Reapply 95979, a compile-time speedup, now that the bug it exposed is fixed.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce IVs in Loops --------------===//
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 forms suitable for efficient execution
12 // on the target.
13 //
14 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
15 // have as one or more of their components the loop induction variable, it
16 // rewrites expressions to take advantage of scaled-index addressing modes
17 // available on the target, and it performs a variety of other optimizations
18 // related to loop induction variables.
19 //
20 // Terminology note: this code has a lot of handling for "post-increment" or
21 // "post-inc" users. This is not talking about post-increment addressing modes;
22 // it is instead talking about code like this:
23 //
24 //   %i = phi [ 0, %entry ], [ %i.next, %latch ]
25 //   ...
26 //   %i.next = add %i, 1
27 //   %c = icmp eq %i.next, %n
28 //
29 // The SCEV for %i is {0,+,1}<%L>. The SCEV for %i.next is {1,+,1}<%L>, however
30 // it's useful to think about these as the same register, with some uses using
31 // the value of the register before the add and some using // it after. In this
32 // example, the icmp is a post-increment user, since it uses %i.next, which is
33 // the value of the induction variable after the increment. The other common
34 // case of post-increment users is users outside the loop.
35 //
36 // TODO: More sophistication in the way Formulae are generated and filtered.
37 //
38 // TODO: Handle multiple loops at a time.
39 //
40 // TODO: Should TargetLowering::AddrMode::BaseGV be changed to a ConstantExpr
41 //       instead of a GlobalValue?
42 //
43 // TODO: When truncation is free, truncate ICmp users' operands to make it a
44 //       smaller encoding (on x86 at least).
45 //
46 // TODO: When a negated register is used by an add (such as in a list of
47 //       multiple base registers, or as the increment expression in an addrec),
48 //       we may not actually need both reg and (-1 * reg) in registers; the
49 //       negation can be implemented by using a sub instead of an add. The
50 //       lack of support for taking this into consideration when making
51 //       register pressure decisions is partly worked around by the "Special"
52 //       use kind.
53 //
54 //===----------------------------------------------------------------------===//
55
56 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
57 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
58 #include "llvm/Constants.h"
59 #include "llvm/Instructions.h"
60 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
61 #include "llvm/DerivedTypes.h"
62 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
63 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
64 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
65 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
66 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
67 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
68 #include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
69 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
70 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
71 #include "llvm/Support/Debug.h"
72 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
73 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
74 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
75 #include <algorithm>
76 using namespace llvm;
77
78 namespace {
79
80 /// RegSortData - This class holds data which is used to order reuse candidates.
81 class RegSortData {
82 public:
83   /// UsedByIndices - This represents the set of LSRUse indices which reference
84   /// a particular register.
85   SmallBitVector UsedByIndices;
86
87   RegSortData() {}
88
89   void print(raw_ostream &OS) const;
90   void dump() const;
91 };
92
93 }
94
95 void RegSortData::print(raw_ostream &OS) const {
96   OS << "[NumUses=" << UsedByIndices.count() << ']';
97 }
98
99 void RegSortData::dump() const {
100   print(errs()); errs() << '\n';
101 }
102
103 namespace {
104
105 /// RegUseTracker - Map register candidates to information about how they are
106 /// used.
107 class RegUseTracker {
108   typedef DenseMap<const SCEV *, RegSortData> RegUsesTy;
109
110   RegUsesTy RegUses;
111   SmallVector<const SCEV *, 16> RegSequence;
112
113 public:
114   void CountRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
115
116   bool isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const;
117
118   const SmallBitVector &getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const;
119
120   void clear();
121
122   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator iterator;
123   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator const_iterator;
124   iterator begin() { return RegSequence.begin(); }
125   iterator end()   { return RegSequence.end(); }
126   const_iterator begin() const { return RegSequence.begin(); }
127   const_iterator end() const   { return RegSequence.end(); }
128 };
129
130 }
131
132 void
133 RegUseTracker::CountRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
134   std::pair<RegUsesTy::iterator, bool> Pair =
135     RegUses.insert(std::make_pair(Reg, RegSortData()));
136   RegSortData &RSD = Pair.first->second;
137   if (Pair.second)
138     RegSequence.push_back(Reg);
139   RSD.UsedByIndices.resize(std::max(RSD.UsedByIndices.size(), LUIdx + 1));
140   RSD.UsedByIndices.set(LUIdx);
141 }
142
143 bool
144 RegUseTracker::isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const {
145   if (!RegUses.count(Reg)) return false;
146   const SmallBitVector &UsedByIndices =
147     RegUses.find(Reg)->second.UsedByIndices;
148   int i = UsedByIndices.find_first();
149   if (i == -1) return false;
150   if ((size_t)i != LUIdx) return true;
151   return UsedByIndices.find_next(i) != -1;
152 }
153
154 const SmallBitVector &RegUseTracker::getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const {
155   RegUsesTy::const_iterator I = RegUses.find(Reg);
156   assert(I != RegUses.end() && "Unknown register!");
157   return I->second.UsedByIndices;
158 }
159
160 void RegUseTracker::clear() {
161   RegUses.clear();
162   RegSequence.clear();
163 }
164
165 namespace {
166
167 /// Formula - This class holds information that describes a formula for
168 /// computing satisfying a use. It may include broken-out immediates and scaled
169 /// registers.
170 struct Formula {
171   /// AM - This is used to represent complex addressing, as well as other kinds
172   /// of interesting uses.
173   TargetLowering::AddrMode AM;
174
175   /// BaseRegs - The list of "base" registers for this use. When this is
176   /// non-empty, AM.HasBaseReg should be set to true.
177   SmallVector<const SCEV *, 2> BaseRegs;
178
179   /// ScaledReg - The 'scaled' register for this use. This should be non-null
180   /// when AM.Scale is not zero.
181   const SCEV *ScaledReg;
182
183   Formula() : ScaledReg(0) {}
184
185   void InitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
186                     ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
187
188   unsigned getNumRegs() const;
189   const Type *getType() const;
190
191   bool referencesReg(const SCEV *S) const;
192   bool hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
193                                   const RegUseTracker &RegUses) const;
194
195   void print(raw_ostream &OS) const;
196   void dump() const;
197 };
198
199 }
200
201 /// DoInitialMatch - Recurrsion helper for InitialMatch.
202 static void DoInitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
203                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Good,
204                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Bad,
205                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
206   // Collect expressions which properly dominate the loop header.
207   if (S->properlyDominates(L->getHeader(), &DT)) {
208     Good.push_back(S);
209     return;
210   }
211
212   // Look at add operands.
213   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
214     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
215          I != E; ++I)
216       DoInitialMatch(*I, L, Good, Bad, SE, DT);
217     return;
218   }
219
220   // Look at addrec operands.
221   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
222     if (!AR->getStart()->isZero()) {
223       DoInitialMatch(AR->getStart(), L, Good, Bad, SE, DT);
224       DoInitialMatch(SE.getAddRecExpr(SE.getIntegerSCEV(0, AR->getType()),
225                                       AR->getStepRecurrence(SE),
226                                       AR->getLoop()),
227                      L, Good, Bad, SE, DT);
228       return;
229     }
230
231   // Handle a multiplication by -1 (negation) if it didn't fold.
232   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S))
233     if (Mul->getOperand(0)->isAllOnesValue()) {
234       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(Mul->op_begin()+1, Mul->op_end());
235       const SCEV *NewMul = SE.getMulExpr(Ops);
236
237       SmallVector<const SCEV *, 4> MyGood;
238       SmallVector<const SCEV *, 4> MyBad;
239       DoInitialMatch(NewMul, L, MyGood, MyBad, SE, DT);
240       const SCEV *NegOne = SE.getSCEV(ConstantInt::getAllOnesValue(
241         SE.getEffectiveSCEVType(NewMul->getType())));
242       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = MyGood.begin(),
243            E = MyGood.end(); I != E; ++I)
244         Good.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, *I));
245       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = MyBad.begin(),
246            E = MyBad.end(); I != E; ++I)
247         Bad.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, *I));
248       return;
249     }
250
251   // Ok, we can't do anything interesting. Just stuff the whole thing into a
252   // register and hope for the best.
253   Bad.push_back(S);
254 }
255
256 /// InitialMatch - Incorporate loop-variant parts of S into this Formula,
257 /// attempting to keep all loop-invariant and loop-computable values in a
258 /// single base register.
259 void Formula::InitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
260                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
261   SmallVector<const SCEV *, 4> Good;
262   SmallVector<const SCEV *, 4> Bad;
263   DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE, DT);
264   if (!Good.empty()) {
265     BaseRegs.push_back(SE.getAddExpr(Good));
266     AM.HasBaseReg = true;
267   }
268   if (!Bad.empty()) {
269     BaseRegs.push_back(SE.getAddExpr(Bad));
270     AM.HasBaseReg = true;
271   }
272 }
273
274 /// getNumRegs - Return the total number of register operands used by this
275 /// formula. This does not include register uses implied by non-constant
276 /// addrec strides.
277 unsigned Formula::getNumRegs() const {
278   return !!ScaledReg + BaseRegs.size();
279 }
280
281 /// getType - Return the type of this formula, if it has one, or null
282 /// otherwise. This type is meaningless except for the bit size.
283 const Type *Formula::getType() const {
284   return !BaseRegs.empty() ? BaseRegs.front()->getType() :
285          ScaledReg ? ScaledReg->getType() :
286          AM.BaseGV ? AM.BaseGV->getType() :
287          0;
288 }
289
290 /// referencesReg - Test if this formula references the given register.
291 bool Formula::referencesReg(const SCEV *S) const {
292   return S == ScaledReg ||
293          std::find(BaseRegs.begin(), BaseRegs.end(), S) != BaseRegs.end();
294 }
295
296 /// hasRegsUsedByUsesOtherThan - Test whether this formula uses registers
297 /// which are used by uses other than the use with the given index.
298 bool Formula::hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
299                                          const RegUseTracker &RegUses) const {
300   if (ScaledReg)
301     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(ScaledReg, LUIdx))
302       return true;
303   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = BaseRegs.begin(),
304        E = BaseRegs.end(); I != E; ++I)
305     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(*I, LUIdx))
306       return true;
307   return false;
308 }
309
310 void Formula::print(raw_ostream &OS) const {
311   bool First = true;
312   if (AM.BaseGV) {
313     if (!First) OS << " + "; else First = false;
314     WriteAsOperand(OS, AM.BaseGV, /*PrintType=*/false);
315   }
316   if (AM.BaseOffs != 0) {
317     if (!First) OS << " + "; else First = false;
318     OS << AM.BaseOffs;
319   }
320   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = BaseRegs.begin(),
321        E = BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
322     if (!First) OS << " + "; else First = false;
323     OS << "reg(" << **I << ')';
324   }
325   if (AM.Scale != 0) {
326     if (!First) OS << " + "; else First = false;
327     OS << AM.Scale << "*reg(";
328     if (ScaledReg)
329       OS << *ScaledReg;
330     else
331       OS << "<unknown>";
332     OS << ')';
333   }
334 }
335
336 void Formula::dump() const {
337   print(errs()); errs() << '\n';
338 }
339
340 /// getSDiv - Return an expression for LHS /s RHS, if it can be determined,
341 /// or null otherwise. If IgnoreSignificantBits is true, expressions like
342 /// (X * Y) /s Y are simplified to Y, ignoring that the multiplication may
343 /// overflow, which is useful when the result will be used in a context where
344 /// the most significant bits are ignored.
345 static const SCEV *getSDiv(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
346                            ScalarEvolution &SE,
347                            bool IgnoreSignificantBits = false) {
348   // Handle the trivial case, which works for any SCEV type.
349   if (LHS == RHS)
350     return SE.getIntegerSCEV(1, LHS->getType());
351
352   // Handle x /s -1 as x * -1, to give ScalarEvolution a chance to do some
353   // folding.
354   if (RHS->isAllOnesValue())
355     return SE.getMulExpr(LHS, RHS);
356
357   // Check for a division of a constant by a constant.
358   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
359     const SCEVConstant *RC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
360     if (!RC)
361       return 0;
362     if (C->getValue()->getValue().srem(RC->getValue()->getValue()) != 0)
363       return 0;
364     return SE.getConstant(C->getValue()->getValue()
365                .sdiv(RC->getValue()->getValue()));
366   }
367
368   // Distribute the sdiv over addrec operands.
369   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
370     const SCEV *Start = getSDiv(AR->getStart(), RHS, SE,
371                                 IgnoreSignificantBits);
372     if (!Start) return 0;
373     const SCEV *Step = getSDiv(AR->getStepRecurrence(SE), RHS, SE,
374                                IgnoreSignificantBits);
375     if (!Step) return 0;
376     return SE.getAddRecExpr(Start, Step, AR->getLoop());
377   }
378
379   // Distribute the sdiv over add operands.
380   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(LHS)) {
381     SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
382     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
383          I != E; ++I) {
384       const SCEV *Op = getSDiv(*I, RHS, SE,
385                                IgnoreSignificantBits);
386       if (!Op) return 0;
387       Ops.push_back(Op);
388     }
389     return SE.getAddExpr(Ops);
390   }
391
392   // Check for a multiply operand that we can pull RHS out of.
393   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(LHS))
394     if (IgnoreSignificantBits || Mul->hasNoSignedWrap()) {
395       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
396       bool Found = false;
397       for (SCEVMulExpr::op_iterator I = Mul->op_begin(), E = Mul->op_end();
398            I != E; ++I) {
399         if (!Found)
400           if (const SCEV *Q = getSDiv(*I, RHS, SE, IgnoreSignificantBits)) {
401             Ops.push_back(Q);
402             Found = true;
403             continue;
404           }
405         Ops.push_back(*I);
406       }
407       return Found ? SE.getMulExpr(Ops) : 0;
408     }
409
410   // Otherwise we don't know.
