return 0;
974
975   const SCEV *NarrowExpr = SE->getSCEV(NarrowUse);
976   if (SE->getTypeSizeInBits(NarrowExpr->getType())
977       >= SE->getTypeSizeInBits(WideType)) {
978     // NarrowUse implicitly widens its operand. e.g. a gep with a narrow
979     // index. So don't follow this use.
980     return 0;
981   }
982
983   const SCEV *WideExpr = IsSigned ?
984     SE->getSignExtendExpr(NarrowExpr, WideType) :
985     SE->getZeroExtendExpr(NarrowExpr, WideType);
986   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideExpr);
987   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
988     return 0;
989   return AddRec;
990 }
991
992 /// WidenIVUse - Determine whether an individual user of the narrow IV can be
993 /// widened. If so, return the wide clone of the user.
994 Instruction *WidenIV::WidenIVUse(NarrowIVDefUse DU, SCEVExpander &Rewriter) {
995
996   // Stop traversing the def-use chain at inner-loop phis or post-loop phis.
997   if (isa<PHINode>(DU.NarrowUse) &&
998       LI->getLoopFor(DU.NarrowUse->getParent()) != L)
999     return 0;
1000
1001   // Our raison d'etre! Eliminate sign and zero extension.
1002   if (IsSigned ? isa<SExtInst>(DU.NarrowUse) : isa<ZExtInst>(DU.NarrowUse)) {
1003     Value *NewDef = DU.WideDef;
1004     if (DU.NarrowUse->getType() != WideType) {
1005       unsigned CastWidth = SE->getTypeSizeInBits(DU.NarrowUse->getType());
1006       unsigned IVWidth = SE->getTypeSizeInBits(WideType);
1007       if (CastWidth < IVWidth) {
1008         // The cast isn't as wide as the IV, so insert a Trunc.
1009         IRBuilder<> Builder(DU.NarrowUse);
1010         NewDef = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowUse->getType());
1011       }
1012       else {
1013         // A wider extend was hidden behind a narrower one. This may induce
1014         // another round of IV widening in which the intermediate IV becomes
1015         // dead. It should be very rare.
1016         DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New IV " << *WidePhi
1017               << " not wide enough to subsume " << *DU.NarrowUse << "\n");
1018         DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, DU.WideDef);
1019         NewDef = DU.NarrowUse;
1020       }
1021     }
1022     if (NewDef != DU.NarrowUse) {
1023       DEBUG(dbgs() << "INDVARS: eliminating " << *DU.NarrowUse
1024             << " replaced by " << *DU.WideDef << "\n");
1025       ++NumElimExt;
1026       DU.NarrowUse->replaceAllUsesWith(NewDef);
1027       DeadInsts.push_back(DU.NarrowUse);
1028     }
1029     // Now that the extend is gone, we want to expose it's uses for potential
1030     // further simplification. We don't need to directly inform SimplifyIVUsers
1031     // of the new users, because their parent IV will be processed later as a
1032     // new loop phi. If we preserved IVUsers analysis, we would also want to
1033     // push the uses of WideDef here.
1034
1035     // No further widening is needed. The deceased [sz]ext had done it for us.
1036     return 0;
1037   }
1038
1039   // Does this user itself evaluate to a recurrence after widening?
1040   const SCEVAddRecExpr *WideAddRec = GetWideRecurrence(DU.NarrowUse);
1041   if (!WideAddRec) {
1042       WideAddRec = GetExtendedOperandRecurrence(DU);
1043   }
1044   if (!WideAddRec) {
1045     // This user does not evaluate to a recurence after widening, so don't
1046     // follow it. Instead insert a Trunc to kill off the original use,
1047     // eventually isolating the original narrow IV so it can be removed.
1048     IRBuilder<> Builder(getInsertPointForUses(DU.NarrowUse, DU.NarrowDef, DT));
1049     Value *Trunc = Builder.CreateTrunc(DU.WideDef, DU.NarrowDef->getType());
1050     DU.NarrowUse->replaceUsesOfWith(DU.NarrowDef, Trunc);
1051     return 0;
1052   }
1053   // Assume block terminators cannot evaluate to a recurrence. We can't to
1054   // insert a Trunc after a terminator if there happens to be a critical edge.
1055   assert(DU.NarrowUse != DU.NarrowUse->getParent()->getTerminator() &&
1056          "SCEV is not expected to evaluate a block terminator");
1057
1058   // Reuse the IV increment that SCEVExpander created as long as it dominates
1059   // NarrowUse.
1060   Instruction *WideUse = 0;
1061   if (WideAddRec == WideIncExpr
1062       && Rewriter.hoistIVInc(WideInc, DU.NarrowUse))
1063     WideUse = WideInc;
1064   else {
1065     WideUse = CloneIVUser(DU);
1066     if (!WideUse)
1067       return 0;
1068   }
1069   // Evaluation of WideAddRec ensured that the narrow expression could be
1070   // extended outside the loop without overflow. This suggests that the wide use
1071   // evaluates to the same expression as the extended narrow use, but doesn't
1072   // absolutely guarantee it. Hence the following failsafe check. In rare cases
1073   // where it fails, we simply throw away the newly created wide use.
1074   if (WideAddRec != SE->getSCEV(WideUse)) {
1075     DEBUG(dbgs() << "Wide use expression mismatch: " << *WideUse
1076           << ": " << *SE->getSCEV(WideUse) << " != " << *WideAddRec << "\n");
1077     DeadInsts.push_back(WideUse);
1078     return 0;
1079   }
1080
1081   // Returning WideUse pushes it on the worklist.
1082   return WideUse;
1083 }
1084
1085 /// pushNarrowIVUsers - Add eligible users of NarrowDef to NarrowIVUsers.
