64c60ba2e6398ba39001537e4d0b281bcd33814e
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce GEPs in Loops -------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file was developed by Nate Begeman and is distributed under the
6 // University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
11 // have as one or more of their components the loop induction variable.  This is
12 // accomplished by creating a new Value to hold the initial value of the array
13 // access for the first iteration, and then creating a new GEP instruction in
14 // the loop to increment the value by the appropriate amount.
15 //
16 //===----------------------------------------------------------------------===//
17
18 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
19 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
20 #include "llvm/Constants.h"
21 #include "llvm/Instructions.h"
22 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
23 #include "llvm/Type.h"
24 #include "llvm/DerivedTypes.h"
25 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
26 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
27 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
28 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
29 #include "llvm/Support/CFG.h"
30 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
32 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
33 #include "llvm/Target/TargetData.h"
34 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
35 #include "llvm/Support/Debug.h"
36 #include "llvm/Support/Compiler.h"
37 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
38 #include <algorithm>
39 #include <set>
40 using namespace llvm;
41
42 STATISTIC(NumReduced , "Number of GEPs strength reduced");
43 STATISTIC(NumInserted, "Number of PHIs inserted");
44 STATISTIC(NumVariable, "Number of PHIs with variable strides");
45
46 namespace {
47
48   struct BasedUser;
49
50   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
51   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
52   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
53   /// is the operand # of the User that is the use.
54   struct VISIBILITY_HIDDEN IVStrideUse {
55     SCEVHandle Offset;
56     Instruction *User;
57     Value *OperandValToReplace;
58
59     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
60     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
61     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
62     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
63     bool isUseOfPostIncrementedValue;
64     
65     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
66       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
67         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
68   };
69   
70   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
71   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
72   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
73   /// structure.
74   struct VISIBILITY_HIDDEN IVUsersOfOneStride {
75     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
76     /// initial value and the operand that uses the IV.
77     std::vector<IVStrideUse> Users;
78     
79     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
80       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
81     }
82   };
83
84   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
85   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
86   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
87   struct VISIBILITY_HIDDEN IVExpr {
88     SCEVHandle  Stride;
89     SCEVHandle  Base;
90     PHINode    *PHI;
91     Value      *IncV;
92
93     IVExpr()
94       : Stride(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)),
95         Base  (SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)) {}
96     IVExpr(const SCEVHandle &stride, const SCEVHandle &base, PHINode *phi,
97            Value *incv)
98       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi), IncV(incv) {}
99   };
100
101   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
102   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
103   struct VISIBILITY_HIDDEN IVsOfOneStride {
104     std::vector<IVExpr> IVs;
105
106     void addIV(const SCEVHandle &Stride, const SCEVHandle &Base, PHINode *PHI,
107                Value *IncV) {
108       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI, IncV));
109     }
110   };
111
112   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public LoopPass {
113     LoopInfo *LI;
114     DominatorTree *DT;
115     ScalarEvolution *SE;
116     const TargetData *TD;
117     const Type *UIntPtrTy;
118     bool Changed;
119
120     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
121     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
122     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
123
124     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
125     /// particular stride.
126     std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride> IVsByStride;
127
128     /// StrideOrder - An ordering of the keys in IVUsesByStride that is stable:
129     /// We use this to iterate over the IVUsesByStride collection without being
130     /// dependent on random ordering of pointers in the process.
131     std::vector<SCEVHandle> StrideOrder;
132
133     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
134     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
135     /// getCastedVersionOf.
136     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
137
138     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
139     /// we can remove them after we are done working.
140     std::set<Instruction*> DeadInsts;
141
142     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
143     /// transformation profitability.
144     const TargetLowering *TLI;
145
146   public:
147     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
148     LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL) : 
149       LoopPass((intptr_t)&ID), TLI(tli) {
150     }
151
152     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
153
154     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
155       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
156       // many analyses if they are around.
157       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
158       AU.addPreserved<LoopInfo>();
159       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
160       AU.addPreserved<DominatorTree>();
161
162       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
163       AU.addRequired<LoopInfo>();
164       AU.addRequired<DominatorTree>();
165       AU.addRequired<TargetData>();
166       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
167     }
168     
169     /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
170     ///
171     Value *getCastedVersionOf(Instruction::CastOps opcode, Value *V);
172 private:
173     bool AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
174                                std::set<Instruction*> &Processed);
175     SCEVHandle GetExpressionSCEV(Instruction *E, Loop *L);
176
177     void OptimizeIndvars(Loop *L);
178     bool FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
179                        const SCEVHandle *&CondStride);
180
181     unsigned CheckForIVReuse(const SCEVHandle&, IVExpr&, const Type*,
182                              const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
183
184     bool ValidStride(int64_t, const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
185
186     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
187                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
188                                       Loop *L, bool isOnlyStride);
189     void DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts);
190   };
191   char LoopStrengthReduce::ID = 0;
192   RegisterPass<LoopStrengthReduce> X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
193 }
194
195 LoopPass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
196   return new LoopStrengthReduce(TLI);
197 }
198
199 /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t. This
200 /// assumes that the Value* V is of integer or pointer type only.