411   return 0;
412 }
413
414 /// ExtractImmediate - If S involves the addition of a constant integer value,
415 /// return that integer value, and mutate S to point to a new SCEV with that
416 /// value excluded.
417 static int64_t ExtractImmediate(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
418   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
419     if (C->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64) {
420       S = SE.getIntegerSCEV(0, C->getType());
421       return C->getValue()->getSExtValue();
422     }
423   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
424     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
425     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
426     S = SE.getAddExpr(NewOps);
427     return Result;
428   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
429     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
430     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
431     S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop());
432     return Result;
433   }
434   return 0;
435 }
436
437 /// ExtractSymbol - If S involves the addition of a GlobalValue address,
438 /// return that symbol, and mutate S to point to a new SCEV with that
439 /// value excluded.
440 static GlobalValue *ExtractSymbol(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
441   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
442     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue())) {
443       S = SE.getIntegerSCEV(0, GV->getType());
444       return GV;
445     }
446   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
447     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
448     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.back(), SE);
449     S = SE.getAddExpr(NewOps);
450     return Result;
451   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
452     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
453     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.front(), SE);
454     S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop());
455     return Result;
456   }
457   return 0;
458 }
459
460 /// isAddressUse - Returns true if the specified instruction is using the
461 /// specified value as an address.
462 static bool isAddressUse(Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
463   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
464   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
465     if (SI->getOperand(1) == OperandVal)
466       isAddress = true;
467   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
468     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
469     // of intrinsics.
470     switch (II->getIntrinsicID()) {
471       default: break;
472       case Intrinsic::prefetch:
473       case Intrinsic::x86_sse2_loadu_dq:
474       case Intrinsic::x86_sse2_loadu_pd:
475       case Intrinsic::x86_sse_loadu_ps:
476       case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
477       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
478       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
479       case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
480         if (II->getOperand(1) == OperandVal)
481           isAddress = true;
482         break;
483     }
484   }
485   return isAddress;
486 }
487
488 /// getAccessType - Return the type of the memory being accessed.
489 static const Type *getAccessType(const Instruction *Inst) {
490   const Type *AccessTy = Inst->getType();
491   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
492     AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
493   else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
494     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
495     // of intrinsics.
496     switch (II->getIntrinsicID()) {
497     default: break;
498     case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
499     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
500     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
501     case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
502       AccessTy = II->getOperand(1)->getType();
503       break;
504     }
505   }
506
507   // All pointers have the same requirements, so canonicalize them to an
508   // arbitrary pointer type to minimize variation.
509   if (const PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(AccessTy))
510     AccessTy = PointerType::get(IntegerType::get(PTy->getContext(), 1),
511                                 PTy->getAddressSpace());
512
513   return AccessTy;
514 }
515
516 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
517 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
518 /// their operands subsequently dead.
519 static bool
520 DeleteTriviallyDeadInstructions(SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
521   bool Changed = false;
522
523   while (!DeadInsts.empty()) {
524     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.pop_back_val());
525
526     if (I == 0 || !isInstructionTriviallyDead(I))
527       continue;
528
529     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
530       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
531         *OI = 0;
532         if (U->use_empty())
533           DeadInsts.push_back(U);
534       }
535
536     I->eraseFromParent();
537     Changed = true;
538   }
539
540   return Changed;
541 }
542
543 namespace {
544
545 /// Cost - This class is used to measure and compare candidate formulae.
546 class Cost {
547   /// TODO: Some of these could be merged. Also, a lexical ordering
548   /// isn't always optimal.
549   unsigned NumRegs;
550   unsigned AddRecCost;
551   unsigned NumIVMuls;
552   unsigned NumBaseAdds;
553   unsigned ImmCost;
554   unsigned SetupCost;
555
556 public:
557   Cost()
558     : NumRegs(0), AddRecCost(0), NumIVMuls(0), NumBaseAdds(0), ImmCost(0),
559       SetupCost(0) {}
560
561   unsigned getNumRegs() const { return NumRegs; }
562
563   bool operator<(const Cost &Other) const;
564
565   void Loose();
566
567   void RateFormula(const Formula &F,
568                    SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
569                    const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
570                    const Loop *L,
571                    const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
572                    ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
573
574   void print(raw_ostream &OS) const;
575   void dump() const;
576
577 private:
578   void RateRegister(const SCEV *Reg,
579                     SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
580                     const Loop *L,
581                     ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
582 };
583
584 }
585
586 /// RateRegister - Tally up interesting quantities from the given register.
587 void Cost::RateRegister(const SCEV *Reg,
588                         SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
589                         const Loop *L,
590                         ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
591   if (Regs.insert(Reg)) {
592     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)) {
593       if (AR->getLoop() == L)
594         AddRecCost += 1; /// TODO: This should be a function of the stride.
595
596       // If this is an addrec for a loop that's already been visited by LSR,
597       // don't second-guess its addrec phi nodes. LSR isn't currently smart
598       // enough to reason about more than one loop at a time. Consider these
599       // registers free and leave them alone.
600       else if (L->contains(AR->getLoop()) ||
601                (!AR->getLoop()->contains(L) &&
602                 DT.dominates(L->getHeader(), AR->getLoop()->getHeader()))) {
603         for (BasicBlock::iterator I = AR->getLoop()->getHeader()->begin();
604              PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I)
605           if (SE.isSCEVable(PN->getType()) &&
606               (SE.getEffectiveSCEVType(PN->getType()) ==
607                SE.getEffectiveSCEVType(AR->getType())) &&
608               SE.getSCEV(PN) == AR)
609             goto no_cost;
610
611         // If this isn't one of the addrecs that the loop already has, it
612         // would require a costly new phi and add.
613         ++NumBaseAdds;
614         RateRegister(AR->getStart(), Regs, L, SE, DT);
615       }
616
617       // Add the step value register, if it needs one.
618       // TODO: The non-affine case isn't precisely modeled here.
619       if (!AR->isAffine() || !isa<SCEVConstant>(AR->getOperand(1)))
620         RateRegister(AR->getOperand(1), Regs, L, SE, DT);
621     }
622     ++NumRegs;
623
624     // Rough heuristic; favor registers which don't require extra setup
625     // instructions in the preheader.
626     if (!isa<SCEVUnknown>(Reg) &&
627         !isa<SCEVConstant>(Reg) &&
628         !(isa<SCEVAddRecExpr>(Reg) &&
629           (isa<SCEVUnknown>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()) ||
630            isa<SCEVConstant>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()))))
631       ++SetupCost;
632   no_cost:;
633   }
634 }
635
636 void Cost::RateFormula(const Formula &F,
637                        SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
638                        const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
639                        const Loop *L,
640                        const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
641                        ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
642   // Tally up the registers.
643   if (const SCEV *ScaledReg = F.ScaledReg) {
644     if (VisitedRegs.count(ScaledReg)) {
645       Loose();
646       return;
647     }
648     RateRegister(ScaledReg, Regs, L, SE, DT);
649   }
650   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
651        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
652     const SCEV *BaseReg = *I;
653     if (VisitedRegs.count(BaseReg)) {
654       Loose();
655       return;
656     }
657     RateRegister(BaseReg, Regs, L, SE, DT);
658
659     NumIVMuls += isa<SCEVMulExpr>(BaseReg) &&
660                  BaseReg->hasComputableLoopEvolution(L);
661   }
662
663   if (F.BaseRegs.size() > 1)
664     NumBaseAdds += F.BaseRegs.size() - 1;
665
666   // Tally up the non-zero immediates.
667   for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Offsets.begin(),
668        E = Offsets.end(); I != E; ++I) {
669     int64_t Offset = (uint64_t)*I + F.AM.BaseOffs;
670     if (F.AM.BaseGV)
671       ImmCost += 64; // Handle symbolic values conservatively.
672                      // TODO: This should probably be the pointer size.
673     else if (Offset != 0)
674       ImmCost += APInt(64, Offset, true).getMinSignedBits();
675   }
676 }
677
678 /// Loose - Set this cost to a loosing value.
679 void Cost::Loose() {
680   NumRegs = ~0u;
681   AddRecCost = ~0u;
682   NumIVMuls = ~0u;
683   NumBaseAdds = ~0u;
684   ImmCost = ~0u;
685   SetupCost = ~0u;
686 }
687
688 /// operator< - Choose the lower cost.
689 bool Cost::operator<(const Cost &Other) const {
690   if (NumRegs != Other.NumRegs)
691     return NumRegs < Other.NumRegs;
692   if (AddRecCost != Other.AddRecCost)
693     return AddRecCost < Other.AddRecCost;
694   if (NumIVMuls != Other.NumIVMuls)
695     return NumIVMuls < Other.NumIVMuls;
696   if (NumBaseAdds != Other.NumBaseAdds)
697     return NumBaseAdds < Other.NumBaseAdds;
698   if (ImmCost != Other.ImmCost)
699     return ImmCost < Other.ImmCost;
700   if (SetupCost != Other.SetupCost)
701     return SetupCost < Other.SetupCost;
702   return false;
703 }
704
705 void Cost::print(raw_ostream &OS) const {
706   OS << NumRegs << " reg" << (NumRegs == 1 ? "" : "s");
707   if (AddRecCost != 0)
708     OS << ", with addrec cost " << AddRecCost;
709   if (NumIVMuls != 0)
710     OS << ", plus " << NumIVMuls << " IV mul" << (NumIVMuls == 1 ? "" : "s");
711   if (NumBaseAdds != 0)
712     OS << ", plus " << NumBaseAdds << " base add"
713        << (NumBaseAdds == 1 ? "" : "s");
714   if (ImmCost != 0)
715     OS << ", plus " << ImmCost << " imm cost";
716   if (SetupCost != 0)
717     OS << ", plus " << SetupCost << " setup cost";
718 }
719
720 void Cost::dump() const {
721   print(errs()); errs() << '\n';
722 }
723
724 namespace {
725
726 /// LSRFixup - An operand value in an instruction which is to be replaced
727 /// with some equivalent, possibly strength-reduced, replacement.
728 struct LSRFixup {
729   /// UserInst - The instruction which will be updated.
730   Instruction *UserInst;
731
732   /// OperandValToReplace - The operand of the instruction which will
733   /// be replaced. The operand may be used more than once; every instance
734   /// will be replaced.
735   Value *OperandValToReplace;
736
737   /// PostIncLoop - If this user is to use the post-incremented value of an
738   /// induction variable, this variable is non-null and holds the loop
739   /// associated with the induction variable.
740   const Loop *PostIncLoop;
741
742   /// LUIdx - The index of the LSRUse describing the expression which
743   /// this fixup needs, minus an offset (below).
744   size_t LUIdx;
745
746   /// Offset - A constant offset to be added to the LSRUse expression.
747   /// This allows multiple fixups to share the same LSRUse with different
748   /// offsets, for example in an unrolled loop.
749   int64_t Offset;
750
751   LSRFixup();
752
753   void print(raw_ostream &OS) const;
754   void dump() const;
755 };
756
757 }
758
759 LSRFixup::LSRFixup()
760   : UserInst(0), OperandValToReplace(0), PostIncLoop(0),
761     LUIdx(~size_t(0)), Offset(0) {}
762
763 void LSRFixup::print(raw_ostream &OS) const {
764   OS << "UserInst=";
765   // Store is common and interesting enough to be worth special-casing.
766   if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(UserInst)) {
767     OS << "store ";
768     WriteAsOperand(OS, Store->getOperand(0), /*PrintType=*/false);
769   } else if (UserInst->getType()->isVoidTy())
770     OS << UserInst->getOpcodeName();
771   else
772     WriteAsOperand(OS, UserInst, /*PrintType=*/false);
773
774   OS << ", OperandValToReplace=";
775   WriteAsOperand(OS, OperandValToReplace, /*PrintType=*/false);
776
777   if (PostIncLoop) {
778     OS << ", PostIncLoop=";
779     WriteAsOperand(OS, PostIncLoop->getHeader(), /*PrintType=*/false);
780   }
781
782   if (LUIdx != ~size_t(0))
783     OS << ", LUIdx=" << LUIdx;
784
785   if (Offset != 0)
786     OS << ", Offset=" << Offset;
787 }
788
789 void LSRFixup::dump() const {
790   print(errs()); errs() << '\n';
791 }
792
793 namespace {
794
795 /// UniquifierDenseMapInfo - A DenseMapInfo implementation for holding
796 /// DenseMaps and DenseSets of sorted SmallVectors of const SCEV*.
797 struct UniquifierDenseMapInfo {
798   static SmallVector<const SCEV *, 2> getEmptyKey() {
799     SmallVector<const SCEV *, 2> V;
800     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1));
801     return V;
802   }
803
804   static SmallVector<const SCEV *, 2> getTombstoneKey() {
805     SmallVector<const SCEV *, 2> V;
806     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2));
807     return V;
808   }
809
810   static unsigned getHashValue(const SmallVector<const SCEV *, 2> &V) {
811     unsigned Result = 0;
812     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = V.begin(),
813          E = V.end(); I != E; ++I)
814       Result ^= DenseMapInfo<const SCEV *>::getHashValue(*I);
815     return Result;
816   }
817
818   static bool isEqual(const SmallVector<const SCEV *, 2> &LHS,
819                       const SmallVector<const SCEV *, 2> &RHS) {
820     return LHS == RHS;
821   }
822 };
823
824 /// LSRUse - This class holds the state that LSR keeps for each use in
825 /// IVUsers, as well as uses invented by LSR itself. It includes information
826 /// about what kinds of things can be folded into the user, information about
827 /// the user itself, and information about how the use may be satisfied.
828 /// TODO: Represent multiple users of the same expression in common?
829 class LSRUse {
830   DenseSet<SmallVector<const SCEV *, 2>, UniquifierDenseMapInfo> Uniquifier;
831
832 public:
833   /// KindType - An enum for a kind of use, indicating what types of
834   /// scaled and immediate operands it might support.