1086 ///
1087 void WidenIV::pushNarrowIVUsers(Instruction *NarrowDef, Instruction *WideDef) {
1088   for (Value::use_iterator UI = NarrowDef->use_begin(),
1089          UE = NarrowDef->use_end(); UI != UE; ++UI) {
1090     Instruction *NarrowUse = cast<Instruction>(*UI);
1091
1092     // Handle data flow merges and bizarre phi cycles.
1093     if (!Widened.insert(NarrowUse))
1094       continue;
1095
1096     NarrowIVUsers.push_back(NarrowIVDefUse(NarrowDef, NarrowUse, WideDef));
1097   }
1098 }
1099
1100 /// CreateWideIV - Process a single induction variable. First use the
1101 /// SCEVExpander to create a wide induction variable that evaluates to the same
1102 /// recurrence as the original narrow IV. Then use a worklist to forward
1103 /// traverse the narrow IV's def-use chain. After WidenIVUse has processed all
1104 /// interesting IV users, the narrow IV will be isolated for removal by
1105 /// DeleteDeadPHIs.
1106 ///
1107 /// It would be simpler to delete uses as they are processed, but we must avoid
1108 /// invalidating SCEV expressions.
1109 ///
1110 PHINode *WidenIV::CreateWideIV(SCEVExpander &Rewriter) {
1111   // Is this phi an induction variable?
1112   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(OrigPhi));
1113   if (!AddRec)
1114     return NULL;
1115
1116   // Widen the induction variable expression.
1117   const SCEV *WideIVExpr = IsSigned ?
1118     SE->getSignExtendExpr(AddRec, WideType) :
1119     SE->getZeroExtendExpr(AddRec, WideType);
1120
1121   assert(SE->getEffectiveSCEVType(WideIVExpr->getType()) == WideType &&
1122          "Expect the new IV expression to preserve its type");
1123
1124   // Can the IV be extended outside the loop without overflow?
1125   AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(WideIVExpr);
1126   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L)
1127     return NULL;
1128
1129   // An AddRec must have loop-invariant operands. Since this AddRec is
1130   // materialized by a loop header phi, the expression cannot have any post-loop
1131   // operands, so they must dominate the loop header.
1132   assert(SE->properlyDominates(AddRec->getStart(), L->getHeader()) &&
1133          SE->properlyDominates(AddRec->getStepRecurrence(*SE), L->getHeader())
1134          && "Loop header phi recurrence inputs do not dominate the loop");
1135
1136   // The rewriter provides a value for the desired IV expression. This may
1137   // either find an existing phi or materialize a new one. Either way, we
1138   // expect a well-formed cyclic phi-with-increments. i.e. any operand not part
1139   // of the phi-SCC dominates the loop entry.
1140   Instruction *InsertPt = L->getHeader()->begin();
1141   WidePhi = cast<PHINode>(Rewriter.expandCodeFor(AddRec, WideType, InsertPt));
1142
1143   // Remembering the WideIV increment generated by SCEVExpander allows
1144   // WidenIVUse to reuse it when widening the narrow IV's increment. We don't
1145   // employ a general reuse mechanism because the call above is the only call to
1146   // SCEVExpander. Henceforth, we produce 1-to-1 narrow to wide uses.
1147   if (BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch()) {
1148     WideInc =
1149       cast<Instruction>(WidePhi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock));
1150     WideIncExpr = SE->getSCEV(WideInc);
1151   }
1152
1153   DEBUG(dbgs() << "Wide IV: " << *WidePhi << "\n");
1154   ++NumWidened;
1155
1156   // Traverse the def-use chain using a worklist starting at the original IV.
1157   assert(Widened.empty() && NarrowIVUsers.empty() && "expect initial state" );
1158
1159   Widened.insert(OrigPhi);
1160   pushNarrowIVUsers(OrigPhi, WidePhi);
1161
1162   while (!NarrowIVUsers.empty()) {
1163     NarrowIVDefUse DU = NarrowIVUsers.pop_back_val();
1164
1165     // Process a def-use edge. This may replace the use, so don't hold a
1166     // use_iterator across it.
1167     Instruction *WideUse = WidenIVUse(DU, Rewriter);
1168
1169     // Follow all def-use edges from the previous narrow use.
1170     if (WideUse)
1171       pushNarrowIVUsers(DU.NarrowUse, WideUse);
1172
1173     // WidenIVUse may have removed the def-use edge.
1174     if (DU.NarrowDef->use_empty())
1175       DeadInsts.push_back(DU.NarrowDef);
1176   }
1177   return WidePhi;
1178 }
1179
1180 //===----------------------------------------------------------------------===//
1181 //  Simplification of IV users based on SCEV evaluation.
1182 //===----------------------------------------------------------------------===//
1183
1184
1185 /// SimplifyAndExtend - Iteratively perform simplification on a worklist of IV
1186 /// users. Each successive simplification may push more users which may
1187 /// themselves be candidates for simplification.
1188 ///
1189 /// Sign/Zero extend elimination is interleaved with IV simplification.
1190 ///
1191 void IndVarSimplify::SimplifyAndExtend(Loop *L,
1192                                        SCEVExpander &Rewriter,
1193                                        LPPassManager &LPM) {
1194   SmallVector<WideIVInfo, 8> WideIVs;
1195
1196   SmallVector<PHINode*, 8> LoopPhis;
1197   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1198     LoopPhis.push_back(cast<PHINode>(I));
1199   }
1200   // Each round of simplification iterates through the SimplifyIVUsers worklist
1201   // for all current phis, then determines whether any IVs can be
1202   // widened. Widening adds new phis to LoopPhis, inducing another round of
1203   // simplification on the wide IVs.