201 ///
202 Value *LoopStrengthReduce::getCastedVersionOf(Instruction::CastOps opcode, 
203                                               Value *V) {
204   if (V->getType() == UIntPtrTy) return V;
205   if (Constant *CB = dyn_cast<Constant>(V))
206     return ConstantExpr::getCast(opcode, CB, UIntPtrTy);
207
208   Value *&New = CastedPointers[V];
209   if (New) return New;
210   
211   New = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, V, UIntPtrTy);
212   DeadInsts.insert(cast<Instruction>(New));
213   return New;
214 }
215
216
217 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
218 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
219 /// their operands subsequently dead.
220 void LoopStrengthReduce::
221 DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts) {
222   while (!Insts.empty()) {
223     Instruction *I = *Insts.begin();
224     Insts.erase(Insts.begin());
225     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
226       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
227         if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
228           Insts.insert(U);
229       SE->deleteValueFromRecords(I);
230       I->eraseFromParent();
231       Changed = true;
232     }
233   }
234 }
235
236
237 /// GetExpressionSCEV - Compute and return the SCEV for the specified
238 /// instruction.
239 SCEVHandle LoopStrengthReduce::GetExpressionSCEV(Instruction *Exp, Loop *L) {
240   // Pointer to pointer bitcast instructions return the same value as their
241   // operand.
242   if (BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(Exp)) {
243     if (SE->hasSCEV(BCI) || !isa<Instruction>(BCI->getOperand(0)))
244       return SE->getSCEV(BCI);
245     SCEVHandle R = GetExpressionSCEV(cast<Instruction>(BCI->getOperand(0)), L);
246     SE->setSCEV(BCI, R);
247     return R;
248   }
249
250   // Scalar Evolutions doesn't know how to compute SCEV's for GEP instructions.
251   // If this is a GEP that SE doesn't know about, compute it now and insert it.
252   // If this is not a GEP, or if we have already done this computation, just let
253   // SE figure it out.
254   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Exp);
255   if (!GEP || SE->hasSCEV(GEP))
256     return SE->getSCEV(Exp);
257     
258   // Analyze all of the subscripts of this getelementptr instruction, looking
259   // for uses that are determined by the trip count of L.  First, skip all
260   // operands the are not dependent on the IV.
261
262   // Build up the base expression.  Insert an LLVM cast of the pointer to
263   // uintptr_t first.
264   SCEVHandle GEPVal = SCEVUnknown::get(
265       getCastedVersionOf(Instruction::PtrToInt, GEP->getOperand(0)));
266
267   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
268   
269   for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
270     // If this is a use of a recurrence that we can analyze, and it comes before
271     // Op does in the GEP operand list, we will handle this when we process this
272     // operand.
273     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
274       const StructLayout *SL = TD->getStructLayout(STy);
275       unsigned Idx = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(i))->getZExtValue();
276       uint64_t Offset = SL->getElementOffset(Idx);
277       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal,
278                                 SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Offset, UIntPtrTy));
279     } else {
280       unsigned GEPOpiBits = 
281         GEP->getOperand(i)->getType()->getPrimitiveSizeInBits();
282       unsigned IntPtrBits = UIntPtrTy->getPrimitiveSizeInBits();
283       Instruction::CastOps opcode = (GEPOpiBits < IntPtrBits ? 
284           Instruction::SExt : (GEPOpiBits > IntPtrBits ? Instruction::Trunc :
285             Instruction::BitCast));
286       Value *OpVal = getCastedVersionOf(opcode, GEP->getOperand(i));
287       SCEVHandle Idx = SE->getSCEV(OpVal);
288
289       uint64_t TypeSize = TD->getTypeSize(GTI.getIndexedType());
290       if (TypeSize != 1)
291         Idx = SCEVMulExpr::get(Idx,
292                                SCEVConstant::get(ConstantInt::get(UIntPtrTy,
293                                                                    TypeSize)));
294       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal, Idx);
295     }
296   }
297
298   SE->setSCEV(GEP, GEPVal);
299   return GEPVal;
300 }
301
302 /// getSCEVStartAndStride - Compute the start and stride of this expression,
303 /// returning false if the expression is not a start/stride pair, or true if it
304 /// is.  The stride must be a loop invariant expression, but the start may be
305 /// a mix of loop invariant and loop variant expressions.