835   enum KindType {
836     Basic,   ///< A normal use, with no folding.
837     Special, ///< A special case of basic, allowing -1 scales.
838     Address, ///< An address use; folding according to TargetLowering
839     ICmpZero ///< An equality icmp with both operands folded into one.
840     // TODO: Add a generic icmp too?
841   };
842
843   KindType Kind;
844   const Type *AccessTy;
845
846   SmallVector<int64_t, 8> Offsets;
847   int64_t MinOffset;
848   int64_t MaxOffset;
849
850   /// AllFixupsOutsideLoop - This records whether all of the fixups using this
851   /// LSRUse are outside of the loop, in which case some special-case heuristics
852   /// may be used.
853   bool AllFixupsOutsideLoop;
854
855   /// Formulae - A list of ways to build a value that can satisfy this user.
856   /// After the list is populated, one of these is selected heuristically and
857   /// used to formulate a replacement for OperandValToReplace in UserInst.
858   SmallVector<Formula, 12> Formulae;
859
860   /// Regs - The set of register candidates used by all formulae in this LSRUse.
861   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Regs;
862
863   LSRUse(KindType K, const Type *T) : Kind(K), AccessTy(T),
864                                       MinOffset(INT64_MAX),
865                                       MaxOffset(INT64_MIN),
866                                       AllFixupsOutsideLoop(true) {}
867
868   bool InsertFormula(size_t LUIdx, const Formula &F);
869
870   void check() const;
871
872   void print(raw_ostream &OS) const;
873   void dump() const;
874 };
875
876 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
877 /// the list, and return true. Return false otherwise.
878 bool LSRUse::InsertFormula(size_t LUIdx, const Formula &F) {
879   SmallVector<const SCEV *, 2> Key = F.BaseRegs;
880   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
881   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
882   std::sort(Key.begin(), Key.end());
883
884   if (!Uniquifier.insert(Key).second)
885     return false;
886
887   // Using a register to hold the value of 0 is not profitable.
888   assert((!F.ScaledReg || !F.ScaledReg->isZero()) &&
889          "Zero allocated in a scaled register!");
890 #ifndef NDEBUG
891   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I =
892        F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
893     assert(!(*I)->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
894 #endif
895
896   // Add the formula to the list.
897   Formulae.push_back(F);
898
899   // Record registers now being used by this use.
900   if (F.ScaledReg) Regs.insert(F.ScaledReg);
901   Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
902
903   return true;
904 }
905
906 void LSRUse::print(raw_ostream &OS) const {
907   OS << "LSR Use: Kind=";
908   switch (Kind) {
909   case Basic:    OS << "Basic"; break;
910   case Special:  OS << "Special"; break;
911   case ICmpZero: OS << "ICmpZero"; break;
912   case Address:
913     OS << "Address of ";
914     if (isa<PointerType>(AccessTy))
915       OS << "pointer"; // the full pointer type could be really verbose
916     else
917       OS << *AccessTy;
918   }
919
920   OS << ", Offsets={";
921   for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Offsets.begin(),
922        E = Offsets.end(); I != E; ++I) {
923     OS << *I;
924     if (next(I) != E)
925       OS << ',';
926   }
927   OS << '}';
928
929   if (AllFixupsOutsideLoop)
930     OS << ", all-fixups-outside-loop";
931 }
932
933 void LSRUse::dump() const {
934   print(errs()); errs() << '\n';
935 }
936
937 /// isLegalUse - Test whether the use described by AM is "legal", meaning it can
938 /// be completely folded into the user instruction at isel time. This includes
939 /// address-mode folding and special icmp tricks.
940 static bool isLegalUse(const TargetLowering::AddrMode &AM,
941                        LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy,
942                        const TargetLowering *TLI) {
943   switch (Kind) {
944   case LSRUse::Address:
945     // If we have low-level target information, ask the target if it can
946     // completely fold this address.
947     if (TLI) return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
948
949     // Otherwise, just guess that reg+reg addressing is legal.
950     return !AM.BaseGV && AM.BaseOffs == 0 && AM.Scale <= 1;
951
952   case LSRUse::ICmpZero:
953     // There's not even a target hook for querying whether it would be legal to
954     // fold a GV into an ICmp.
955     if (AM.BaseGV)
956       return false;
957
958     // ICmp only has two operands; don't allow more than two non-trivial parts.
959     if (AM.Scale != 0 && AM.HasBaseReg && AM.BaseOffs != 0)
960       return false;
961
962     // ICmp only supports no scale or a -1 scale, as we can "fold" a -1 scale by
963     // putting the scaled register in the other operand of the icmp.
964     if (AM.Scale != 0 && AM.Scale != -1)
965       return false;
966
967     // If we have low-level target information, ask the target if it can fold an
968     // integer immediate on an icmp.
969     if (AM.BaseOffs != 0) {
970       if (TLI) return TLI->isLegalICmpImmediate(-AM.BaseOffs);
971       return false;
972     }
973
974     return true;
975
976   case LSRUse::Basic:
977     // Only handle single-register values.
978     return !AM.BaseGV && AM.Scale == 0 && AM.BaseOffs == 0;
979
980   case LSRUse::Special:
981     // Only handle -1 scales, or no scale.
982     return AM.Scale == 0 || AM.Scale == -1;
983   }
984
985   return false;
986 }
987
988 static bool isLegalUse(TargetLowering::AddrMode AM,
989                        int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
990                        LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy,
991                        const TargetLowering *TLI) {
992   // Check for overflow.
993   if (((int64_t)((uint64_t)AM.BaseOffs + MinOffset) > AM.BaseOffs) !=
994       (MinOffset > 0))
995     return false;
996   AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + MinOffset;
997   if (isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI)) {
998     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs - MinOffset;
999     // Check for overflow.
1000     if (((int64_t)((uint64_t)AM.BaseOffs + MaxOffset) > AM.BaseOffs) !=
1001         (MaxOffset > 0))
1002       return false;
1003     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + MaxOffset;
1004     return isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI);
1005   }
1006   return false;
1007 }
1008
1009 static bool isAlwaysFoldable(int64_t BaseOffs,
1010                              GlobalValue *BaseGV,
1011                              bool HasBaseReg,
1012                              LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy,
1013                              const TargetLowering *TLI,
1014                              ScalarEvolution &SE) {
1015   // Fast-path: zero is always foldable.
1016   if (BaseOffs == 0 && !BaseGV) return true;
1017
1018   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1019   // base and a scale.
1020   TargetLowering::AddrMode AM;
1021   AM.BaseOffs = BaseOffs;
1022   AM.BaseGV = BaseGV;
1023   AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
1024   AM.Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1025
1026   return isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI);
1027 }
1028
1029 static bool isAlwaysFoldable(const SCEV *S,
1030                              int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1031                              bool HasBaseReg,
1032                              LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy,
1033                              const TargetLowering *TLI,
1034                              ScalarEvolution &SE) {
1035   // Fast-path: zero is always foldable.
1036   if (S->isZero()) return true;
1037
1038   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1039   // base and a scale.
1040   int64_t BaseOffs = ExtractImmediate(S, SE);
1041   GlobalValue *BaseGV = ExtractSymbol(S, SE);
1042
1043   // If there's anything else involved, it's not foldable.
1044   if (!S->isZero()) return false;
1045
1046   // Fast-path: zero is always foldable.
1047   if (BaseOffs == 0 && !BaseGV) return true;
1048
1049   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1050   // base and a scale.
1051   TargetLowering::AddrMode AM;
1052   AM.BaseOffs = BaseOffs;
1053   AM.BaseGV = BaseGV;
1054   AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
1055   AM.Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1056
1057   return isLegalUse(AM, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, TLI);
1058 }
1059
1060 /// FormulaSorter - This class implements an ordering for formulae which sorts
1061 /// the by their standalone cost.
1062 class FormulaSorter {
1063   /// These two sets are kept empty, so that we compute standalone costs.
1064   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
1065   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
1066   Loop *L;
1067   LSRUse *LU;
1068   ScalarEvolution &SE;
1069   DominatorTree &DT;
1070
1071 public:
1072   FormulaSorter(Loop *l, LSRUse &lu, ScalarEvolution &se, DominatorTree &dt)
1073     : L(l), LU(&lu), SE(se), DT(dt) {}
1074
1075   bool operator()(const Formula &A, const Formula &B) {
1076     Cost CostA;
1077     CostA.RateFormula(A, Regs, VisitedRegs, L, LU->Offsets, SE, DT);
1078     Regs.clear();
1079     Cost CostB;
1080     CostB.RateFormula(B, Regs, VisitedRegs, L, LU->Offsets, SE, DT);
1081     Regs.clear();
1082     return CostA < CostB;
1083   }
1084 };
1085
1086 /// LSRInstance - This class holds state for the main loop strength reduction
1087 /// logic.
1088 class LSRInstance {
1089   IVUsers &IU;
1090   ScalarEvolution &SE;
1091   DominatorTree &DT;
1092   const TargetLowering *const TLI;
1093   Loop *const L;
1094   bool Changed;
1095
1096   /// IVIncInsertPos - This is the insert position that the current loop's
1097   /// induction variable increment should be placed. In simple loops, this is
1098   /// the latch block's terminator. But in more complicated cases, this is a
1099   /// position which will dominate all the in-loop post-increment users.
1100   Instruction *IVIncInsertPos;
1101
1102   /// Factors - Interesting factors between use strides.
1103   SmallSetVector<int64_t, 8> Factors;
1104
1105   /// Types - Interesting use types, to facilitate truncation reuse.
1106   SmallSetVector<const Type *, 4> Types;
1107
1108   /// Fixups - The list of operands which are to be replaced.
1109   SmallVector<LSRFixup, 16> Fixups;
1110
1111   /// Uses - The list of interesting uses.
1112   SmallVector<LSRUse, 16> Uses;
1113
1114   /// RegUses - Track which uses use which register candidates.
1115   RegUseTracker RegUses;
1116
1117   void OptimizeShadowIV();
1118   bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse);
1119   ICmpInst *OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse);
1120   bool OptimizeLoopTermCond();
1121
1122   void CollectInterestingTypesAndFactors();
1123   void CollectFixupsAndInitialFormulae();
1124
1125   LSRFixup &getNewFixup() {
1126     Fixups.push_back(LSRFixup());
1127     return Fixups.back();
1128   }
1129
1130   // Support for sharing of LSRUses between LSRFixups.
1131   typedef DenseMap<const SCEV *, size_t> UseMapTy;
1132   UseMapTy UseMap;
1133
1134   bool reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset,
1135                           LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy);
1136
1137   std::pair<size_t, int64_t> getUse(const SCEV *&Expr,
1138                                     LSRUse::KindType Kind,
1139                                     const Type *AccessTy);
1140
1141 public:
1142   void InsertInitialFormula(const SCEV *S, Loop *L, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1143   void InsertSupplementalFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1144   void CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx);
1145   bool InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F);
1146
1147   void CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
1148
1149   void GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base,
1150                               unsigned Depth = 0);
1151   void GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1152   void GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1153   void GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1154   void GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1155   void GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1156   void GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1157   void GenerateCrossUseConstantOffsets();
1158   void GenerateAllReuseFormulae();
1159
1160   void FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
1161   void NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
1162
1163   void SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1164                     Cost &SolutionCost,
1165                     SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
1166                     const Cost &CurCost,
1167                     const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
1168                     DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const;
1169   void Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const;
1170
1171   Value *Expand(const LSRFixup &LF,
1172                 const Formula &F,
1173                 BasicBlock::iterator IP, Loop *L, Instruction *IVIncInsertPos,
1174                 SCEVExpander &Rewriter,
1175                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1176                 ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) const;
1177   void Rewrite(const LSRFixup &LF,
1178                const Formula &F,
1179                Loop *L, Instruction *IVIncInsertPos,
1180                SCEVExpander &Rewriter,
1181                SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1182                ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
1183                Pass *P) const;
1184   void ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1185                          Pass *P);
1186
1187   LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P);
1188
1189   bool getChanged() const { return Changed; }
1190
1191   void print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const;
1192   void print_fixups(raw_ostream &OS) const;
1193   void print_uses(raw_ostream &OS) const;
1194   void print(raw_ostream &OS) const;
1195   void dump() const;
1196 };
1197
1198 }
1199
1200 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
1201 /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
1202 void LSRInstance::OptimizeShadowIV() {
1203   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1204   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1205     return;
1206
1207   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end();
1208        UI != E; /* empty */) {
1209     IVUsers::const_iterator CandidateUI = UI;
1210     ++UI;
1211     Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
1212     const Type *DestTy = NULL;
1213
1214     /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
1215        to eliminate this cast.
1216
1217          for (unsigned i = 0; i < n; ++i)
1218            foo((double)i);
1219
1220        is transformed into
1221
1222          double d = 0.0;
1223          for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d)
1224            foo(d);
1225     */
1226     if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
1227       DestTy = UCast->getDestTy();
1228     else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
1229       DestTy = SCast->getDestTy();
1230     if (!DestTy) continue;
1231
1232     if (TLI) {
1233       // If target does not support DestTy natively then do not apply
1234       // this transformation.
1235       EVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
1236       if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
1237     }
1238
1239     PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
1240     if (!PH) continue;
1241     if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
1242
1243     const Type *SrcTy = PH->getType();
1244     int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
1245     if (Mantissa == -1) continue;
1246     if ((int)SE.getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
1247       continue;
1248
1249     unsigned Entry, Latch;
1250     if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
1251       Entry = 0;
1252       Latch = 1;
1253     } else {
1254       Entry = 1;
1255       Latch = 0;
1256     }
1257
1258     ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
1259     if (!Init) continue;
1260     Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, Init->getZExtValue());
1261
1262     BinaryOperator *Incr =
1263       dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
1264     if (!Incr) continue;
1265     if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
1266         && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
1267       continue;
1268
1269     /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
1270     ConstantInt *C = NULL;
1271     if (Incr->getOperand(0) == PH)
1272       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
1273     else if (Incr->getOperand(1) == PH)
1274       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
1275     else
1276       continue;
1277
1278     if (!C) continue;
1279
1280     // Ignore negative constants, as the code below doesn't handle them
1281     // correctly. TODO: Remove this restriction.