1204   while (!LoopPhis.empty()) {
1205     // Evaluate as many IV expressions as possible before widening any IVs. This
1206     // forces SCEV to set no-wrap flags before evaluating sign/zero
1207     // extension. The first time SCEV attempts to normalize sign/zero extension,
1208     // the result becomes final. So for the most predictable results, we delay
1209     // evaluation of sign/zero extend evaluation until needed, and avoid running
1210     // other SCEV based analysis prior to SimplifyAndExtend.
1211     do {
1212       PHINode *CurrIV = LoopPhis.pop_back_val();
1213
1214       // Information about sign/zero extensions of CurrIV.
1215       WideIVVisitor WIV(CurrIV, SE, TD);
1216
1217       Changed |= simplifyUsersOfIV(CurrIV, SE, &LPM, DeadInsts, &WIV);
1218
1219       if (WIV.WI.WidestNativeType) {
1220         WideIVs.push_back(WIV.WI);
1221       }
1222     } while(!LoopPhis.empty());
1223
1224     for (; !WideIVs.empty(); WideIVs.pop_back()) {
1225       WidenIV Widener(WideIVs.back(), LI, SE, DT, DeadInsts);
1226       if (PHINode *WidePhi = Widener.CreateWideIV(Rewriter)) {
1227         Changed = true;
1228         LoopPhis.push_back(WidePhi);
1229       }
1230     }
1231   }
1232 }
1233
1234 //===----------------------------------------------------------------------===//
1235 //  LinearFunctionTestReplace and its kin. Rewrite the loop exit condition.
1236 //===----------------------------------------------------------------------===//
1237
1238 /// Check for expressions that ScalarEvolution generates to compute
1239 /// BackedgeTakenInfo. If these expressions have not been reduced, then
1240 /// expanding them may incur additional cost (albeit in the loop preheader).
1241 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S, BranchInst *BI,
1242                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
1243                                 ScalarEvolution *SE) {
1244   if (!Processed.insert(S))
1245     return false;
1246
1247   // If the backedge-taken count is a UDiv, it's very likely a UDiv that
1248   // ScalarEvolution's HowFarToZero or HowManyLessThans produced to compute a
1249   // precise expression, rather than a UDiv from the user's code. If we can't
1250   // find a UDiv in the code with some simple searching, assume the former and
1251   // forego rewriting the loop.
1252   if (isa<SCEVUDivExpr>(S)) {
1253     ICmpInst *OrigCond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1254     if (!OrigCond) return true;
1255     const SCEV *R = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(1));
1256     R = SE->getMinusSCEV(R, SE->getConstant(R->getType(), 1));
1257     if (R != S) {
1258       const SCEV *L = SE->getSCEV(OrigCond->getOperand(0));
1259       L = SE->getMinusSCEV(L, SE->getConstant(L->getType(), 1));
1260       if (L != S)
1261         return true;
1262     }
1263   }
1264
1265   if (EnableIVRewrite)
1266     return false;
1267
1268   // Recurse past add expressions, which commonly occur in the
1269   // BackedgeTakenCount. They may already exist in program code, and if not,
1270   // they are not too expensive rematerialize.
1271   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1272     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1273          I != E; ++I) {
1274       if (isHighCostExpansion(*I, BI, Processed, SE))
1275         return true;
1276     }
1277     return false;
1278   }
1279
1280   // HowManyLessThans uses a Max expression whenever the loop is not guarded by
1281   // the exit condition.
1282   if (isa<SCEVSMaxExpr>(S) || isa<SCEVUMaxExpr>(S))
1283     return true;
1284
1285   // If we haven't recognized an expensive SCEV pattern, assume it's an
1286   // expression produced by program code.
1287   return false;
1288 }
1289
1290 /// canExpandBackedgeTakenCount - Return true if this loop's backedge taken
1291 /// count expression can be safely and cheaply expanded into an instruction
1292 /// sequence that can be used by LinearFunctionTestReplace.
1293 ///
1294 /// TODO: This fails for pointer-type loop counters with greater than one byte
1295 /// strides, consequently preventing LFTR from running. For the purpose of LFTR
1296 /// we could skip this check in the case that the LFTR loop counter (chosen by
1297 /// FindLoopCounter) is also pointer type. Instead, we could directly convert
1298 /// the loop test to an inequality test by checking the target data's alignment
1299 /// of element types (given that the initial pointer value originates from or is
1300 /// used by ABI constrained operation, as opposed to inttoptr/ptrtoint).
1301 /// However, we don't yet have a strong motivation for converting loop tests
1302 /// into inequality tests.
1303 static bool canExpandBackedgeTakenCount(Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
1304   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1305   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount) ||
1306       BackedgeTakenCount->isZero())
1307     return false;
1308
1309   if (!L->getExitingBlock())
1310     return false;
1311
1312   // Can't rewrite non-branch yet.
1313   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1314   if (!BI)
1315     return false;
1316
1317   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
1318   if (isHighCostExpansion(BackedgeTakenCount, BI, Processed, SE))
1319     return false;
1320
1321   return true;
1322 }
1323
1324 /// getBackedgeIVType - Get the widest type used by the loop test after peeking
1325 /// through Truncs.
1326 ///
1327 /// TODO: Unnecessary when ForceLFTR is removed.
1328 static Type *getBackedgeIVType(Loop *L) {
1329   if (!L->getExitingBlock())
1330     return 0;
1331
1332   // Can't rewrite non-branch yet.
1333   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1334   if (!BI)
1335     return 0;
1336
1337   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1338   if (!Cond)
1339     return 0;
1340
1341   Type *Ty = 0;
1342   for(User::op_iterator OI = Cond->op_begin(), OE = Cond->op_end();
1343       OI != OE; ++OI) {
1344     assert((!Ty || Ty == (*OI)->getType()) && "bad icmp operand types");
1345     TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(*OI);
1346     if (!Trunc)
1347       continue;
1348
1349     return Trunc->getSrcTy();
1350   }
1351   return Ty;
1352 }
1353
1354 /// getLoopPhiForCounter - Return the loop header phi IFF IncV adds a loop
1355 /// invariant value to the phi.