306 static bool getSCEVStartAndStride(const SCEVHandle &SH, Loop *L,
307                                   SCEVHandle &Start, SCEVHandle &Stride) {
308   SCEVHandle TheAddRec = Start;   // Initialize to zero.
309
310   // If the outer level is an AddExpr, the operands are all start values except
311   // for a nested AddRecExpr.
312   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(SH)) {
313     for (unsigned i = 0, e = AE->getNumOperands(); i != e; ++i)
314       if (SCEVAddRecExpr *AddRec =
315              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(AE->getOperand(i))) {
316         if (AddRec->getLoop() == L)
317           TheAddRec = SCEVAddExpr::get(AddRec, TheAddRec);
318         else
319           return false;  // Nested IV of some sort?
320       } else {
321         Start = SCEVAddExpr::get(Start, AE->getOperand(i));
322       }
323         
324   } else if (isa<SCEVAddRecExpr>(SH)) {
325     TheAddRec = SH;
326   } else {
327     return false;  // not analyzable.
328   }
329   
330   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(TheAddRec);
331   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L) return false;
332   
333   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
334   if (!AddRec->isAffine()) return false;
335
336   Start = SCEVAddExpr::get(Start, AddRec->getOperand(0));
337   
338   if (!isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1)))
339     DOUT << "[" << L->getHeader()->getName()
340          << "] Variable stride: " << *AddRec << "\n";
341
342   Stride = AddRec->getOperand(1);
343   return true;
344 }
345
346 /// IVUseShouldUsePostIncValue - We have discovered a "User" of an IV expression
347 /// and now we need to decide whether the user should use the preinc or post-inc
348 /// value.  If this user should use the post-inc version of the IV, return true.
349 ///
350 /// Choosing wrong here can break dominance properties (if we choose to use the
351 /// post-inc value when we cannot) or it can end up adding extra live-ranges to
352 /// the loop, resulting in reg-reg copies (if we use the pre-inc value when we
353 /// should use the post-inc value).
354 static bool IVUseShouldUsePostIncValue(Instruction *User, Instruction *IV,
355                                        Loop *L, DominatorTree *DT, Pass *P) {
356   // If the user is in the loop, use the preinc value.
357   if (L->contains(User->getParent())) return false;
358   
359   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
360   
361   // Ok, the user is outside of the loop.  If it is dominated by the latch
362   // block, use the post-inc value.
363   if (DT->dominates(LatchBlock, User->getParent()))
364     return true;
365
366   // There is one case we have to be careful of: PHI nodes.  These little guys
367   // can live in blocks that do not dominate the latch block, but (since their
368   // uses occur in the predecessor block, not the block the PHI lives in) should
369   // still use the post-inc value.  Check for this case now.
370   PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(User);
371   if (!PN) return false;  // not a phi, not dominated by latch block.
372   
373   // Look at all of the uses of IV by the PHI node.  If any use corresponds to
374   // a block that is not dominated by the latch block, give up and use the
375   // preincremented value.
376   unsigned NumUses = 0;
377   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
378     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
379       ++NumUses;
380       if (!DT->dominates(LatchBlock, PN->getIncomingBlock(i)))
381         return false;
382     }
383
384   // Okay, all uses of IV by PN are in predecessor blocks that really are
385   // dominated by the latch block.  Split the critical edges and use the
386   // post-incremented value.
387   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
388     if (PN->getIncomingValue(i) == IV) {
389       SplitCriticalEdge(PN->getIncomingBlock(i), PN->getParent(), P,
390                         true);
391       // Splitting the critical edge can reduce the number of entries in this
392       // PHI.
393       e = PN->getNumIncomingValues();
394       if (--NumUses == 0) break;
395     }
396   
397   return true;
398 }
399
400   
401
402 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
403 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
404 /// return true.  Otherwise, return false.
405 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
406                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
407   if (!I->getType()->isInteger() && !isa<PointerType>(I->getType()))
408       return false;   // Void and FP expressions cannot be reduced.
409   if (!Processed.insert(I).second)
410     return true;    // Instruction already handled.
411   
412   // Get the symbolic expression for this instruction.
413   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
414   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
415   
416   // Get the start and stride for this expression.
417   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
418   SCEVHandle Stride = Start;
419   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
420     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
421
422   std::vector<Instruction *> IUsers;
423   // Collect all I uses now because IVUseShouldUsePostIncValue may 
424   // invalidate use_iterator.
425   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E; ++UI)
426     IUsers.push_back(cast<Instruction>(*UI));
427
428   for (unsigned iused_index = 0, iused_size = IUsers.size(); 
429        iused_index != iused_size; ++iused_index) {
430
431     Instruction *User = IUsers[iused_index];
432
433     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
434     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
435       continue;
436
437     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
438     // don't recurse into it.