1282     if (!C->getValue().isStrictlyPositive()) continue;
1283
1284     /* Add new PHINode. */
1285     PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, "IV.S.", PH);
1286
1287     /* create new increment. '++d' in above example. */
1288     Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
1289     BinaryOperator *NewIncr =
1290       BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
1291                                Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
1292                              NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
1293
1294     NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
1295     NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
1296
1297     /* Remove cast operation */
1298     ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
1299     ShadowUse->eraseFromParent();
1300     break;
1301   }
1302 }
1303
1304 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1305 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1306 /// false.
1307 bool LSRInstance::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond,
1308                                     IVStrideUse *&CondUse) {
1309   for (IVUsers::iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1310     if (UI->getUser() == Cond) {
1311       // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1312       // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1313       // occurs enough in real life to handle.
1314       CondUse = UI;
1315       return true;
1316     }
1317   return false;
1318 }
1319
1320 /// OptimizeMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
1321 /// a max computation.
1322 ///
1323 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
1324 /// like this:
1325 ///
1326 ///   i = 0;
1327 ///   do {
1328 ///     p[i] = 0.0;
1329 ///   } while (++i < n);
1330 ///
1331 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
1332 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
1333 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
1334 /// will commonly be lowered like this:
1335 //
1336 ///   if (n > 0) {
1337 ///     i = 0;
1338 ///     do {
1339 ///       p[i] = 0.0;
1340 ///     } while (++i < n);
1341 ///   }
1342 ///
1343 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
1344 /// test in such a way that indvars can't find it.
1345 ///
1346 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
1347 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
1348 /// induction variable:
1349 ///
1350 ///   i = 0;
1351 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
1352 ///   do {
1353 ///     p[i] = 0.0;
1354 ///   } while (++i != max);
1355 ///
1356 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
1357 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
1358 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
1359 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
1360 /// needed, and it does this using a simple analysis that only succeeds if
1361 /// the loop has a canonical induction variable.
1362 ///
1363 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
1364 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
1365 ///
1366 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
1367 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
1368 /// the instructions for the maximum computation.
1369 ///
1370 ICmpInst *LSRInstance::OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse) {
1371   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
1372   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
1373       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
1374     return Cond;
1375
1376   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
1377   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
1378
1379   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1380   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1381     return Cond;
1382   const SCEV *One = SE.getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
1383
1384   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
1385   const SCEV *IterationCount = SE.getAddExpr(BackedgeTakenCount, One);
1386
1387   // Check for a max calculation that matches the pattern.
1388   if (!isa<SCEVSMaxExpr>(IterationCount) && !isa<SCEVUMaxExpr>(IterationCount))
1389     return Cond;
1390   const SCEVNAryExpr *Max = cast<SCEVNAryExpr>(IterationCount);
1391   if (Max != SE.getSCEV(Sel)) return Cond;
1392
1393   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
1394   // require additional checking and setup.
1395   if (Max->getNumOperands() != 2)
1396     return Cond;
1397
1398   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
1399   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
1400   if (!MaxLHS || MaxLHS != One) return Cond;
1401   // Check the relevant induction variable for conformance to
1402   // the pattern.
1403   const SCEV *IV = SE.getSCEV(Cond->getOperand(0));
1404   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
1405   if (!AR || !AR->isAffine() ||
1406       AR->getStart() != One ||
1407       AR->getStepRecurrence(SE) != One)
1408     return Cond;
1409
1410   assert(AR->getLoop() == L &&
1411          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
1412
1413   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
1414   // be used in the new comparison instruction.
1415   Value *NewRHS = 0;
1416   if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
1417     NewRHS = Sel->getOperand(1);
1418   else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
1419     NewRHS = Sel->getOperand(2);
1420   if (!NewRHS) return Cond;
1421
1422   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
1423   // and the original comparison may be either equality or inequality.
1424   CmpInst::Predicate Pred =
1425     isa<SCEVSMaxExpr>(Max) ? CmpInst::ICMP_SLT : CmpInst::ICMP_ULT;
1426   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
1427     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
1428
1429   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
1430   // delete the max calculation.
1431   ICmpInst *NewCond =
1432     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
1433
1434   // Delete the max calculation instructions.
1435   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
1436   CondUse->setUser(NewCond);
1437   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
1438   Cond->eraseFromParent();
1439   Sel->eraseFromParent();
1440   if (Cmp->use_empty())
1441     Cmp->eraseFromParent();
1442   return NewCond;
1443 }
1444
1445 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the
1446 /// postinc iv when possible.
1447 bool
1448 LSRInstance::OptimizeLoopTermCond() {
1449   SmallPtrSet<Instruction *, 4> PostIncs;
1450
1451   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1452   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
1453   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
1454
1455   for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
1456     BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
1457
1458     // Get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1459     // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1460     // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1461     // one register value.
1462
1463     BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1464     if (!TermBr)
1465       continue;
1466     // FIXME: Overly conservative, termination condition could be an 'or' etc..
1467     if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1468       continue;
1469
1470     // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1471     IVStrideUse *CondUse = 0;
1472     ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1473     if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse))
1474       continue;
1475
1476     // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
1477     // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
1478     // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
1479     // One consequence of doing this now is that it disrupts the count-down
1480     // optimization. That's not always a bad thing though, because in such
1481     // cases it may still be worthwhile to avoid a max.
1482     Cond = OptimizeMax(Cond, CondUse);
1483
1484     // If this exiting block dominates the latch block, it may also use
1485     // the post-inc value if it won't be shared with other uses.
1486     // Check for dominance.
1487     if (!DT.dominates(ExitingBlock, LatchBlock))
1488       continue;
1489
1490     // Conservatively avoid trying to use the post-inc value in non-latch
1491     // exits if there may be pre-inc users in intervening blocks.
1492     if (LatchBlock != ExitingBlock)
1493       for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1494         // Test if the use is reachable from the exiting block. This dominator
1495         // query is a conservative approximation of reachability.
1496         if (&*UI != CondUse &&
1497             !DT.properlyDominates(UI->getUser()->getParent(), ExitingBlock)) {
1498           // Conservatively assume there may be reuse if the quotient of their
1499           // strides could be a legal scale.
1500           const SCEV *A = CondUse->getStride();
1501           const SCEV *B = UI->getStride();
1502           if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) !=
1503               SE.getTypeSizeInBits(B->getType())) {
1504             if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) >
1505                 SE.getTypeSizeInBits(B->getType()))
1506               B = SE.getSignExtendExpr(B, A->getType());
1507             else
1508               A = SE.getSignExtendExpr(A, B->getType());
1509           }
1510           if (const SCEVConstant *D =
1511                 dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getSDiv(B, A, SE))) {
1512             // Stride of one or negative one can have reuse with non-addresses.
1513             if (D->getValue()->isOne() ||
1514                 D->getValue()->isAllOnesValue())
1515               goto decline_post_inc;
1516             // Avoid weird situations.
1517             if (D->getValue()->getValue().getMinSignedBits() >= 64 ||
1518                 D->getValue()->getValue().isMinSignedValue())
1519               goto decline_post_inc;
1520             // Check for possible scaled-address reuse.
1521             const Type *AccessTy = getAccessType(UI->getUser());
1522             TargetLowering::AddrMode AM;
1523             AM.Scale = D->getValue()->getSExtValue();
1524             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
1525               goto decline_post_inc;
1526             AM.Scale = -AM.Scale;
1527             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
1528               goto decline_post_inc;
1529           }
1530         }
1531
1532     DEBUG(dbgs() << "  Change loop exiting icmp to use postinc iv: "
1533                  << *Cond << '\n');
1534
1535     // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1536     // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1537     // the exiting block branch, move it.
1538     if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != TermBr) {
1539       if (Cond->hasOneUse()) {
1540         Cond->moveBefore(TermBr);
1541       } else {
1542         // Clone the terminating condition and insert into the loopend.
1543         ICmpInst *OldCond = Cond;
1544         Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
1545         Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
1546         ExitingBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
1547
1548         // Clone the IVUse, as the old use still exists!
1549         CondUse = &IU.AddUser(CondUse->getStride(), CondUse->getOffset(),
1550                               Cond, CondUse->getOperandValToReplace());
1551         TermBr->replaceUsesOfWith(OldCond, Cond);
1552       }
1553     }
1554
1555     // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
1556     // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
1557     // live ranges for the IV correctly.
1558     CondUse->setOffset(SE.getMinusSCEV(CondUse->getOffset(),
1559                                        CondUse->getStride()));
1560     CondUse->setIsUseOfPostIncrementedValue(true);
1561     Changed = true;
1562
1563     PostIncs.insert(Cond);
1564   decline_post_inc:;
1565   }
1566
1567   // Determine an insertion point for the loop induction variable increment. It
1568   // must dominate all the post-inc comparisons we just set up, and it must
1569   // dominate the loop latch edge.
1570   IVIncInsertPos = L->getLoopLatch()->getTerminator();
1571   for (SmallPtrSet<Instruction *, 4>::const_iterator I = PostIncs.begin(),
1572        E = PostIncs.end(); I != E; ++I) {
1573     BasicBlock *BB =
1574       DT.findNearestCommonDominator(IVIncInsertPos->getParent(),
1575                                     (*I)->getParent());
1576     if (BB == (*I)->getParent())
1577       IVIncInsertPos = *I;
1578     else if (BB != IVIncInsertPos->getParent())
1579       IVIncInsertPos = BB->getTerminator();
1580   }
1581
1582   return Changed;
1583 }
1584
1585 bool
1586 LSRInstance::reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset,
1587                                 LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy) {
1588   int64_t NewMinOffset = LU.MinOffset;
1589   int64_t NewMaxOffset = LU.MaxOffset;
1590   const Type *NewAccessTy = AccessTy;
1591
1592   // Check for a mismatched kind. It's tempting to collapse mismatched kinds to
1593   // something conservative, however this can pessimize in the case that one of
1594   // the uses will have all its uses outside the loop, for example.
1595   if (LU.Kind != Kind)
1596     return false;
1597   // Conservatively assume HasBaseReg is true for now.
1598   if (NewOffset < LU.MinOffset) {
1599     if (!isAlwaysFoldable(LU.MaxOffset - NewOffset, 0, /*HasBaseReg=*/true,
1600                           Kind, AccessTy, TLI, SE))
1601       return false;
1602     NewMinOffset = NewOffset;
1603   } else if (NewOffset > LU.MaxOffset) {
1604     if (!isAlwaysFoldable(NewOffset - LU.MinOffset, 0, /*HasBaseReg=*/true,
1605                           Kind, AccessTy, TLI, SE))
1606       return false;
1607     NewMaxOffset = NewOffset;
1608   }
1609   // Check for a mismatched access type, and fall back conservatively as needed.
1610   if (Kind == LSRUse::Address && AccessTy != LU.AccessTy)
1611     NewAccessTy = Type::getVoidTy(AccessTy->getContext());
1612
1613   // Update the use.
1614   LU.MinOffset = NewMinOffset;
1615   LU.MaxOffset = NewMaxOffset;
1616   LU.AccessTy = NewAccessTy;
1617   if (NewOffset != LU.Offsets.back())
1618     LU.Offsets.push_back(NewOffset);
1619   return true;
1620 }
1621
1622 /// getUse - Return an LSRUse index and an offset value for a fixup which
1623 /// needs the given expression, with the given kind and optional access type.
1624 /// Either reuse an exisitng use or create a new one, as needed.
1625 std::pair<size_t, int64_t>
1626 LSRInstance::getUse(const SCEV *&Expr,
1627                     LSRUse::KindType Kind, const Type *AccessTy) {
1628   const SCEV *Copy = Expr;
1629   int64_t Offset = ExtractImmediate(Expr, SE);
1630
1631   // Basic uses can't accept any offset, for example.
1632   if (!isAlwaysFoldable(Offset, 0, /*HasBaseReg=*/true,
1633                         Kind, AccessTy, TLI, SE)) {
1634     Expr = Copy;
1635     Offset = 0;
1636   }
1637
1638   std::pair<UseMapTy::iterator, bool> P =
1639     UseMap.insert(std::make_pair(Expr, 0));
1640   if (!P.second) {
1641     // A use already existed with this base.
1642     size_t LUIdx = P.first->second;
1643     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
1644     if (reconcileNewOffset(LU, Offset, Kind, AccessTy))
1645       // Reuse this use.
1646       return std::make_pair(LUIdx, Offset);
1647   }
1648
1649   // Create a new use.
1650   size_t LUIdx = Uses.size();
1651   P.first->second = LUIdx;
1652   Uses.push_back(LSRUse(Kind, AccessTy));
1653   LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
1654
1655   // We don't need to track redundant offsets, but we don't need to go out
1656   // of our way here to avoid them.
1657   if (LU.Offsets.empty() || Offset != LU.Offsets.back())
1658     LU.Offsets.push_back(Offset);
1659
1660   LU.MinOffset = Offset;
1661   LU.MaxOffset = Offset;
1662   return std::make_pair(LUIdx, Offset);
1663 }
1664
1665 void LSRInstance::CollectInterestingTypesAndFactors() {
1666   SmallSetVector<const SCEV *, 4> Strides;
1667
1668   // Collect interesting types and factors.
1669   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
1670     const SCEV *Stride = UI->getStride();
1671
1672     // Collect interesting types.
1673     Types.insert(SE.getEffectiveSCEVType(Stride->getType()));
1674
1675     // Collect interesting factors.