1356 static PHINode *getLoopPhiForCounter(Value *IncV, Loop *L, DominatorTree *DT) {
1357   Instruction *IncI = dyn_cast<Instruction>(IncV);
1358   if (!IncI)
1359     return 0;
1360
1361   switch (IncI->getOpcode()) {
1362   case Instruction::Add:
1363   case Instruction::Sub:
1364     break;
1365   case Instruction::GetElementPtr:
1366     // An IV counter must preserve its type.
1367     if (IncI->getNumOperands() == 2)
1368       break;
1369   default:
1370     return 0;
1371   }
1372
1373   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(0));
1374   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1375     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(1), L, DT))
1376       return Phi;
1377     return 0;
1378   }
1379   if (IncI->getOpcode() == Instruction::GetElementPtr)
1380     return 0;
1381
1382   // Allow add/sub to be commuted.
1383   Phi = dyn_cast<PHINode>(IncI->getOperand(1));
1384   if (Phi && Phi->getParent() == L->getHeader()) {
1385     if (isLoopInvariant(IncI->getOperand(0), L, DT))
1386       return Phi;
1387   }
1388   return 0;
1389 }
1390
1391 /// needsLFTR - LinearFunctionTestReplace policy. Return true unless we can show
1392 /// that the current exit test is already sufficiently canonical.
1393 static bool needsLFTR(Loop *L, DominatorTree *DT) {
1394   assert(L->getExitingBlock() && "expected loop exit");
1395
1396   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1397   // Don't bother with LFTR if the loop is not properly simplified.
1398   if (!LatchBlock)
1399     return false;
1400
1401   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1402   assert(BI && "expected exit branch");
1403
1404   // Do LFTR to simplify the exit condition to an ICMP.
1405   ICmpInst *Cond = dyn_cast<ICmpInst>(BI->getCondition());
1406   if (!Cond)
1407     return true;
1408
1409   // Do LFTR to simplify the exit ICMP to EQ/NE
1410   ICmpInst::Predicate Pred = Cond->getPredicate();
1411   if (Pred != ICmpInst::ICMP_NE && Pred != ICmpInst::ICMP_EQ)
1412     return true;
1413
1414   // Look for a loop invariant RHS
1415   Value *LHS = Cond->getOperand(0);
1416   Value *RHS = Cond->getOperand(1);
1417   if (!isLoopInvariant(RHS, L, DT)) {
1418     if (!isLoopInvariant(LHS, L, DT))
1419       return true;
1420     std::swap(LHS, RHS);
1421   }
1422   // Look for a simple IV counter LHS
1423   PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(LHS);
1424   if (!Phi)
1425     Phi = getLoopPhiForCounter(LHS, L, DT);
1426
1427   if (!Phi)
1428     return true;
1429
1430   // Do LFTR if the exit condition's IV is *not* a simple counter.
1431   Value *IncV = Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch());
1432   return Phi != getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT);
1433 }
1434
1435 /// AlmostDeadIV - Return true if this IV has any uses other than the (soon to
1436 /// be rewritten) loop exit test.
1437 static bool AlmostDeadIV(PHINode *Phi, BasicBlock *LatchBlock, Value *Cond) {
1438   int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1439   Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1440
1441   for (Value::use_iterator UI = Phi->use_begin(), UE = Phi->use_end();
1442        UI != UE; ++UI) {
1443     if (*UI != Cond && *UI != IncV) return false;
1444   }
1445
1446   for (Value::use_iterator UI = IncV->use_begin(), UE = IncV->use_end();
1447        UI != UE; ++UI) {
1448     if (*UI != Cond && *UI != Phi) return false;
1449   }
1450   return true;
1451 }
1452
1453 /// FindLoopCounter - Find an affine IV in canonical form.
1454 ///
1455 /// BECount may be an i8* pointer type. The pointer difference is already
1456 /// valid count without scaling the address stride, so it remains a pointer
1457 /// expression as far as SCEV is concerned.
1458 ///
1459 /// FIXME: Accept -1 stride and set IVLimit = IVInit - BECount
1460 ///
1461 /// FIXME: Accept non-unit stride as long as SCEV can reduce BECount * Stride.
1462 /// This is difficult in general for SCEV because of potential overflow. But we
1463 /// could at least handle constant BECounts.
1464 static PHINode *
1465 FindLoopCounter(Loop *L, const SCEV *BECount,
1466                 ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT, const TargetData *TD) {
1467   uint64_t BCWidth = SE->getTypeSizeInBits(BECount->getType());
1468
1469   Value *Cond =
1470     cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator())->getCondition();
1471
1472   // Loop over all of the PHI nodes, looking for a simple counter.
1473   PHINode *BestPhi = 0;
1474   const SCEV *BestInit = 0;
1475   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1476   assert(LatchBlock && "needsLFTR should guarantee a loop latch");
1477
1478   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I) {
1479     PHINode *Phi = cast<PHINode>(I);
1480     if (!SE->isSCEVable(Phi->getType()))
1481       continue;
1482
1483     // Avoid comparing an integer IV against a pointer Limit.
1484     if (BECount->getType()->isPointerTy() && !Phi->getType()->isPointerTy())
1485       continue;
1486
1487     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Phi));
1488     if (!AR || AR->getLoop() != L || !AR->isAffine())
1489       continue;
1490
1491     // AR may be a pointer type, while BECount is an integer type.
1492     // AR may be wider than BECount. With eq/ne tests overflow is immaterial.
1493     // AR may not be a narrower type, or we may never exit.