439     bool AddUserToIVUsers = false;
440     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
441       DOUT << "FOUND USER in other loop: " << *User
442            << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n";
443       AddUserToIVUsers = true;
444     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
445       DOUT << "FOUND USER: " << *User
446            << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n";
447       AddUserToIVUsers = true;
448     }
449
450     if (AddUserToIVUsers) {
451       IVUsersOfOneStride &StrideUses = IVUsesByStride[Stride];
452       if (StrideUses.Users.empty())     // First occurance of this stride?
453         StrideOrder.push_back(Stride);
454       
455       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
456       // and decide what to do with it.  If we are a use inside of the loop, use
457       // the value before incrementation, otherwise use it after incrementation.
458       if (IVUseShouldUsePostIncValue(User, I, L, DT, this)) {
459         // The value used will be incremented by the stride more than we are
460         // expecting, so subtract this off.
461         SCEVHandle NewStart = SCEV::getMinusSCEV(Start, Stride);
462         StrideUses.addUser(NewStart, User, I);
463         StrideUses.Users.back().isUseOfPostIncrementedValue = true;
464         DOUT << "   USING POSTINC SCEV, START=" << *NewStart<< "\n";
465       } else {        
466         StrideUses.addUser(Start, User, I);
467       }
468     }
469   }
470   return true;
471 }
472
473 namespace {
474   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
475   /// partitioned the expression so far.
476   struct BasedUser {
477     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
478     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
479     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
480     /// field.
481     SCEVHandle Base;
482     
483     /// Inst - The instruction using the induction variable.
484     Instruction *Inst;
485
486     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
487     /// EmittedBase.
488     Value *OperandValToReplace;
489
490     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
491     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
492     /// instruction.
493     SCEVHandle Imm;
494
495     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
496     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
497     Value *EmittedBase;
498
499     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
500     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
501     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
502     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
503     // the loop.
504     bool isUseOfPostIncrementedValue;
505     
506     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
507       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
508         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
509         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
510         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
511
512     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
513     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
514     // to it.
515     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
516                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
517                                         Pass *P);
518     
519     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
520                                        SCEVExpander &Rewriter,
521                                        Instruction *IP, Loop *L);
522     void dump() const;
523   };
524 }
525
526 void BasedUser::dump() const {
527   cerr << " Base=" << *Base;
528   cerr << " Imm=" << *Imm;
529   if (EmittedBase)
530     cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
531
532   cerr << "   Inst: " << *Inst;
533 }
534
535 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
536                                               SCEVExpander &Rewriter,
537                                               Instruction *IP, Loop *L) {
538   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
539   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
540   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
541   // many loops as possible.
542   LoopInfo &LI = Rewriter.getLoopInfo();
543   Instruction *BaseInsertPt = IP;
544   
545   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
546   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
547   
548   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
549   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
550   while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
551     BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
552     InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
553   }
554   
555   // If there is no immediate value, skip the next part.
556   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
557     if (SC->getValue()->isZero())
558       return Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt);
559
560   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt);
561
562   // If we are inserting the base and imm values in the same block, make sure to
563   // adjust the IP position if insertion reused a result.
564   if (IP == BaseInsertPt)
565     IP = Rewriter.getInsertionPoint();
566   
567   // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
568   SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(Base), Imm);
569   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, IP);
570   
571 }
572
573
574 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
575 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
576 // to it.
577 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
578                                                SCEVExpander &Rewriter,
579                                                Loop *L, Pass *P) {
580   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
581     // By default, insert code at the user instruction.
582     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
583     
584     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
585     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
586     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
587     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
588     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
589     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
590     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
591     // In this case, we have to back off.
592     if (!isUseOfPostIncrementedValue) {
593       if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) { 
594         InsertPt = OpInst;
595         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
596       }
597     }
598     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
599     // Adjust the type back to match the Inst. Note that we can't use InsertPt
600     // here because the SCEVExpander may have inserted the instructions after
601     // that point, in its efforts to avoid inserting redundant expressions.
602     if (isa<PointerType>(OperandValToReplace->getType())) {
603       NewVal = SCEVExpander::InsertCastOfTo(Instruction::IntToPtr,
604                                             NewVal,
605                                             OperandValToReplace->getType());
606     }
607     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
608     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
609     DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm;
610     DOUT << "  \tNEWBASE =" << *NewBase;
611     DOUT << "  \tInst = " << *Inst;
612     return;
613   }
614   
615   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
616   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
617   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
618   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
619   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
620   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
621   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
622   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
623     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
624       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
625       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
626       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
627       // be in an illegal position.
628       BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
629       if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
630           (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
631         
632         // First step, split the critical edge.
633         SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, true);
634             
635         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
636         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
637         // move the block to be immediately before the PHI block, not
638         // immediately after PredTI.
639         if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
640           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
641           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
642         }
643         
644         // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
645         e = PN->getNumIncomingValues();
646       }
647
648       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
649       if (!Code) {
650         // Insert the code into the end of the predecessor block.