1676     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator NewStrideIter =
1677          Strides.begin(), SEnd = Strides.end(); NewStrideIter != SEnd;
1678          ++NewStrideIter) {
1679       const SCEV *OldStride = Stride;
1680       const SCEV *NewStride = *NewStrideIter;
1681       if (OldStride == NewStride)
1682         continue;
1683
1684       if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) !=
1685           SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType())) {
1686         if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) >
1687             SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType()))
1688           NewStride = SE.getSignExtendExpr(NewStride, OldStride->getType());
1689         else
1690           OldStride = SE.getSignExtendExpr(OldStride, NewStride->getType());
1691       }
1692       if (const SCEVConstant *Factor =
1693             dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getSDiv(NewStride, OldStride,
1694                                                    SE, true))) {
1695         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
1696           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
1697       } else if (const SCEVConstant *Factor =
1698                    dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getSDiv(OldStride, NewStride,
1699                                                           SE, true))) {
1700         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
1701           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
1702       }
1703     }
1704     Strides.insert(Stride);
1705   }
1706
1707   // If all uses use the same type, don't bother looking for truncation-based
1708   // reuse.
1709   if (Types.size() == 1)
1710     Types.clear();
1711
1712   DEBUG(print_factors_and_types(dbgs()));
1713 }
1714
1715 void LSRInstance::CollectFixupsAndInitialFormulae() {
1716   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
1717     // Record the uses.
1718     LSRFixup &LF = getNewFixup();
1719     LF.UserInst = UI->getUser();
1720     LF.OperandValToReplace = UI->getOperandValToReplace();
1721     if (UI->isUseOfPostIncrementedValue())
1722       LF.PostIncLoop = L;
1723
1724     LSRUse::KindType Kind = LSRUse::Basic;
1725     const Type *AccessTy = 0;
1726     if (isAddressUse(LF.UserInst, LF.OperandValToReplace)) {
1727       Kind = LSRUse::Address;
1728       AccessTy = getAccessType(LF.UserInst);
1729     }
1730
1731     const SCEV *S = IU.getCanonicalExpr(*UI);
1732
1733     // Equality (== and !=) ICmps are special. We can rewrite (i == N) as
1734     // (N - i == 0), and this allows (N - i) to be the expression that we work
1735     // with rather than just N or i, so we can consider the register
1736     // requirements for both N and i at the same time. Limiting this code to
1737     // equality icmps is not a problem because all interesting loops use
1738     // equality icmps, thanks to IndVarSimplify.
1739     if (ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(LF.UserInst))
1740       if (CI->isEquality()) {
1741         // Swap the operands if needed to put the OperandValToReplace on the
1742         // left, for consistency.
1743         Value *NV = CI->getOperand(1);
1744         if (NV == LF.OperandValToReplace) {
1745           CI->setOperand(1, CI->getOperand(0));
1746           CI->setOperand(0, NV);
1747         }
1748
1749         // x == y  -->  x - y == 0
1750         const SCEV *N = SE.getSCEV(NV);
1751         if (N->isLoopInvariant(L)) {
1752           Kind = LSRUse::ICmpZero;
1753           S = SE.getMinusSCEV(N, S);
1754         }
1755
1756         // -1 and the negations of all interesting strides (except the negation
1757         // of -1) are now also interesting.
1758         for (size_t i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
1759           if (Factors[i] != -1)
1760             Factors.insert(-(uint64_t)Factors[i]);
1761         Factors.insert(-1);
1762       }
1763
1764     // Set up the initial formula for this use.
1765     std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, Kind, AccessTy);
1766     LF.LUIdx = P.first;
1767     LF.Offset = P.second;
1768     LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
1769     LU.AllFixupsOutsideLoop &= !L->contains(LF.UserInst);
1770
1771     // If this is the first use of this LSRUse, give it a formula.
1772     if (LU.Formulae.empty()) {
1773       InsertInitialFormula(S, L, LU, LF.LUIdx);
1774       CountRegisters(LU.Formulae.back(), LF.LUIdx);
1775     }
1776   }
1777
1778   DEBUG(print_fixups(dbgs()));
1779 }
1780
1781 void
1782 LSRInstance::InsertInitialFormula(const SCEV *S, Loop *L,
1783                                   LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
1784   Formula F;
1785   F.InitialMatch(S, L, SE, DT);
1786   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
1787   assert(Inserted && "Initial formula already exists!"); (void)Inserted;
1788 }
1789
1790 void
1791 LSRInstance::InsertSupplementalFormula(const SCEV *S,
1792                                        LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
1793   Formula F;
1794   F.BaseRegs.push_back(S);
1795   F.AM.HasBaseReg = true;
1796   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
1797   assert(Inserted && "Supplemental formula already exists!"); (void)Inserted;
1798 }
1799
1800 /// CountRegisters - Note which registers are used by the given formula,
1801 /// updating RegUses.
1802 void LSRInstance::CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx) {
1803   if (F.ScaledReg)
1804     RegUses.CountRegister(F.ScaledReg, LUIdx);
1805   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
1806        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
1807     RegUses.CountRegister(*I, LUIdx);
1808 }
1809
1810 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
1811 /// the list, and return true. Return false otherwise.
1812 bool LSRInstance::InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F) {
1813   if (!LU.InsertFormula(LUIdx, F))
1814     return false;
1815
1816   CountRegisters(F, LUIdx);
1817   return true;
1818 }
1819
1820 /// CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae - Check for other uses of
1821 /// loop-invariant values which we're tracking. These other uses will pin these
1822 /// values in registers, making them less profitable for elimination.
1823 /// TODO: This currently misses non-constant addrec step registers.
1824 /// TODO: Should this give more weight to users inside the loop?
1825 void
1826 LSRInstance::CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae() {
1827   SmallVector<const SCEV *, 8> Worklist(RegUses.begin(), RegUses.end());
1828   SmallPtrSet<const SCEV *, 8> Inserted;
1829
1830   while (!Worklist.empty()) {
1831     const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
1832
1833     if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S))
1834       Worklist.insert(Worklist.end(), N->op_begin(), N->op_end());
1835     else if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
1836       Worklist.push_back(C->getOperand());
1837     else if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
1838       Worklist.push_back(D->getLHS());
1839       Worklist.push_back(D->getRHS());
1840     } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
1841       if (!Inserted.insert(U)) continue;
1842       const Value *V = U->getValue();
1843       if (const Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V))
1844         if (L->contains(Inst)) continue;
1845       for (Value::use_const_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
1846            UI != UE; ++UI) {
1847         const Instruction *UserInst = dyn_cast<Instruction>(*UI);
1848         // Ignore non-instructions.
1849         if (!UserInst)
1850           continue;
1851         // Ignore instructions in other functions (as can happen with
1852         // Constants).
1853         if (UserInst->getParent()->getParent() != L->getHeader()->getParent())
1854           continue;
1855         // Ignore instructions not dominated by the loop.
1856         const BasicBlock *UseBB = !isa<PHINode>(UserInst) ?
1857           UserInst->getParent() :
1858           cast<PHINode>(UserInst)->getIncomingBlock(
1859             PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo()));
1860         if (!DT.dominates(L->getHeader(), UseBB))
1861           continue;
1862         // Ignore uses which are part of other SCEV expressions, to avoid
1863         // analyzing them multiple times.
1864         if (SE.isSCEVable(UserInst->getType()) &&
1865             !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(const_cast<Instruction *>(UserInst))))
1866           continue;
1867         // Ignore icmp instructions which are already being analyzed.
1868         if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst)) {
1869           unsigned OtherIdx = !UI.getOperandNo();
1870           Value *OtherOp = const_cast<Value *>(ICI->getOperand(OtherIdx));
1871           if (SE.getSCEV(OtherOp)->hasComputableLoopEvolution(L))
1872             continue;
1873         }
1874
1875         LSRFixup &LF = getNewFixup();
1876         LF.UserInst = const_cast<Instruction *>(UserInst);
1877         LF.OperandValToReplace = UI.getUse();
1878         std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, LSRUse::Basic, 0);
1879         LF.LUIdx = P.first;
1880         LF.Offset = P.second;
1881         LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
1882         LU.AllFixupsOutsideLoop &= L->contains(LF.UserInst);
1883         InsertSupplementalFormula(U, LU, LF.LUIdx);
1884         CountRegisters(LU.Formulae.back(), Uses.size() - 1);
1885         break;
1886       }
1887     }
1888   }
1889 }
1890
1891 /// CollectSubexprs - Split S into subexpressions which can be pulled out into
1892 /// separate registers. If C is non-null, multiply each subexpression by C.
1893 static void CollectSubexprs(const SCEV *S, const SCEVConstant *C,
1894                             SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
1895                             ScalarEvolution &SE) {
1896   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
1897     // Break out add operands.
1898     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
1899          I != E; ++I)
1900       CollectSubexprs(*I, C, Ops, SE);
1901     return;
1902   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
1903     // Split a non-zero base out of an addrec.
1904     if (!AR->getStart()->isZero()) {
1905       CollectSubexprs(SE.getAddRecExpr(SE.getIntegerSCEV(0, AR->getType()),
1906                                        AR->getStepRecurrence(SE),
1907                                        AR->getLoop()), C, Ops, SE);
1908       CollectSubexprs(AR->getStart(), C, Ops, SE);
1909       return;
1910     }
1911   } else if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
1912     // Break (C * (a + b + c)) into C*a + C*b + C*c.
1913     if (Mul->getNumOperands() == 2)
1914       if (const SCEVConstant *Op0 =
1915             dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
1916         CollectSubexprs(Mul->getOperand(1),
1917                         C ? cast<SCEVConstant>(SE.getMulExpr(C, Op0)) : Op0,
1918                         Ops, SE);
1919         return;
1920       }
1921   }
1922
1923   // Otherwise use the value itself.
1924   Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, S) : S);
1925 }
1926
1927 /// GenerateReassociations - Split out subexpressions from adds and the bases of
1928 /// addrecs.
1929 void LSRInstance::GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1930                                          Formula Base,
1931                                          unsigned Depth) {
1932   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
1933   if (Depth >= 3) return;
1934
1935   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
1936     const SCEV *BaseReg = Base.BaseRegs[i];
1937
1938     SmallVector<const SCEV *, 8> AddOps;
1939     CollectSubexprs(BaseReg, 0, AddOps, SE);
1940     if (AddOps.size() == 1) continue;
1941
1942     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = AddOps.begin(),
1943          JE = AddOps.end(); J != JE; ++J) {
1944       // Don't pull a constant into a register if the constant could be folded
1945       // into an immediate field.
1946       if (isAlwaysFoldable(*J, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
1947                            Base.getNumRegs() > 1,
1948                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
1949         continue;
1950
1951       // Collect all operands except *J.
1952       SmallVector<const SCEV *, 8> InnerAddOps;
1953       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator K = AddOps.begin(),
1954            KE = AddOps.end(); K != KE; ++K)
1955         if (K != J)
1956           InnerAddOps.push_back(*K);
1957
1958       // Don't leave just a constant behind in a register if the constant could
1959       // be folded into an immediate field.
1960       if (InnerAddOps.size() == 1 &&
1961           isAlwaysFoldable(InnerAddOps[0], LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
1962                            Base.getNumRegs() > 1,
1963                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
1964         continue;
1965
1966       Formula F = Base;
1967       F.BaseRegs[i] = SE.getAddExpr(InnerAddOps);
1968       F.BaseRegs.push_back(*J);
1969       if (InsertFormula(LU, LUIdx, F))
1970         // If that formula hadn't been seen before, recurse to find more like
1971         // it.
1972         GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae.back(), Depth+1);
1973     }
1974   }
1975 }
1976
1977 /// GenerateCombinations - Generate a formula consisting of all of the
1978 /// loop-dominating registers added into a single register.
1979 void LSRInstance::GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
1980                                            Formula Base) {
1981   // This method is only intersting on a plurality of registers.
1982   if (Base.BaseRegs.size() <= 1) return;
1983
1984   Formula F = Base;
1985   F.BaseRegs.clear();
1986   SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
1987   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
1988        I = Base.BaseRegs.begin(), E = Base.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
1989     const SCEV *BaseReg = *I;
1990     if (BaseReg->properlyDominates(L->getHeader(), &DT) &&
1991         !BaseReg->hasComputableLoopEvolution(L))
1992       Ops.push_back(BaseReg);
1993     else
1994       F.BaseRegs.push_back(BaseReg);
1995   }
1996   if (Ops.size() > 1) {
1997     F.BaseRegs.push_back(SE.getAddExpr(Ops));
1998     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
1999   }
2000 }
2001
2002 /// GenerateSymbolicOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
2003 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
2004                                           Formula Base) {
2005   // We can't add a symbolic offset if the address already contains one.
2006   if (Base.AM.BaseGV) return;
2007
2008   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
2009     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
2010     GlobalValue *GV = ExtractSymbol(G, SE);
2011     if (G->isZero() || !GV)
2012       continue;
2013     Formula F = Base;
2014     F.AM.BaseGV = GV;
2015     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
2016                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
2017       continue;
2018     F.BaseRegs[i] = G;
2019     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2020   }
2021 }
2022
2023 /// GenerateConstantOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
2024 void LSRInstance::GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
2025                                           Formula Base) {
2026   // TODO: For now, just add the min and max offset, because it usually isn't
2027   // worthwhile looking at everything inbetween.
2028   SmallVector<int64_t, 4> Worklist;
2029   Worklist.push_back(LU.MinOffset);
2030   if (LU.MaxOffset != LU.MinOffset)
2031     Worklist.push_back(LU.MaxOffset);
2032
2033   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
2034     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
2035
2036     for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Worklist.begin(),
2037          E = Worklist.end(); I != E; ++I) {
2038       Formula F = Base;
2039       F.AM.BaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs - *I;
2040       if (isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset - *I, LU.MaxOffset - *I,
2041                      LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
2042         F.BaseRegs[i] = SE.getAddExpr(G, SE.getIntegerSCEV(*I, G->getType()));
2043
2044         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2045       }
2046     }
2047
2048     int64_t Imm = ExtractImmediate(G, SE);
2049     if (G->isZero() || Imm == 0)
2050       continue;
2051     Formula F = Base;
2052     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Imm;
2053     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
2054                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
2055       continue;
2056     F.BaseRegs[i] = G;
2057     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2058   }
2059 }
2060
2061 /// GenerateICmpZeroScales - For ICmpZero, check to see if we can scale up
2062 /// the comparison. For example, x == y -> x*c == y*c.