1494     uint64_t PhiWidth = SE->getTypeSizeInBits(AR->getType());
1495     if (PhiWidth < BCWidth || (TD && !TD->isLegalInteger(PhiWidth)))
1496       continue;
1497
1498     const SCEV *Step = dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(*SE));
1499     if (!Step || !Step->isOne())
1500       continue;
1501
1502     int LatchIdx = Phi->getBasicBlockIndex(LatchBlock);
1503     Value *IncV = Phi->getIncomingValue(LatchIdx);
1504     if (getLoopPhiForCounter(IncV, L, DT) != Phi)
1505       continue;
1506
1507     const SCEV *Init = AR->getStart();
1508
1509     if (BestPhi && !AlmostDeadIV(BestPhi, LatchBlock, Cond)) {
1510       // Don't force a live loop counter if another IV can be used.
1511       if (AlmostDeadIV(Phi, LatchBlock, Cond))
1512         continue;
1513
1514       // Prefer to count-from-zero. This is a more "canonical" counter form. It
1515       // also prefers integer to pointer IVs.
1516       if (BestInit->isZero() != Init->isZero()) {
1517         if (BestInit->isZero())
1518           continue;
1519       }
1520       // If two IVs both count from zero or both count from nonzero then the
1521       // narrower is likely a dead phi that has been widened. Use the wider phi
1522       // to allow the other to be eliminated.
1523       if (PhiWidth <= SE->getTypeSizeInBits(BestPhi->getType()))
1524         continue;
1525     }
1526     BestPhi = Phi;
1527     BestInit = Init;
1528   }
1529   return BestPhi;
1530 }
1531
1532 /// genLoopLimit - Help LinearFunctionTestReplace by generating a value that
1533 /// holds the RHS of the new loop test.
1534 static Value *genLoopLimit(PHINode *IndVar, const SCEV *IVCount, Loop *L,
1535                            SCEVExpander &Rewriter, ScalarEvolution *SE) {
1536   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(IndVar));
1537   assert(AR && AR->getLoop() == L && AR->isAffine() && "bad loop counter");
1538   const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1539
1540   // IVInit may be a pointer while IVCount is an integer when FindLoopCounter
1541   // finds a valid pointer IV. Sign extend BECount in order to materialize a
1542   // GEP. Avoid running SCEVExpander on a new pointer value, instead reusing
1543   // the existing GEPs whenever possible.
1544   if (IndVar->getType()->isPointerTy()
1545       && !IVCount->getType()->isPointerTy()) {
1546
1547     Type *OfsTy = SE->getEffectiveSCEVType(IVInit->getType());
1548     const SCEV *IVOffset = SE->getTruncateOrSignExtend(IVCount, OfsTy);
1549
1550     // Expand the code for the iteration count.
1551     assert(SE->isLoopInvariant(IVOffset, L) &&
1552            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1553     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1554     Value *GEPOffset = Rewriter.expandCodeFor(IVOffset, OfsTy, BI);
1555
1556     Value *GEPBase = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getLoopPreheader());
1557     assert(AR->getStart() == SE->getSCEV(GEPBase) && "bad loop counter");
1558     // We could handle pointer IVs other than i8*, but we need to compensate for
1559     // gep index scaling. See canExpandBackedgeTakenCount comments.
1560     assert(SE->getSizeOfExpr(
1561              cast<PointerType>(GEPBase->getType())->getElementType())->isOne()
1562            && "unit stride pointer IV must be i8*");
1563
1564     IRBuilder<> Builder(L->getLoopPreheader()->getTerminator());
1565     return Builder.CreateGEP(GEPBase, GEPOffset, "lftr.limit");
1566   }
1567   else {
1568     // In any other case, convert both IVInit and IVCount to integers before
1569     // comparing. This may result in SCEV expension of pointers, but in practice
1570     // SCEV will fold the pointer arithmetic away as such:
1571     // BECount = (IVEnd - IVInit - 1) => IVLimit = IVInit (postinc).
1572     //
1573     // Valid Cases: (1) both integers is most common; (2) both may be pointers
1574     // for simple memset-style loops; (3) IVInit is an integer and IVCount is a
1575     // pointer may occur when enable-iv-rewrite generates a canonical IV on top
1576     // of case #2.
1577
1578     const SCEV *IVLimit = 0;
1579     // For unit stride, IVCount = Start + BECount with 2's complement overflow.
1580     // For non-zero Start, compute IVCount here.
1581     if (AR->getStart()->isZero())
1582       IVLimit = IVCount;
1583     else {
1584       assert(AR->getStepRecurrence(*SE)->isOne() && "only handles unit stride");
1585       const SCEV *IVInit = AR->getStart();
1586
1587       // For integer IVs, truncate the IV before computing IVInit + BECount.
1588       if (SE->getTypeSizeInBits(IVInit->getType())
1589           > SE->getTypeSizeInBits(IVCount->getType()))
1590         IVInit = SE->getTruncateExpr(IVInit, IVCount->getType());
1591
1592       IVLimit = SE->getAddExpr(IVInit, IVCount);
1593     }
1594     // Expand the code for the iteration count.
1595     BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1596     IRBuilder<> Builder(BI);
1597     assert(SE->isLoopInvariant(IVLimit, L) &&
1598            "Computed iteration count is not loop invariant!");
1599     // Ensure that we generate the same type as IndVar, or a smaller integer
1600     // type. In the presence of null pointer values, we have an integer type
1601     // SCEV expression (IVInit) for a pointer type IV value (IndVar).
1602     Type *LimitTy = IVCount->getType()->isPointerTy() ?
1603       IndVar->getType() : IVCount->getType();
1604     return Rewriter.expandCodeFor(IVLimit, LimitTy, BI);
1605   }
1606 }
1607
1608 /// LinearFunctionTestReplace - This method rewrites the exit condition of the
1609 /// loop to be a canonical != comparison against the incremented loop induction
1610 /// variable.  This pass is able to rewrite the exit tests of any loop where the
1611 /// SCEV analysis can determine a loop-invariant trip count of the loop, which
1612 /// is actually a much broader range than just linear tests.