651         Instruction *InsertPt = PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
652         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
653
654         // Adjust the type back to match the PHI. Note that we can't use InsertPt
655         // here because the SCEVExpander may have inserted its instructions after
656         // that point, in its efforts to avoid inserting redundant expressions.
657         if (isa<PointerType>(PN->getType())) {
658           Code = SCEVExpander::InsertCastOfTo(Instruction::IntToPtr,
659                                               Code,
660                                               PN->getType());
661         }
662       }
663       
664       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
665       PN->setIncomingValue(i, Code);
666       Rewriter.clear();
667     }
668   }
669   DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst;
670 }
671
672
673 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
674 /// immediate field of a target instruction.
675 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V, const Type *UseTy,
676                              const TargetLowering *TLI) {
677   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
678     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
679     if (TLI) {
680       TargetLowering::AddrMode AM;
681       AM.BaseOffs = VC;
682       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
683     } else {
684       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
685       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
686     }
687   }
688
689   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
690     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
691       if (TLI && CE->getOpcode() == Instruction::PtrToInt) {
692         Constant *Op0 = CE->getOperand(0);
693         if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(Op0)) {
694           TargetLowering::AddrMode AM;
695           AM.BaseGV = GV;
696           return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
697         }
698       }
699   return false;
700 }
701
702 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
703 /// loop varying to the Imm operand.
704 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
705                                             Loop *L) {
706   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
707   
708   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
709     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
710     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
711     
712     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
713       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
714         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
715         // field of the expression.
716         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
717       } else {
718         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
719       }
720
721     if (NewOps.empty())
722       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
723     else
724       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
725   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
726     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
727     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
728     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
729     
730     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
731     Ops[0] = Start;
732     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
733   } else {
734     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
735     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
736     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
737   }
738 }
739
740
741 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
742 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
743 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
744 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
745                                 Instruction *User,
746                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
747                                 bool isAddress, Loop *L) {
748   const Type *UseTy = User->getType();
749   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User))
750     UseTy = SI->getOperand(0)->getType();
751
752   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
753     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
754     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
755     
756     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
757       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
758       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, Imm, isAddress, L);
759       
760       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
761         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
762         // field of the expression.
763         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, NewOp);
764       } else {
765         NewOps.push_back(NewOp);
766       }
767     }
768
769     if (NewOps.empty())
770       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
771     else
772       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
773     return;
774   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
775     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
776     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
777     MoveImmediateValues(TLI, User, Start, Imm, isAddress, L);
778     
779     if (Start != SARE->getStart()) {
780       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
781       Ops[0] = Start;
782       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
783     }
784     return;
785   } else if (SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
786     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
787     if (isAddress && isTargetConstant(SME->getOperand(0), UseTy, TLI) &&
788         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
789
790       SCEVHandle SubImm = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
791       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
792       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, SubImm, isAddress, L);
793       
794       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
795       // simplify this!
796       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
797         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
798         // good.
799         SubImm = SCEVMulExpr::get(SubImm, SME->getOperand(0));
800         if (isTargetConstant(SubImm, UseTy, TLI)) {
801           // Accumulate the immediate.
802           Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SubImm);
803           
804           // Update what is left of 'Val'.
805           Val = SCEVMulExpr::get(SME->getOperand(0), NewOp);
806           return;
807         }
808       }
809     }
810   }
811
812   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
813   // expression.
814   if ((isAddress && isTargetConstant(Val, UseTy, TLI)) ||
815       !Val->isLoopInvariant(L)) {
816     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
817     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
818     return;
819   }
820
821   // Otherwise, no immediates to move.
822 }
823
824
825 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
826 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
827 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
828 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
829                              SCEVHandle Expr) {
830   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
831     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
832       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
833   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
834     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
835     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
836       SubExprs.push_back(Expr);
837     } else {
838       // Compute the addrec with zero as its base.
839       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
840       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
841       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
842       
843
844       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
845     }
846   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
847              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isZero()) {
848     // Do not add zero.
849     SubExprs.push_back(Expr);
850   }
851 }
852
853
854 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
855 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
856 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
857 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
858 static SCEVHandle 
859 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
860   unsigned NumUses = Uses.size();
861
862   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
863   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
864   SCEVHandle Result = Zero;
865   if (NumUses == 1) {
866     std::swap(Result, Uses[0].Base);
867     return Result;
868   }
869
870   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
871   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
872   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
873   
874   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
875   // order we see them.
876   std::vector<SCEVHandle> UniqueSubExprs;
877
878   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
879   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
880     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
881     // CSEs we can find.
882     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
883
884     // Split the expression into subexprs.