2063 void LSRInstance::GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
2064                                          Formula Base) {
2065   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero) return;
2066
2067   // Determine the integer type for the base formula.
2068   const Type *IntTy = Base.getType();
2069   if (!IntTy) return;
2070   if (SE.getTypeSizeInBits(IntTy) > 64) return;
2071
2072   // Don't do this if there is more than one offset.
2073   if (LU.MinOffset != LU.MaxOffset) return;
2074
2075   assert(!Base.AM.BaseGV && "ICmpZero use is not legal!");
2076
2077   // Check each interesting stride.
2078   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
2079        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
2080     int64_t Factor = *I;
2081     Formula F = Base;
2082
2083     // Check that the multiplication doesn't overflow.
2084     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs * Factor;
2085     if ((int64_t)F.AM.BaseOffs / Factor != Base.AM.BaseOffs)
2086       continue;
2087
2088     // Check that multiplying with the use offset doesn't overflow.
2089     int64_t Offset = LU.MinOffset;
2090     Offset = (uint64_t)Offset * Factor;
2091     if ((int64_t)Offset / Factor != LU.MinOffset)
2092       continue;
2093
2094     // Check that this scale is legal.
2095     if (!isLegalUse(F.AM, Offset, Offset, LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
2096       continue;
2097
2098     // Compensate for the use having MinOffset built into it.
2099     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Offset - LU.MinOffset;
2100
2101     const SCEV *FactorS = SE.getIntegerSCEV(Factor, IntTy);
2102
2103     // Check that multiplying with each base register doesn't overflow.
2104     for (size_t i = 0, e = F.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
2105       F.BaseRegs[i] = SE.getMulExpr(F.BaseRegs[i], FactorS);
2106       if (getSDiv(F.BaseRegs[i], FactorS, SE) != Base.BaseRegs[i])
2107         goto next;
2108     }
2109
2110     // Check that multiplying with the scaled register doesn't overflow.
2111     if (F.ScaledReg) {
2112       F.ScaledReg = SE.getMulExpr(F.ScaledReg, FactorS);
2113       if (getSDiv(F.ScaledReg, FactorS, SE) != Base.ScaledReg)
2114         continue;
2115     }
2116
2117     // If we make it here and it's legal, add it.
2118     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2119   next:;
2120   }
2121 }
2122
2123 /// GenerateScales - Generate stride factor reuse formulae by making use of
2124 /// scaled-offset address modes, for example.
2125 void LSRInstance::GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
2126                                  Formula Base) {
2127   // Determine the integer type for the base formula.
2128   const Type *IntTy = Base.getType();
2129   if (!IntTy) return;
2130
2131   // If this Formula already has a scaled register, we can't add another one.
2132   if (Base.AM.Scale != 0) return;
2133
2134   // Check each interesting stride.
2135   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
2136        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
2137     int64_t Factor = *I;
2138
2139     Base.AM.Scale = Factor;
2140     Base.AM.HasBaseReg = Base.BaseRegs.size() > 1;
2141     // Check whether this scale is going to be legal.
2142     if (!isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
2143                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
2144       // As a special-case, handle special out-of-loop Basic users specially.
2145       // TODO: Reconsider this special case.
2146       if (LU.Kind == LSRUse::Basic &&
2147           isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
2148                      LSRUse::Special, LU.AccessTy, TLI) &&
2149           LU.AllFixupsOutsideLoop)
2150         LU.Kind = LSRUse::Special;
2151       else
2152         continue;
2153     }
2154     // For an ICmpZero, negating a solitary base register won't lead to
2155     // new solutions.
2156     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero &&
2157         !Base.AM.HasBaseReg && Base.AM.BaseOffs == 0 && !Base.AM.BaseGV)
2158       continue;
2159     // For each addrec base reg, apply the scale, if possible.
2160     for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
2161       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
2162             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base.BaseRegs[i])) {
2163         const SCEV *FactorS = SE.getIntegerSCEV(Factor, IntTy);
2164         if (FactorS->isZero())
2165           continue;
2166         // Divide out the factor, ignoring high bits, since we'll be
2167         // scaling the value back up in the end.
2168         if (const SCEV *Quotient = getSDiv(AR, FactorS, SE, true)) {
2169           // TODO: This could be optimized to avoid all the copying.
2170           Formula F = Base;
2171           F.ScaledReg = Quotient;
2172           std::swap(F.BaseRegs[i], F.BaseRegs.back());
2173           F.BaseRegs.pop_back();
2174           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2175         }
2176       }
2177   }
2178 }
2179
2180 /// GenerateTruncates - Generate reuse formulae from different IV types.
2181 void LSRInstance::GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
2182                                     Formula Base) {
2183   // This requires TargetLowering to tell us which truncates are free.
2184   if (!TLI) return;
2185
2186   // Don't bother truncating symbolic values.
2187   if (Base.AM.BaseGV) return;
2188
2189   // Determine the integer type for the base formula.
2190   const Type *DstTy = Base.getType();
2191   if (!DstTy) return;
2192   DstTy = SE.getEffectiveSCEVType(DstTy);
2193
2194   for (SmallSetVector<const Type *, 4>::const_iterator
2195        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
2196     const Type *SrcTy = *I;
2197     if (SrcTy != DstTy && TLI->isTruncateFree(SrcTy, DstTy)) {
2198       Formula F = Base;
2199
2200       if (F.ScaledReg) F.ScaledReg = SE.getAnyExtendExpr(F.ScaledReg, *I);
2201       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator J = F.BaseRegs.begin(),
2202            JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J)
2203         *J = SE.getAnyExtendExpr(*J, SrcTy);
2204
2205       // TODO: This assumes we've done basic processing on all uses and
2206       // have an idea what the register usage is.
2207       if (!F.hasRegsUsedByUsesOtherThan(LUIdx, RegUses))
2208         continue;
2209
2210       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2211     }
2212   }
2213 }
2214
2215 namespace {
2216
2217 /// WorkItem - Helper class for GenerateConstantOffsetReuse. It's used to
2218 /// defer modifications so that the search phase doesn't have to worry about
2219 /// the data structures moving underneath it.
2220 struct WorkItem {
2221   size_t LUIdx;
2222   int64_t Imm;
2223   const SCEV *OrigReg;
2224
2225   WorkItem(size_t LI, int64_t I, const SCEV *R)
2226     : LUIdx(LI), Imm(I), OrigReg(R) {}
2227
2228   void print(raw_ostream &OS) const;
2229   void dump() const;
2230 };
2231
2232 }
2233
2234 void WorkItem::print(raw_ostream &OS) const {
2235   OS << "in formulae referencing " << *OrigReg << " in use " << LUIdx
2236      << " , add offset " << Imm;
2237 }
2238
2239 void WorkItem::dump() const {
2240   print(errs()); errs() << '\n';
2241 }
2242
2243 /// GenerateCrossUseConstantOffsets - Look for registers which are a constant
2244 /// distance apart and try to form reuse opportunities between them.
2245 void LSRInstance::GenerateCrossUseConstantOffsets() {
2246   // Group the registers by their value without any added constant offset.
2247   typedef std::map<int64_t, const SCEV *> ImmMapTy;
2248   typedef DenseMap<const SCEV *, ImmMapTy> RegMapTy;
2249   RegMapTy Map;
2250   DenseMap<const SCEV *, SmallBitVector> UsedByIndicesMap;
2251   SmallVector<const SCEV *, 8> Sequence;
2252   for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
2253        I != E; ++I) {
2254     const SCEV *Reg = *I;
2255     int64_t Imm = ExtractImmediate(Reg, SE);
2256     std::pair<RegMapTy::iterator, bool> Pair =
2257       Map.insert(std::make_pair(Reg, ImmMapTy()));
2258     if (Pair.second)
2259       Sequence.push_back(Reg);
2260     Pair.first->second.insert(std::make_pair(Imm, *I));
2261     UsedByIndicesMap[Reg] |= RegUses.getUsedByIndices(*I);
2262   }
2263
2264   // Now examine each set of registers with the same base value. Build up
2265   // a list of work to do and do the work in a separate step so that we're
2266   // not adding formulae and register counts while we're searching.
2267   SmallVector<WorkItem, 32> WorkItems;
2268   SmallSet<std::pair<size_t, int64_t>, 32> UniqueItems;
2269   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = Sequence.begin(),
2270        E = Sequence.end(); I != E; ++I) {
2271     const SCEV *Reg = *I;
2272     const ImmMapTy &Imms = Map.find(Reg)->second;
2273
2274     // It's not worthwhile looking for reuse if there's only one offset.
2275     if (Imms.size() == 1)
2276       continue;
2277
2278     DEBUG(dbgs() << "Generating cross-use offsets for " << *Reg << ':';
2279           for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
2280                J != JE; ++J)
2281             dbgs() << ' ' << J->first;
2282           dbgs() << '\n');
2283
2284     // Examine each offset.
2285     for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
2286          J != JE; ++J) {
2287       const SCEV *OrigReg = J->second;
2288
2289       int64_t JImm = J->first;
2290       const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(OrigReg);
2291
2292       if (!isa<SCEVConstant>(OrigReg) &&
2293           UsedByIndicesMap[Reg].count() == 1) {
2294         DEBUG(dbgs() << "Skipping cross-use reuse for " << *OrigReg << '\n');
2295         continue;
2296       }
2297
2298       // Conservatively examine offsets between this orig reg a few selected
2299       // other orig regs.
2300       ImmMapTy::const_iterator OtherImms[] = {
2301         Imms.begin(), prior(Imms.end()),
2302         Imms.upper_bound((Imms.begin()->first + prior(Imms.end())->first) / 2)
2303       };
2304       for (size_t i = 0, e = array_lengthof(OtherImms); i != e; ++i) {
2305         ImmMapTy::const_iterator M = OtherImms[i];
2306         if (M == J || M == JE) continue;
2307
2308         // Compute the difference between the two.
2309         int64_t Imm = (uint64_t)JImm - M->first;
2310         for (int LUIdx = UsedByIndices.find_first(); LUIdx != -1;
2311              LUIdx = UsedByIndices.find_next(LUIdx))
2312           // Make a memo of this use, offset, and register tuple.
2313           if (UniqueItems.insert(std::make_pair(LUIdx, Imm)))
2314             WorkItems.push_back(WorkItem(LUIdx, Imm, OrigReg));
2315       }
2316     }
2317   }
2318
2319   Map.clear();
2320   Sequence.clear();
2321   UsedByIndicesMap.clear();
2322   UniqueItems.clear();
2323
2324   // Now iterate through the worklist and add new formulae.
2325   for (SmallVectorImpl<WorkItem>::const_iterator I = WorkItems.begin(),
2326        E = WorkItems.end(); I != E; ++I) {
2327     const WorkItem &WI = *I;
2328     size_t LUIdx = WI.LUIdx;
2329     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2330     int64_t Imm = WI.Imm;
2331     const SCEV *OrigReg = WI.OrigReg;
2332
2333     const Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(OrigReg->getType());
2334     const SCEV *NegImmS = SE.getSCEV(ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Imm));
2335     unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(IntTy);
2336
2337     // TODO: Use a more targetted data structure.
2338     for (size_t L = 0, LE = LU.Formulae.size(); L != LE; ++L) {
2339       Formula F = LU.Formulae[L];
2340       // Use the immediate in the scaled register.
2341       if (F.ScaledReg == OrigReg) {
2342         int64_t Offs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs +
2343                        Imm * (uint64_t)F.AM.Scale;
2344         // Don't create 50 + reg(-50).
2345         if (F.referencesReg(SE.getSCEV(
2346                    ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offs))))
2347           continue;
2348         Formula NewF = F;
2349         NewF.AM.BaseOffs = Offs;
2350         if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
2351                         LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
2352           continue;
2353         NewF.ScaledReg = SE.getAddExpr(NegImmS, NewF.ScaledReg);
2354
2355         // If the new scale is a constant in a register, and adding the constant
2356         // value to the immediate would produce a value closer to zero than the
2357         // immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
2358         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewF.ScaledReg))
2359           if (C->getValue()->getValue().isNegative() !=
2360                 (NewF.AM.BaseOffs < 0) &&
2361               (C->getValue()->getValue().abs() * APInt(BitWidth, F.AM.Scale))
2362                 .ule(APInt(BitWidth, NewF.AM.BaseOffs).abs()))
2363             continue;
2364
2365         // OK, looks good.
2366         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
2367       } else {
2368         // Use the immediate in a base register.
2369         for (size_t N = 0, NE = F.BaseRegs.size(); N != NE; ++N) {
2370           const SCEV *BaseReg = F.BaseRegs[N];
2371           if (BaseReg != OrigReg)
2372             continue;
2373           Formula NewF = F;
2374           NewF.AM.BaseOffs = (uint64_t)NewF.AM.BaseOffs + Imm;
2375           if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
2376                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
2377             continue;
2378           NewF.BaseRegs[N] = SE.getAddExpr(NegImmS, BaseReg);
2379
2380           // If the new formula has a constant in a register, and adding the
2381           // constant value to the immediate would produce a value closer to
2382           // zero than the immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
2383           for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
2384                J = NewF.BaseRegs.begin(), JE = NewF.BaseRegs.end();
2385                J != JE; ++J)
2386             if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*J))
2387               if (C->getValue()->getValue().isNegative() !=
2388                     (NewF.AM.BaseOffs < 0) &&
2389                   C->getValue()->getValue().abs()
2390                     .ule(APInt(BitWidth, NewF.AM.BaseOffs).abs()))
2391                 goto skip_formula;
2392
2393           // Ok, looks good.