1613 Value *IndVarSimplify::
1614 LinearFunctionTestReplace(Loop *L,
1615                           const SCEV *BackedgeTakenCount,
1616                           PHINode *IndVar,
1617                           SCEVExpander &Rewriter) {
1618   assert(canExpandBackedgeTakenCount(L, SE) && "precondition");
1619
1620   // LFTR can ignore IV overflow and truncate to the width of
1621   // BECount. This avoids materializing the add(zext(add)) expression.
1622   Type *CntTy = !EnableIVRewrite ?
1623     BackedgeTakenCount->getType() : IndVar->getType();
1624
1625   const SCEV *IVCount = BackedgeTakenCount;
1626
1627   // If the exiting block is the same as the backedge block, we prefer to
1628   // compare against the post-incremented value, otherwise we must compare
1629   // against the preincremented value.
1630   Value *CmpIndVar;
1631   if (L->getExitingBlock() == L->getLoopLatch()) {
1632     // Add one to the "backedge-taken" count to get the trip count.
1633     // If this addition may overflow, we have to be more pessimistic and
1634     // cast the induction variable before doing the add.
1635     const SCEV *N =
1636       SE->getAddExpr(IVCount, SE->getConstant(IVCount->getType(), 1));
1637     if (CntTy == IVCount->getType())
1638       IVCount = N;
1639     else {
1640       const SCEV *Zero = SE->getConstant(IVCount->getType(), 0);
1641       if ((isa<SCEVConstant>(N) && !N->isZero()) ||
1642           SE->isLoopEntryGuardedByCond(L, ICmpInst::ICMP_NE, N, Zero)) {
1643         // No overflow. Cast the sum.
1644         IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(N, CntTy);
1645       } else {
1646         // Potential overflow. Cast before doing the add.
1647         IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, CntTy);
1648         IVCount = SE->getAddExpr(IVCount, SE->getConstant(CntTy, 1));
1649       }
1650     }
1651     // The BackedgeTaken expression contains the number of times that the
1652     // backedge branches to the loop header.  This is one less than the
1653     // number of times the loop executes, so use the incremented indvar.
1654     CmpIndVar = IndVar->getIncomingValueForBlock(L->getExitingBlock());
1655   } else {
1656     // We must use the preincremented value...
1657     IVCount = SE->getTruncateOrZeroExtend(IVCount, CntTy);
1658     CmpIndVar = IndVar;
1659   }
1660
1661   Value *ExitCnt = genLoopLimit(IndVar, IVCount, L, Rewriter, SE);
1662   assert(ExitCnt->getType()->isPointerTy() == IndVar->getType()->isPointerTy()
1663          && "genLoopLimit missed a cast");
1664
1665   // Insert a new icmp_ne or icmp_eq instruction before the branch.
1666   BranchInst *BI = cast<BranchInst>(L->getExitingBlock()->getTerminator());
1667   ICmpInst::Predicate P;
1668   if (L->contains(BI->getSuccessor(0)))
1669     P = ICmpInst::ICMP_NE;
1670   else
1671     P = ICmpInst::ICMP_EQ;
1672
1673   DEBUG(dbgs() << "INDVARS: Rewriting loop exit condition to:\n"
1674                << "      LHS:" << *CmpIndVar << '\n'
1675                << "       op:\t"
1676                << (P == ICmpInst::ICMP_NE ? "!=" : "==") << "\n"
1677                << "      RHS:\t" << *ExitCnt << "\n"
1678                << "  IVCount:\t" << *IVCount << "\n");
1679
1680   IRBuilder<> Builder(BI);
1681   if (SE->getTypeSizeInBits(CmpIndVar->getType())
1682       > SE->getTypeSizeInBits(ExitCnt->getType())) {
1683     CmpIndVar = Builder.CreateTrunc(CmpIndVar, ExitCnt->getType(),
1684                                     "lftr.wideiv");
1685   }
1686
1687   Value *Cond = Builder.CreateICmp(P, CmpIndVar, ExitCnt, "exitcond");
1688   Value *OrigCond = BI->getCondition();
1689   // It's tempting to use replaceAllUsesWith here to fully replace the old
1690   // comparison, but that's not immediately safe, since users of the old
1691   // comparison may not be dominated by the new comparison. Instead, just
1692   // update the branch to use the new comparison; in the common case this
1693   // will make old comparison dead.
1694   BI->setCondition(Cond);
1695   DeadInsts.push_back(OrigCond);
1696
1697   ++NumLFTR;
1698   Changed = true;
1699   return Cond;
1700 }
1701
1702 //===----------------------------------------------------------------------===//
1703 //  SinkUnusedInvariants. A late subpass to cleanup loop preheaders.
1704 //===----------------------------------------------------------------------===//
1705
1706 /// If there's a single exit block, sink any loop-invariant values that
1707 /// were defined in the preheader but not used inside the loop into the
1708 /// exit block to reduce register pressure in the loop.
1709 void IndVarSimplify::SinkUnusedInvariants(Loop *L) {
1710   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitBlock();
1711   if (!ExitBlock) return;
1712
1713   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1714   if (!Preheader) return;
1715
1716   Instruction *InsertPt = ExitBlock->getFirstInsertionPt();
1717   BasicBlock::iterator I = Preheader->getTerminator();
1718   while (I != Preheader->begin()) {
1719     --I;
1720     // New instructions were inserted at the end of the preheader.
1721     if (isa<PHINode>(I))
1722       break;
1723
1724     // Don't move instructions which might have side effects, since the side
1725     // effects need to complete before instructions inside the loop.  Also don't
1726     // move instructions which might read memory, since the loop may modify
1727     // memory. Note that it's okay if the instruction might have undefined
1728     // behavior: LoopSimplify guarantees that the preheader dominates the exit
1729     // block.