885     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
886     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
887     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
888       if (++SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]] == 1)
889         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
890     SubExprs.clear();
891   }
892
893   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
894   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
895   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
896     std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I = 
897        SubExpressionUseCounts.find(UniqueSubExprs[i]);
898     assert(I != SubExpressionUseCounts.end() && "Entry not found?");
899     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
900       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
901     } else {
902       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
903       SubExpressionUseCounts.erase(I);
904     }
905   }
906   
907   // If we found no CSE's, return now.
908   if (Result == Zero) return Result;
909   
910   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
911   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
912     // Split the expression into subexprs.
913     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
914
915     // Remove any common subexpressions.
916     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
917       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
918         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
919         --j; --e;
920       }
921     
922     // Finally, the non-shared expressions together.
923     if (SubExprs.empty())
924       Uses[i].Base = Zero;
925     else
926       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
927     SubExprs.clear();
928   }
929  
930   return Result;
931 }
932
933 /// isZero - returns true if the scalar evolution expression is zero.
934 ///
935 static bool isZero(SCEVHandle &V) {
936   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
937     return SC->getValue()->isZero();
938   return false;
939 }
940
941 /// ValidStride - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
942 /// stores in UsersToProcess.
943 ///
944 bool LoopStrengthReduce::ValidStride(int64_t Scale, 
945                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
946   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
947     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
948     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
949     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
950       AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
951     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst))
952       AccessTy = LI->getType();
953     
954     TargetLowering::AddrMode AM;
955     if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
956       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
957     AM.Scale = Scale;
958
959     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
960     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
961       return false;
962   }
963   return true;
964 }
965
966 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
967 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
968 /// mode scale component. This allows the users of this stride to be rewritten
969 /// as prev iv * factor. It returns 0 if no reuse is possible.
970 unsigned LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(const SCEVHandle &Stride, 
971                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
972                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
973   if (!TLI) return 0;
974
975   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
976     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
977     if (SInt == 1) return 0;
978
979     for (std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI= IVsByStride.begin(),
980            SE = IVsByStride.end(); SI != SE; ++SI) {
981       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
982       if (SInt != -SSInt &&
983           (unsigned(abs(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
984         continue;
985       int64_t Scale = SInt / SSInt;
986       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
987       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
988       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
989       // anyway.
990       if (ValidStride(Scale, UsersToProcess))
991         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
992                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
993           // FIXME: Only handle base == 0 for now.
994           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
995           if (isZero(II->Base) && II->Base->getType() == Ty) {
996             IV = *II;
997             return Scale;
998           }
999     }
1000   }
1001   return 0;
1002 }
1003
1004 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
1005 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
1006 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
1007   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
1008 }
1009
1010 /// isNonConstantNegative - REturn true if the specified scev is negated, but
1011 /// not a constant.
1012 static bool isNonConstantNegative(const SCEVHandle &Expr) {
1013   SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Expr);
1014   if (!Mul) return false;
1015   
1016   // If there is a constant factor, it will be first.
1017   SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0));
1018   if (!SC) return false;
1019   
1020   // Return true if the value is negative, this matches things like (-42 * V).
1021   return SC->getValue()->getValue().isNegative();
1022 }
1023
1024 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
1025 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
1026 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
1027 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
1028                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
1029                                                       Loop *L,
1030                                                       bool isOnlyStride) {
1031   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
1032   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
1033   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
1034   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
1035   // have the full access expression to rewrite the use.
1036   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1037   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
1038   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
1039     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
1040     
1041     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
1042     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1043     // computed.
1044     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
1045                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
1046     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1047            "Base value is not loop invariant!");
1048   }
1049
1050   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1051   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1052   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1053   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1054   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1055   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1056   // UsersToProcess base values.
1057   SCEVHandle CommonExprs =
1058     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
1059   
1060   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1061   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1062   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1063   // of the remaining uses.
1064   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1065     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1066     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1067     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1068     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1069       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
1070                                                UsersToProcess[i].Base);
1071       UsersToProcess[i].Base = 
1072         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1073     } else {
1074       
1075       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1076       // the store is through the expression, not of the expression though.
1077       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
1078       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1079         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
1080           isAddress = true;
1081       } else if (IntrinsicInst *II =
1082                    dyn_cast<IntrinsicInst>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1083         // Addressing modes can also be folded into prefetches.
1084         if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::prefetch &&
1085             II->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
1086           isAddress = true;
1087       }
1088       
1089       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1090                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L);
1091     }
1092   }
1093
1094   // Check if it is possible to reuse a IV with stride that is factor of this
1095   // stride. And the multiple is a number that can be encoded in the scale
1096   // field of the target addressing mode.  And we will have a valid
1097   // instruction after this substition, including the immediate field, if any.