2394           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
2395           break;
2396         skip_formula:;
2397         }
2398       }
2399     }
2400   }
2401 }
2402
2403 /// GenerateAllReuseFormulae - Generate formulae for each use.
2404 void
2405 LSRInstance::GenerateAllReuseFormulae() {
2406   // This is split into two loops so that hasRegsUsedByUsesOtherThan
2407   // queries are more precise.
2408   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2409     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2410     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2411       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2412     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2413       GenerateCombinations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2414   }
2415   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2416     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2417     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2418       GenerateSymbolicOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2419     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2420       GenerateConstantOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2421     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2422       GenerateICmpZeroScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2423     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2424       GenerateScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2425     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
2426       GenerateTruncates(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
2427   }
2428
2429   GenerateCrossUseConstantOffsets();
2430 }
2431
2432 /// If their are multiple formulae with the same set of registers used
2433 /// by other uses, pick the best one and delete the others.
2434 void LSRInstance::FilterOutUndesirableDedicatedRegisters() {
2435 #ifndef NDEBUG
2436   bool Changed = false;
2437 #endif
2438
2439   // Collect the best formula for each unique set of shared registers. This
2440   // is reset for each use.
2441   typedef DenseMap<SmallVector<const SCEV *, 2>, size_t, UniquifierDenseMapInfo>
2442     BestFormulaeTy;
2443   BestFormulaeTy BestFormulae;
2444
2445   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2446     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2447     FormulaSorter Sorter(L, LU, SE, DT);
2448
2449     // Clear out the set of used regs; it will be recomputed.
2450     LU.Regs.clear();
2451
2452     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size();
2453          FIdx != NumForms; ++FIdx) {
2454       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
2455
2456       SmallVector<const SCEV *, 2> Key;
2457       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = F.BaseRegs.begin(),
2458            JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J) {
2459         const SCEV *Reg = *J;
2460         if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(Reg, LUIdx))
2461           Key.push_back(Reg);
2462       }
2463       if (F.ScaledReg &&
2464           RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(F.ScaledReg, LUIdx))
2465         Key.push_back(F.ScaledReg);
2466       // Unstable sort by host order ok, because this is only used for
2467       // uniquifying.
2468       std::sort(Key.begin(), Key.end());
2469
2470       std::pair<BestFormulaeTy::const_iterator, bool> P =
2471         BestFormulae.insert(std::make_pair(Key, FIdx));
2472       if (!P.second) {
2473         Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
2474         if (Sorter.operator()(F, Best))
2475           std::swap(F, Best);
2476         DEBUG(dbgs() << "Filtering out "; F.print(dbgs());
2477               dbgs() << "\n"
2478                         "  in favor of "; Best.print(dbgs());
2479               dbgs() << '\n');
2480 #ifndef NDEBUG
2481         Changed = true;
2482 #endif
2483         std::swap(F, LU.Formulae.back());
2484         LU.Formulae.pop_back();
2485         --FIdx;
2486         --NumForms;
2487         continue;
2488       }
2489       if (F.ScaledReg) LU.Regs.insert(F.ScaledReg);
2490       LU.Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
2491     }
2492     BestFormulae.clear();
2493   }
2494
2495   DEBUG(if (Changed) {
2496           dbgs() << "After filtering out undesirable candidates:\n";
2497           print_uses(dbgs());
2498         });
2499 }
2500
2501 /// NarrowSearchSpaceUsingHeuristics - If there are an extrordinary number of
2502 /// formulae to choose from, use some rough heuristics to prune down the number
2503 /// of formulae. This keeps the main solver from taking an extrordinary amount
2504 /// of time in some worst-case scenarios.
2505 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceUsingHeuristics() {
2506   // This is a rough guess that seems to work fairly well.
2507   const size_t Limit = UINT16_MAX;
2508
2509   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Taken;
2510   for (;;) {
2511     // Estimate the worst-case number of solutions we might consider. We almost
2512     // never consider this many solutions because we prune the search space,
2513     // but the pruning isn't always sufficient.
2514     uint32_t Power = 1;
2515     for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
2516          E = Uses.end(); I != E; ++I) {
2517       size_t FSize = I->Formulae.size();
2518       if (FSize >= Limit) {
2519         Power = Limit;
2520         break;
2521       }
2522       Power *= FSize;
2523       if (Power >= Limit)
2524         break;
2525     }
2526     if (Power < Limit)
2527       break;
2528
2529     // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
2530     // Use a rough heuristic to thin out the list.
2531
2532     // Pick the register which is used by the most LSRUses, which is likely
2533     // to be a good reuse register candidate.
2534     const SCEV *Best = 0;
2535     unsigned BestNum = 0;
2536     for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
2537          I != E; ++I) {
2538       const SCEV *Reg = *I;
2539       if (Taken.count(Reg))
2540         continue;
2541       if (!Best)
2542         Best = Reg;
2543       else {
2544         unsigned Count = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
2545         if (Count > BestNum) {
2546           Best = Reg;
2547           BestNum = Count;
2548         }
2549       }
2550     }
2551
2552     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming " << *Best
2553                  << " will yeild profitable reuse.\n");
2554     Taken.insert(Best);
2555
2556     // In any use with formulae which references this register, delete formulae
2557     // which don't reference it.
2558     for (SmallVectorImpl<LSRUse>::iterator I = Uses.begin(),
2559          E = Uses.end(); I != E; ++I) {
2560       LSRUse &LU = *I;
2561       if (!LU.Regs.count(Best)) continue;
2562
2563       // Clear out the set of used regs; it will be recomputed.
2564       LU.Regs.clear();
2565
2566       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
2567         Formula &F = LU.Formulae[i];
2568         if (!F.referencesReg(Best)) {
2569           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
2570           std::swap(LU.Formulae.back(), F);
2571           LU.Formulae.pop_back();
2572           --e;
2573           --i;
2574           continue;
2575         }
2576
2577         if (F.ScaledReg) LU.Regs.insert(F.ScaledReg);
2578         LU.Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
2579       }
2580     }
2581
2582     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
2583           print_uses(dbgs()));
2584   }
2585 }
2586
2587 /// SolveRecurse - This is the recursive solver.
2588 void LSRInstance::SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
2589                                Cost &SolutionCost,
2590                                SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
2591                                const Cost &CurCost,
2592                                const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
2593                                DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const {
2594   // Some ideas:
2595   //  - prune more:
2596   //    - use more aggressive filtering
2597   //    - sort the formula so that the most profitable solutions are found first
2598   //    - sort the uses too
2599   //  - search faster:
2600   //    - dont compute a cost, and then compare. compare while computing a cost
2601   //      and bail early.
2602   //    - track register sets with SmallBitVector
2603
2604   const LSRUse &LU = Uses[Workspace.size()];
2605
2606   // If this use references any register that's already a part of the
2607   // in-progress solution, consider it a requirement that a formula must
2608   // reference that register in order to be considered. This prunes out
2609   // unprofitable searching.
2610   SmallSetVector<const SCEV *, 4> ReqRegs;
2611   for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator I = CurRegs.begin(),
2612        E = CurRegs.end(); I != E; ++I)
2613     if (LU.Regs.count(*I)) {
2614       ReqRegs.insert(*I);
2615       break;
2616     }
2617
2618   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> NewRegs;
2619   Cost NewCost;
2620   for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
2621        E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
2622     const Formula &F = *I;
2623
2624     // Ignore formulae which do not use any of the required registers.
2625     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator J = ReqRegs.begin(),
2626          JE = ReqRegs.end(); J != JE; ++J) {
2627       const SCEV *Reg = *J;
2628       if ((!F.ScaledReg || F.ScaledReg != Reg) &&
2629           std::find(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end(), Reg) ==
2630           F.BaseRegs.end())
2631         goto skip;
2632     }
2633
2634     // Evaluate the cost of the current formula. If it's already worse than
2635     // the current best, prune the search at that point.
2636     NewCost = CurCost;
2637     NewRegs = CurRegs;
2638     NewCost.RateFormula(F, NewRegs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
2639     if (NewCost < SolutionCost) {
2640       Workspace.push_back(&F);
2641       if (Workspace.size() != Uses.size()) {
2642         SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, NewCost,
2643                      NewRegs, VisitedRegs);
2644         if (F.getNumRegs() == 1 && Workspace.size() == 1)
2645           VisitedRegs.insert(F.ScaledReg ? F.ScaledReg : F.BaseRegs[0]);
2646       } else {
2647         DEBUG(dbgs() << "New best at "; NewCost.print(dbgs());
2648               dbgs() << ". Regs:";
2649               for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator
2650                    I = NewRegs.begin(), E = NewRegs.end(); I != E; ++I)
2651                 dbgs() << ' ' << **I;
2652               dbgs() << '\n');
2653
2654         SolutionCost = NewCost;
2655         Solution = Workspace;
2656       }
2657       Workspace.pop_back();
2658     }
2659   skip:;
2660   }
2661 }
2662
2663 void LSRInstance::Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const {
2664   SmallVector<const Formula *, 8> Workspace;
2665   Cost SolutionCost;
2666   SolutionCost.Loose();
2667   Cost CurCost;
2668   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> CurRegs;
2669   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
2670   Workspace.reserve(Uses.size());
2671
2672   SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, CurCost,
2673                CurRegs, VisitedRegs);
2674
2675   // Ok, we've now made all our decisions.
2676   DEBUG(dbgs() << "\n"
2677                   "The chosen solution requires "; SolutionCost.print(dbgs());
2678         dbgs() << ":\n";
2679         for (size_t i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
2680           dbgs() << "  ";
2681           Uses[i].print(dbgs());
2682           dbgs() << "\n"
2683                     "    ";
2684           Solution[i]->print(dbgs());
2685           dbgs() << '\n';
2686         });
2687 }
2688
2689 /// getImmediateDominator - A handy utility for the specific DominatorTree
2690 /// query that we need here.
2691 ///
2692 static BasicBlock *getImmediateDominator(BasicBlock *BB, DominatorTree &DT) {
2693   DomTreeNode *Node = DT.getNode(BB);
2694   if (!Node) return 0;
2695   Node = Node->getIDom();
2696   if (!Node) return 0;
2697   return Node->getBlock();
2698 }
2699
2700 Value *LSRInstance::Expand(const LSRFixup &LF,
2701                            const Formula &F,
2702                            BasicBlock::iterator IP,
2703                            Loop *L, Instruction *IVIncInsertPos,
2704                            SCEVExpander &Rewriter,
2705                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
2706                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) const {
2707   const LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2708
2709   // Then, collect some instructions which we will remain dominated by when
2710   // expanding the replacement. These must be dominated by any operands that
2711   // will be required in the expansion.
2712   SmallVector<Instruction *, 4> Inputs;
2713   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(LF.OperandValToReplace))
2714     Inputs.push_back(I);
2715   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
2716     if (Instruction *I =
2717           dyn_cast<Instruction>(cast<ICmpInst>(LF.UserInst)->getOperand(1)))
2718       Inputs.push_back(I);
2719   if (LF.PostIncLoop && !L->contains(LF.UserInst))
2720     Inputs.push_back(L->getLoopLatch()->getTerminator());
2721
2722   // Then, climb up the immediate dominator tree as far as we can go while
2723   // still being dominated by the input positions.
2724   for (;;) {
2725     bool AllDominate = true;
2726     Instruction *BetterPos = 0;
2727     BasicBlock *IDom = getImmediateDominator(IP->getParent(), DT);
2728     if (!IDom) break;
2729     Instruction *Tentative = IDom->getTerminator();
2730     for (SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator I = Inputs.begin(),
2731          E = Inputs.end(); I != E; ++I) {
2732       Instruction *Inst = *I;
2733       if (Inst == Tentative || !DT.dominates(Inst, Tentative)) {
2734         AllDominate = false;
2735         break;
2736       }
2737       if (IDom == Inst->getParent() &&
2738           (!BetterPos || DT.dominates(BetterPos, Inst)))
2739         BetterPos = next(BasicBlock::iterator(Inst));
2740     }
2741     if (!AllDominate)
2742       break;
2743     if (BetterPos)
2744       IP = BetterPos;
2745     else
2746       IP = Tentative;
2747   }
2748   while (isa<PHINode>(IP)) ++IP;
2749
2750   // Inform the Rewriter if we have a post-increment use, so that it can
2751   // perform an advantageous expansion.
2752   Rewriter.setPostInc(LF.PostIncLoop);
2753
2754   // This is the type that the user actually needs.
2755   const Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
2756   // This will be the type that we'll initially expand to.
2757   const Type *Ty = F.getType();
2758   if (!Ty)
2759     // No type known; just expand directly to the ultimate type.
2760     Ty = OpTy;
2761   else if (SE.getEffectiveSCEVType(Ty) == SE.getEffectiveSCEVType(OpTy))
2762     // Expand directly to the ultimate type if it's the right size.
2763     Ty = OpTy;
2764   // This is the type to do integer arithmetic in.
2765   const Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
2766
2767   // Build up a list of operands to add together to form the full base.
2768   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
2769
2770   // Expand the BaseRegs portion.
2771   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
2772        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
2773     const SCEV *Reg = *I;
2774     assert(!Reg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
2775
2776     // If we're expanding for a post-inc user for the add-rec's loop, make the
2777     // post-inc adjustment.
2778     const SCEV *Start = Reg;
2779     while (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Start)) {
2780       if (AR->getLoop() == LF.PostIncLoop) {
2781         Reg = SE.getAddExpr(Reg, AR->getStepRecurrence(SE));
2782         // If the user is inside the loop, insert the code after the increment
2783         // so that it is dominated by its operand.