1730     if (I->mayHaveSideEffects() || I->mayReadFromMemory())
1731       continue;
1732
1733     // Skip debug info intrinsics.
1734     if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I))
1735       continue;
1736
1737     // Skip landingpad instructions.
1738     if (isa<LandingPadInst>(I))
1739       continue;
1740
1741     // Don't sink alloca: we never want to sink static alloca's out of the
1742     // entry block, and correctly sinking dynamic alloca's requires
1743     // checks for stacksave/stackrestore intrinsics.
1744     // FIXME: Refactor this check somehow?
1745     if (isa<AllocaInst>(I))
1746       continue;
1747
1748     // Determine if there is a use in or before the loop (direct or
1749     // otherwise).
1750     bool UsedInLoop = false;
1751     for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
1752          UI != UE; ++UI) {
1753       User *U = *UI;
1754       BasicBlock *UseBB = cast<Instruction>(U)->getParent();
1755       if (PHINode *P = dyn_cast<PHINode>(U)) {
1756         unsigned i =
1757           PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo());
1758         UseBB = P->getIncomingBlock(i);
1759       }
1760       if (UseBB == Preheader || L->contains(UseBB)) {
1761         UsedInLoop = true;
1762         break;
1763       }
1764     }
1765
1766     // If there is, the def must remain in the preheader.
1767     if (UsedInLoop)
1768       continue;
1769
1770     // Otherwise, sink it to the exit block.
1771     Instruction *ToMove = I;
1772     bool Done = false;
1773
1774     if (I != Preheader->begin()) {
1775       // Skip debug info intrinsics.
1776       do {
1777         --I;
1778       } while (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I != Preheader->begin());
1779
1780       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(I) && I == Preheader->begin())
1781         Done = true;
1782     } else {
1783       Done = true;
1784     }
1785
1786     ToMove->moveBefore(InsertPt);
1787     if (Done) break;
1788     InsertPt = ToMove;
1789   }
1790 }
1791
1792 //===----------------------------------------------------------------------===//
1793 //  IndVarSimplify driver. Manage several subpasses of IV simplification.
1794 //===----------------------------------------------------------------------===//
1795
1796 bool IndVarSimplify::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1797   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble. Some notes:
1798   //  - LSR currently only supports LoopSimplify-form loops. Indvars'
1799   //    canonicalization can be a pessimization without LSR to "clean up"
1800   //    afterwards.
1801   //  - We depend on having a preheader; in particular,
1802   //    Loop::getCanonicalInductionVariable only supports loops with preheaders,
1803   //    and we're in trouble if we can't find the induction variable even when
1804   //    we've manually inserted one.
1805   if (!L->isLoopSimplifyForm())
1806     return false;
1807
1808   if (EnableIVRewrite)
1809     IU = &getAnalysis<IVUsers>();
1810   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1811   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1812   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1813   TD = getAnalysisIfAvailable<TargetData>();
1814
1815   DeadInsts.clear();
1816   Changed = false;
1817
1818   // If there are any floating-point recurrences, attempt to
1819   // transform them to use integer recurrences.
1820   RewriteNonIntegerIVs(L);
1821
1822   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1823
1824   // Create a rewriter object which we'll use to transform the code with.
1825   SCEVExpander Rewriter(*SE, "indvars");
1826 #ifndef NDEBUG
1827   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
1828 #endif
1829
1830   // Eliminate redundant IV users.
1831   //
1832   // Simplification works best when run before other consumers of SCEV. We
1833   // attempt to avoid evaluating SCEVs for sign/zero extend operations until
1834   // other expressions involving loop IVs have been evaluated. This helps SCEV
1835   // set no-wrap flags before normalizing sign/zero extension.
1836   if (!EnableIVRewrite) {
1837     Rewriter.disableCanonicalMode();
1838     SimplifyAndExtend(L, Rewriter, LPM);
1839   }
1840
1841   // Check to see if this loop has a computable loop-invariant execution count.
1842   // If so, this means that we can compute the final value of any expressions
1843   // that are recurrent in the loop, and substitute the exit values from the
1844   // loop into any instructions outside of the loop that use the final values of
1845   // the current expressions.
1846   //
1847   if (!isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1848     RewriteLoopExitValues(L, Rewriter);
1849
1850   // Eliminate redundant IV users.
1851   if (EnableIVRewrite)
1852     Changed |= simplifyIVUsers(IU, SE, &LPM, DeadInsts);
1853
1854   // Eliminate redundant IV cycles.
1855   if (!EnableIVRewrite)
1856     NumElimIV += Rewriter.replaceCongruentIVs(L, DT, DeadInsts);
1857
1858   // Compute the type of the largest recurrence expression, and decide whether
1859   // a canonical induction variable should be inserted.
1860   Type *LargestType = 0;
1861   bool NeedCannIV = false;
1862   bool ExpandBECount = canExpandBackedgeTakenCount(L, SE);
1863   if (EnableIVRewrite && ExpandBECount) {
1864     // If we have a known trip count and a single exit block, we'll be
1865     // rewriting the loop exit test condition below, which requires a
1866     // canonical induction variable.
1867     NeedCannIV = true;
1868     Type *Ty = BackedgeTakenCount->getType();
1869     if (!EnableIVRewrite) {
1870       // In this mode, SimplifyIVUsers may have already widened the IV used by
1871       // the backedge test and inserted a Trunc on the compare's operand. Get
1872       // the wider type to avoid creating a redundant narrow IV only used by the
1873       // loop test.