1098   PHINode *NewPHI = NULL;
1099   Value   *IncV   = NULL;
1100   IVExpr   ReuseIV;
1101   unsigned RewriteFactor = CheckForIVReuse(Stride, ReuseIV,
1102                                            CommonExprs->getType(),
1103                                            UsersToProcess);
1104   if (RewriteFactor != 0) {
1105     DOUT << "BASED ON IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1106          << " and BASE " << *ReuseIV.Base << " :\n";
1107     NewPHI = ReuseIV.PHI;
1108     IncV   = ReuseIV.IncV;
1109   }
1110
1111   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1112   
1113   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1114   //
1115   DOUT << "INSERTING IV of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1116        << *Stride << " and BASE " << *CommonExprs << ": ";
1117
1118   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
1119   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
1120   
1121   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1122   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1123   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
1124   
1125   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1126
1127
1128   // Emit the initial base value into the loop preheader.
1129   Value *CommonBaseV
1130     = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt);
1131
1132   if (RewriteFactor == 0) {
1133     // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
1134     NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
1135     ++NumInserted;
1136   
1137     // Add common base to the new Phi node.
1138     NewPHI->addIncoming(CommonBaseV, Preheader);
1139
1140     // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the
1141     // increment.
1142     bool isNegative = isNonConstantNegative(Stride);
1143     SCEVHandle IncAmount = Stride;
1144     if (isNegative)
1145       IncAmount = SCEV::getNegativeSCEV(Stride);
1146     
1147     // Insert the stride into the preheader.
1148     Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(IncAmount, PreInsertPt);
1149     if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
1150
1151     // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
1152     // latch block, and add it to the Phi node.
1153     SCEVHandle IncExp = SCEVUnknown::get(StrideV);
1154     if (isNegative)
1155       IncExp = SCEV::getNegativeSCEV(IncExp);
1156     IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI), IncExp);
1157   
1158     IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator());
1159     IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
1160     NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1161
1162     // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1163     IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, NewPHI, IncV);
1164     
1165     DOUT << " IV=%" << NewPHI->getNameStr() << " INC=%" << IncV->getNameStr();
1166   } else {
1167     Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1168     if (!C ||
1169         (!C->isNullValue() &&
1170          !isTargetConstant(SCEVUnknown::get(CommonBaseV), ReplacedTy, TLI)))
1171       // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1172       // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1173       CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(), 
1174                                     "commonbase", PreInsertPt);
1175   }
1176   DOUT << "\n";
1177
1178   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1179   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1180   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1181   // vector (so we handle them first).
1182   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1183                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1184   
1185   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1186   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1187   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1188   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1189   //
1190   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1191   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1192   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1193   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1194   // ==.
1195   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1196     // Get a base value.
1197     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1198     
1199     // Compact everything with this base to be consequetive with this one.
1200     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1201       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1202         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1203         ++i;
1204       }
1205     }
1206   }
1207
1208   // Process all the users now.  This outer loop handles all bases, the inner
1209   // loop handles all users of a particular base.
1210   while (!UsersToProcess.empty()) {
1211     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1212
1213     // Emit the code for Base into the preheader.
1214     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt);
1215
1216     DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":";
1217     if (BaseV->hasName())
1218       DOUT << " Result value name = %" << BaseV->getNameStr();
1219     DOUT << "\n";
1220
1221     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
1222     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
1223     // this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the preheader 
1224     // in this case.
1225     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV)) {
1226       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base, ReplacedTy, TLI)) {
1227         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1228         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1229         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1230                              PreInsertPt);       
1231       }
1232     }
1233
1234     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1235     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1236     do {
1237       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1238       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1239
1240       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1241       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1242       Value *RewriteOp = NewPHI;
1243       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1244         RewriteOp = IncV;
1245
1246         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1247         // loop to ensure it is dominated by the increment.
1248         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1249           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
1250       }
1251       if (RewriteOp->getType() != ReplacedTy) {
1252         Instruction::CastOps opcode = Instruction::Trunc;
1253         if (ReplacedTy->getPrimitiveSizeInBits() ==
1254             RewriteOp->getType()->getPrimitiveSizeInBits())
1255           opcode = Instruction::BitCast;
1256         RewriteOp = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, RewriteOp, ReplacedTy);
1257       }
1258
1259       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
1260
1261       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1262       // to have the code emitted where we expect it.
1263       Rewriter.clear();
1264
1265       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1266       // factor take advantage of addressing mode scale component.
1267       if (RewriteFactor != 0) {
1268         RewriteExpr =
1269           SCEVMulExpr::get(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(RewriteFactor,
1270                                                        RewriteExpr->getType()),
1271                            RewriteExpr);
1272
1273         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1274         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1275         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1276         if (!isa<ConstantInt>(CommonBaseV) ||
1277             !cast<ConstantInt>(CommonBaseV)->isZero())
1278           RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr,
1279                                          SCEVUnknown::get(CommonBaseV));
1280       }
1281
1282       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1283       // immediate and any loop-variant expressions.