2784         if (L->contains(LF.UserInst))
2785           IP = IVIncInsertPos;
2786         break;
2787       }
2788       Start = AR->getStart();
2789     }
2790
2791     Ops.push_back(SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(Reg, 0, IP)));
2792   }
2793
2794   // Expand the ScaledReg portion.
2795   Value *ICmpScaledV = 0;
2796   if (F.AM.Scale != 0) {
2797     const SCEV *ScaledS = F.ScaledReg;
2798
2799     // If we're expanding for a post-inc user for the add-rec's loop, make the
2800     // post-inc adjustment.
2801     if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(ScaledS))
2802       if (AR->getLoop() == LF.PostIncLoop)
2803         ScaledS = SE.getAddExpr(ScaledS, AR->getStepRecurrence(SE));
2804
2805     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
2806       // An interesting way of "folding" with an icmp is to use a negated
2807       // scale, which we'll implement by inserting it into the other operand
2808       // of the icmp.
2809       assert(F.AM.Scale == -1 &&
2810              "The only scale supported by ICmpZero uses is -1!");
2811       ICmpScaledV = Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP);
2812     } else {
2813       // Otherwise just expand the scaled register and an explicit scale,
2814       // which is expected to be matched as part of the address.
2815       ScaledS = SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP));
2816       ScaledS = SE.getMulExpr(ScaledS,
2817                               SE.getIntegerSCEV(F.AM.Scale,
2818                                                 ScaledS->getType()));
2819       Ops.push_back(ScaledS);
2820     }
2821   }
2822
2823   // Expand the immediate portions.
2824   if (F.AM.BaseGV)
2825     Ops.push_back(SE.getSCEV(F.AM.BaseGV));
2826   int64_t Offset = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + LF.Offset;
2827   if (Offset != 0) {
2828     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
2829       // The other interesting way of "folding" with an ICmpZero is to use a
2830       // negated immediate.
2831       if (!ICmpScaledV)
2832         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, -Offset);
2833       else {
2834         Ops.push_back(SE.getUnknown(ICmpScaledV));
2835         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, Offset);
2836       }
2837     } else {
2838       // Just add the immediate values. These again are expected to be matched
2839       // as part of the address.
2840       Ops.push_back(SE.getIntegerSCEV(Offset, IntTy));
2841     }
2842   }
2843
2844   // Emit instructions summing all the operands.
2845   const SCEV *FullS = Ops.empty() ?
2846                       SE.getIntegerSCEV(0, IntTy) :
2847                       SE.getAddExpr(Ops);
2848   Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(FullS, Ty, IP);
2849
2850   // We're done expanding now, so reset the rewriter.
2851   Rewriter.setPostInc(0);
2852
2853   // An ICmpZero Formula represents an ICmp which we're handling as a
2854   // comparison against zero. Now that we've expanded an expression for that
2855   // form, update the ICmp's other operand.
2856   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
2857     ICmpInst *CI = cast<ICmpInst>(LF.UserInst);
2858     DeadInsts.push_back(CI->getOperand(1));
2859     assert(!F.AM.BaseGV && "ICmp does not support folding a global value and "
2860                            "a scale at the same time!");
2861     if (F.AM.Scale == -1) {
2862       if (ICmpScaledV->getType() != OpTy) {
2863         Instruction *Cast =
2864           CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(ICmpScaledV, false,
2865                                                    OpTy, false),
2866                            ICmpScaledV, OpTy, "tmp", CI);
2867         ICmpScaledV = Cast;
2868       }
2869       CI->setOperand(1, ICmpScaledV);
2870     } else {
2871       assert(F.AM.Scale == 0 &&
2872              "ICmp does not support folding a global value and "
2873              "a scale at the same time!");
2874       Constant *C = ConstantInt::getSigned(SE.getEffectiveSCEVType(OpTy),
2875                                            -(uint64_t)Offset);
2876       if (C->getType() != OpTy)
2877         C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
2878                                                           OpTy, false),
2879                                   C, OpTy);
2880
2881       CI->setOperand(1, C);
2882     }
2883   }
2884
2885   return FullV;
2886 }
2887
2888 /// Rewrite - Emit instructions for the leading candidate expression for this
2889 /// LSRUse (this is called "expanding"), and update the UserInst to reference
2890 /// the newly expanded value.
2891 void LSRInstance::Rewrite(const LSRFixup &LF,
2892                           const Formula &F,
2893                           Loop *L, Instruction *IVIncInsertPos,
2894                           SCEVExpander &Rewriter,
2895                           SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
2896                           ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
2897                           Pass *P) const {
2898   const Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
2899
2900   // First, find an insertion point that dominates UserInst. For PHI nodes,
2901   // find the nearest block which dominates all the relevant uses.
2902   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(LF.UserInst)) {
2903     DenseMap<BasicBlock *, Value *> Inserted;
2904     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
2905       if (PN->getIncomingValue(i) == LF.OperandValToReplace) {
2906         BasicBlock *BB = PN->getIncomingBlock(i);
2907
2908         // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
2909         // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
2910         // is the canonical backedge for this loop, which complicates post-inc
2911         // users.
2912         if (e != 1 && BB->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
2913             !isa<IndirectBrInst>(BB->getTerminator()) &&
2914             (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(BB))) {
2915           // Split the critical edge.
2916           BasicBlock *NewBB = SplitCriticalEdge(BB, PN->getParent(), P);
2917
2918           // If PN is outside of the loop and BB is in the loop, we want to
2919           // move the block to be immediately before the PHI block, not
2920           // immediately after BB.
2921           if (L->contains(BB) && !L->contains(PN))
2922             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
2923
2924           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
2925           e = PN->getNumIncomingValues();
2926           BB = NewBB;
2927           i = PN->getBasicBlockIndex(BB);
2928         }
2929
2930         std::pair<DenseMap<BasicBlock *, Value *>::iterator, bool> Pair =
2931           Inserted.insert(std::make_pair(BB, static_cast<Value *>(0)));
2932         if (!Pair.second)
2933           PN->setIncomingValue(i, Pair.first->second);
2934         else {
2935           Value *FullV = Expand(LF, F, BB->getTerminator(), L, IVIncInsertPos,
2936                                 Rewriter, DeadInsts, SE, DT);
2937
2938           // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
2939           if (FullV->getType() != OpTy)
2940             FullV =
2941               CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false,
2942                                                        OpTy, false),
2943                                FullV, LF.OperandValToReplace->getType(),
2944                                "tmp", BB->getTerminator());
2945
2946           PN->setIncomingValue(i, FullV);
2947           Pair.first->second = FullV;
2948         }
2949       }
2950   } else {
2951     Value *FullV = Expand(LF, F, LF.UserInst, L, IVIncInsertPos,
2952                           Rewriter, DeadInsts, SE, DT);
2953
2954     // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
2955     if (FullV->getType() != OpTy) {
2956       Instruction *Cast =
2957         CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false, OpTy, false),
2958                          FullV, OpTy, "tmp", LF.UserInst);
2959       FullV = Cast;
2960     }
2961
2962     // Update the user. ICmpZero is handled specially here (for now) because
2963     // Expand may have updated one of the operands of the icmp already, and
2964     // its new value may happen to be equal to LF.OperandValToReplace, in
2965     // which case doing replaceUsesOfWith leads to replacing both operands
2966     // with the same value. TODO: Reorganize this.
2967     if (Uses[LF.LUIdx].Kind == LSRUse::ICmpZero)
2968       LF.UserInst->setOperand(0, FullV);
2969     else
2970       LF.UserInst->replaceUsesOfWith(LF.OperandValToReplace, FullV);
2971   }
2972
2973   DeadInsts.push_back(LF.OperandValToReplace);
2974 }
2975
2976 void
2977 LSRInstance::ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
2978                                Pass *P) {
2979   // Keep track of instructions we may have made dead, so that
2980   // we can remove them after we are done working.
2981   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
2982
2983   SCEVExpander Rewriter(SE);
2984   Rewriter.disableCanonicalMode();
2985   Rewriter.setIVIncInsertPos(L, IVIncInsertPos);
2986
2987   // Expand the new value definitions and update the users.
2988   for (size_t i = 0, e = Fixups.size(); i != e; ++i) {
2989     size_t LUIdx = Fixups[i].LUIdx;
2990
2991     Rewrite(Fixups[i], *Solution[LUIdx], L, IVIncInsertPos, Rewriter,
2992             DeadInsts, SE, DT, P);
2993
2994     Changed = true;
2995   }
2996
2997   // Clean up after ourselves. This must be done before deleting any
2998   // instructions.
2999   Rewriter.clear();
3000
3001   Changed |= DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
3002 }
3003
3004 LSRInstance::LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P)
3005   : IU(P->getAnalysis<IVUsers>()),
3006     SE(P->getAnalysis<ScalarEvolution>()),
3007     DT(P->getAnalysis<DominatorTree>()),
3008     TLI(tli), L(l), Changed(false), IVIncInsertPos(0) {
3009
3010   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble.
3011   if (!L->isLoopSimplifyForm()) return;
3012
3013   // If there's no interesting work to be done, bail early.
3014   if (IU.empty()) return;
3015
3016   DEBUG(dbgs() << "\nLSR on loop ";
3017         WriteAsOperand(dbgs(), L->getHeader(), /*PrintType=*/false);
3018         dbgs() << ":\n");
3019
3020   /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
3021   /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
3022   OptimizeShadowIV();
3023
3024   // Change loop terminating condition to use the postinc iv when possible.
3025   Changed |= OptimizeLoopTermCond();
3026
3027   CollectInterestingTypesAndFactors();
3028   CollectFixupsAndInitialFormulae();
3029   CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
3030
3031   DEBUG(dbgs() << "LSR found " << Uses.size() << " uses:\n";
3032         print_uses(dbgs()));
3033
3034   // Now use the reuse data to generate a bunch of interesting ways
3035   // to formulate the values needed for the uses.
3036   GenerateAllReuseFormulae();
3037
3038   DEBUG(dbgs() << "\n"
3039                   "After generating reuse formulae:\n";
3040         print_uses(dbgs()));
3041
3042   FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
3043   NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
3044
3045   SmallVector<const Formula *, 8> Solution;
3046   Solve(Solution);
3047   assert(Solution.size() == Uses.size() && "Malformed solution!");
3048
3049   // Release memory that is no longer needed.
3050   Factors.clear();
3051   Types.clear();
3052   RegUses.clear();
3053
3054 #ifndef NDEBUG
3055   // Formulae should be legal.
3056   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
3057        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
3058      const LSRUse &LU = *I;
3059      for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
3060           JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J)
3061         assert(isLegalUse(J->AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3062                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI) &&
3063                "Illegal formula generated!");
3064   };
3065 #endif
3066
3067   // Now that we've decided what we want, make it so.
3068   ImplementSolution(Solution, P);
3069 }
3070
3071 void LSRInstance::print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const {
3072   if (Factors.empty() && Types.empty()) return;
3073
3074   OS << "LSR has identified the following interesting factors and types: ";
3075   bool First = true;
3076
3077   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3078        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3079     if (!First) OS << ", ";
3080     First = false;
3081     OS << '*' << *I;
3082   }
3083
3084   for (SmallSetVector<const Type *, 4>::const_iterator
3085        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
3086     if (!First) OS << ", ";
3087     First = false;
3088     OS << '(' << **I << ')';
3089   }
3090   OS << '\n';
3091 }
3092
3093 void LSRInstance::print_fixups(raw_ostream &OS) const {
3094   OS << "LSR is examining the following fixup sites:\n";
3095   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
3096        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
3097     const LSRFixup &LF = *I;
3098     dbgs() << "  ";
3099     LF.print(OS);
3100     OS << '\n';
3101   }
3102 }
3103
3104 void LSRInstance::print_uses(raw_ostream &OS) const {
3105   OS << "LSR is examining the following uses:\n";
3106   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
3107        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
3108     const LSRUse &LU = *I;
3109     dbgs() << "  ";
3110     LU.print(OS);
3111     OS << '\n';
3112     for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
3113          JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J) {
3114       OS << "    ";
3115       J->print(OS);
3116       OS << '\n';
3117     }
3118   }
3119 }
3120
3121 void LSRInstance::print(raw_ostream &OS) const {
3122   print_factors_and_types(OS);
3123   print_fixups(OS);
3124   print_uses(OS);
3125 }
3126
3127 void LSRInstance::dump() const {
3128   print(errs()); errs() << '\n';
3129 }
3130
3131 namespace {
3132
3133 class LoopStrengthReduce : public LoopPass {
3134   /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
3135   /// transformation profitability.
3136   const TargetLowering *const TLI;
3137
3138 public:
3139   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
3140   explicit LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = 0);
3141
3142 private:
3143   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
3144   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
3145 };
3146
3147 }
3148
3149 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
3150 static RegisterPass<LoopStrengthReduce>
3151 X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
3152
3153 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
3154   return new LoopStrengthReduce(TLI);
3155 }
3156
3157 LoopStrengthReduce::LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli)
3158   : LoopPass(&ID), TLI(tli) {}
3159
3160 void LoopStrengthReduce::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
3161   // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
3162   // many analyses if they are around.
3163   AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
3164   AU.addPreserved<LoopInfo>();
3165   AU.addPreserved("domfrontier");
3166
3167   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
3168   AU.addRequired<DominatorTree>();
3169   AU.addPreserved<DominatorTree>();
3170   AU.addRequired<ScalarEvolution>();
3171   AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
3172   AU.addRequired<IVUsers>();
3173   AU.addPreserved<IVUsers>();
3174 }
3175
3176 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager & /*LPM*/) {
3177   bool Changed = false;
3178
3179   // Run the main LSR transformation.
3180   Changed |= LSRInstance(TLI, L, this).getChanged();
3181
3182   // At this point, it is worth checking to see if any recurrence PHIs are also
3183   // dead, so that we can remove them as well.
3184   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
3185
3186   return Changed;
3187 }