1874       LargestType = getBackedgeIVType(L);
1875     }
1876     if (!LargestType ||
1877         SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1878         SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1879       LargestType = SE->getEffectiveSCEVType(Ty);
1880   }
1881   if (EnableIVRewrite) {
1882     for (IVUsers::const_iterator I = IU->begin(), E = IU->end(); I != E; ++I) {
1883       NeedCannIV = true;
1884       Type *Ty =
1885         SE->getEffectiveSCEVType(I->getOperandValToReplace()->getType());
1886       if (!LargestType ||
1887           SE->getTypeSizeInBits(Ty) >
1888           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1889         LargestType = Ty;
1890     }
1891   }
1892
1893   // Now that we know the largest of the induction variable expressions
1894   // in this loop, insert a canonical induction variable of the largest size.
1895   PHINode *IndVar = 0;
1896   if (NeedCannIV) {
1897     // Check to see if the loop already has any canonical-looking induction
1898     // variables. If any are present and wider than the planned canonical
1899     // induction variable, temporarily remove them, so that the Rewriter
1900     // doesn't attempt to reuse them.
1901     SmallVector<PHINode *, 2> OldCannIVs;
1902     while (PHINode *OldCannIV = L->getCanonicalInductionVariable()) {
1903       if (SE->getTypeSizeInBits(OldCannIV->getType()) >
1904           SE->getTypeSizeInBits(LargestType))
1905         OldCannIV->removeFromParent();
1906       else
1907         break;
1908       OldCannIVs.push_back(OldCannIV);
1909     }
1910
1911     IndVar = Rewriter.getOrInsertCanonicalInductionVariable(L, LargestType);
1912
1913     ++NumInserted;
1914     Changed = true;
1915     DEBUG(dbgs() << "INDVARS: New CanIV: " << *IndVar << '\n');
1916
1917     // Now that the official induction variable is established, reinsert
1918     // any old canonical-looking variables after it so that the IR remains
1919     // consistent. They will be deleted as part of the dead-PHI deletion at
1920     // the end of the pass.
1921     while (!OldCannIVs.empty()) {
1922       PHINode *OldCannIV = OldCannIVs.pop_back_val();
1923       OldCannIV->insertBefore(L->getHeader()->getFirstInsertionPt());
1924     }
1925   }
1926   else if (!EnableIVRewrite && ExpandBECount && needsLFTR(L, DT)) {
1927     IndVar = FindLoopCounter(L, BackedgeTakenCount, SE, DT, TD);
1928   }
1929   // If we have a trip count expression, rewrite the loop's exit condition
1930   // using it.  We can currently only handle loops with a single exit.
1931   Value *NewICmp = 0;
1932   if (ExpandBECount && IndVar) {
1933     // Check preconditions for proper SCEVExpander operation. SCEV does not
1934     // express SCEVExpander's dependencies, such as LoopSimplify. Instead any
1935     // pass that uses the SCEVExpander must do it. This does not work well for
1936     // loop passes because SCEVExpander makes assumptions about all loops, while
1937     // LoopPassManager only forces the current loop to be simplified.
1938     //
1939     // FIXME: SCEV expansion has no way to bail out, so the caller must
1940     // explicitly check any assumptions made by SCEV. Brittle.
1941     const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(BackedgeTakenCount);
1942     if (!AR || AR->getLoop()->getLoopPreheader())
1943       NewICmp =
1944         LinearFunctionTestReplace(L, BackedgeTakenCount, IndVar, Rewriter);
1945   }
1946   // Rewrite IV-derived expressions.
1947   if (EnableIVRewrite)
1948     RewriteIVExpressions(L, Rewriter);
1949
1950   // Clear the rewriter cache, because values that are in the rewriter's cache
1951   // can be deleted in the loop below, causing the AssertingVH in the cache to
1952   // trigger.
1953   Rewriter.clear();
1954
1955   // Now that we're done iterating through lists, clean up any instructions
1956   // which are now dead.
1957   while (!DeadInsts.empty())
1958     if (Instruction *Inst =
1959           dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val()))
1960       RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(Inst);
1961
1962   // The Rewriter may not be used from this point on.
1963
1964   // Loop-invariant instructions in the preheader that aren't used in the
1965   // loop may be sunk below the loop to reduce register pressure.
1966   SinkUnusedInvariants(L);
1967
1968   // For completeness, inform IVUsers of the IV use in the newly-created
1969   // loop exit test instruction.
1970   if (IU && NewICmp) {
1971     ICmpInst *NewICmpInst = dyn_cast<ICmpInst>(NewICmp);
1972     if (NewICmpInst) {
1973       SmallPtrSet<Loop*, 16> SimplifiedLoopNests;
1974       IU->AddUsersIfInteresting(cast<Instruction>(NewICmpInst->getOperand(0)),
1975                                 SimplifiedLoopNests);
1976     }
1977   }
1978   // Clean up dead instructions.
1979   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
1980   // Check a post-condition.
1981   assert(L->isLCSSAForm(*DT) &&
1982          "Indvars did not leave the loop in lcssa form!");
1983
1984   // Verify that LFTR, and any other change have not interfered with SCEV's
1985   // ability to compute trip count.
1986 #ifndef NDEBUG
1987   if (!EnableIVRewrite && VerifyIndvars &&
1988       !isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount)) {
1989     SE->forgetLoop(L);
1990     const SCEV *NewBECount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
1991     if (SE->getTypeSizeInBits(BackedgeTakenCount->getType()) <
1992         SE->getTypeSizeInBits(NewBECount->getType()))
1993       NewBECount = SE->getTruncateOrNoop(NewBECount,
1994                                          BackedgeTakenCount->getType());
1995     else
1996       BackedgeTakenCount = SE->getTruncateOrNoop(BackedgeTakenCount,
1997                                                  NewBECount->getType());
1998     assert(BackedgeTakenCount == NewBECount && "indvars must preserve SCEV");
1999   }
2000 #endif
2001
2002   return Changed;
2003 }