1284       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isZero())
1285         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1286         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
1287
1288       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
1289
1290       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
1291       // if we just replaced the last use of that value.
1292       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
1293
1294       UsersToProcess.pop_back();
1295       ++NumReduced;
1296
1297       // If there are any more users to process with the same base, process them
1298       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1299     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1300     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1301   }
1302
1303   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1304   // different starting values, into different PHIs.
1305 }
1306
1307 /// FindIVForUser - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1308 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1309 /// false.
1310 bool LoopStrengthReduce::FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1311                                        const SCEVHandle *&CondStride) {
1312   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e && !CondUse;
1313        ++Stride) {
1314     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1315     IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1316     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1317     
1318     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second.Users.begin(),
1319          E = SI->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
1320       if (UI->User == Cond) {
1321         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1322         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1323         // occurs enough in real life to handle.
1324         CondUse = &*UI;
1325         CondStride = &SI->first;
1326         return true;
1327       }
1328   }
1329   return false;
1330 }    
1331
1332 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
1333 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
1334 // common indvars for the different uses.
1335 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
1336   // TODO: implement optzns here.
1337
1338   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1339   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1340   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1341   // one register value.
1342   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
1343   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1344   BasicBlock *LatchBlock =
1345    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
1346   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
1347   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() || 
1348       !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1349     return;
1350   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1351
1352   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1353   IVStrideUse *CondUse = 0;
1354   const SCEVHandle *CondStride = 0;
1355
1356   if (!FindIVForUser(Cond, CondUse, CondStride))
1357     return; // setcc doesn't use the IV.
1358   
1359
1360   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1361   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1362   // the latch block branch, move it.
1363   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
1364     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
1365       Cond->moveBefore(TermBr);
1366     } else {
1367       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
1368       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
1369       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
1370       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
1371       
1372       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
1373       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
1374                                          CondUse->OperandValToReplace);
1375       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
1376     }
1377   }
1378
1379   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
1380   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
1381   // live ranges for the IV correctly.
1382   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
1383   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
1384 }
1385
1386 namespace {
1387   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1388   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1389   // e.g.
1390   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1391   struct StrideCompare {
1392     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1393       SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1394       SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1395       if (LHSC && RHSC) {
1396         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1397         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1398         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1399         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1400         if (ALV == ARV)
1401           return LV > RV;
1402         else
1403           return ALV < ARV;
1404       }
1405       return (LHSC && !RHSC);
1406     }
1407   };
1408 }
1409
1410 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1411
1412   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1413   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
1414   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1415   TD = &getAnalysis<TargetData>();
1416   UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1417
1418   // Find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
1419   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
1420   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
1421   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
1422   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
1423     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
1424
1425   // If we have nothing to do, return.
1426   if (IVUsesByStride.empty()) return false;
1427
1428   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
1429   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
1430   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
1431   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
1432   OptimizeIndvars(L);
1433
1434
1435   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
1436   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
1437
1438   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
1439   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
1440   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
1441   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
1442   // indvars.
1443
1444   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
1445   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
1446
1447 #ifndef NDEBUG
1448   DOUT << "\nLSR on ";
1449   DEBUG(L->dump());
1450 #endif
1451
1452   // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
1453   IVsByStride.clear();
1454
1455   // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
1456   std::stable_sort(StrideOrder.begin(), StrideOrder.end(), StrideCompare());
1457
1458   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
1459   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.  Also,
1460   // node that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using StrideOrder.
1461   // This extra layer of indirection makes the ordering of strides deterministic
1462   // - not dependent on map order.
1463   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e; ++Stride) {
1464     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1465       IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1466     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1467     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1468   }
1469
1470   // Clean up after ourselves
1471   if (!DeadInsts.empty()) {
1472     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1473
1474     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1475     PHINode *PN;
1476     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1477       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1478       
1479       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1480       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1481       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1482       // indvar to be considered dead are:
1483       // 1. the cann indvar has one use
1484       // 2. the use is an add instruction
1485       // 3. the add has one use
1486       // 4. the add is used by the cann indvar
1487       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1488       // the cann indvar.
1489       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1490       // compared against some value to decide loop termination.
1491       if (PN->hasOneUse()) {
1492         Instruction *BO = dyn_cast<Instruction>(*PN->use_begin());
1493         if (BO && (isa<BinaryOperator>(BO) || isa<CmpInst>(BO))) {
1494           if (BO->hasOneUse() && PN == *(BO->use_begin())) {
1495             DeadInsts.insert(BO);
1496             // Break the cycle, then delete the PHI.
1497             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1498             SE->deleteValueFromRecords(PN);
1499             PN->eraseFromParent();
1500           }
1501         }
1502       }
1503     }
1504     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1505   }
1506
1507   CastedPointers.clear();
1508   IVUsesByStride.clear();
1509   StrideOrder.clear();
1510   return false;
1511 }