Drop 'const'
[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/Type.h"
23 #include "llvm/DerivedTypes.h"
24 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
25 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
26 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
27 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
28 #include "llvm/Support/CFG.h"
29 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
31 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
32 #include "llvm/Target/TargetData.h"
33 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
34 #include "llvm/Support/Debug.h"
35 #include "llvm/Support/Compiler.h"
36 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
37 #include <algorithm>
38 #include <set>
39 using namespace llvm;
40
41 STATISTIC(NumReduced , "Number of GEPs strength reduced");
42 STATISTIC(NumInserted, "Number of PHIs inserted");
43 STATISTIC(NumVariable, "Number of PHIs with variable strides");
44
45 namespace {
46
47   struct BasedUser;
48
49   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
50   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
51   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
52   /// is the operand # of the User that is the use.
53   struct VISIBILITY_HIDDEN IVStrideUse {
54     SCEVHandle Offset;
55     Instruction *User;
56     Value *OperandValToReplace;
57
58     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
59     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
60     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
61     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
62     bool isUseOfPostIncrementedValue;
63     
64     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
65       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
66         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
67   };
68   
69   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
70   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
71   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
72   /// structure.
73   struct VISIBILITY_HIDDEN IVUsersOfOneStride {
74     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
75     /// initial value and the operand that uses the IV.
76     std::vector<IVStrideUse> Users;
77     
78     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
79       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
80     }
81   };
82
83   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
84   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
85   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
86   struct VISIBILITY_HIDDEN IVExpr {
87     SCEVHandle  Stride;
88     SCEVHandle  Base;
89     PHINode    *PHI;
90     Value      *IncV;
91
92     IVExpr()
93       : Stride(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)),
94         Base  (SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty)) {}
95     IVExpr(const SCEVHandle &stride, const SCEVHandle &base, PHINode *phi,
96            Value *incv)
97       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi), IncV(incv) {}
98   };
99
100   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
101   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
102   struct VISIBILITY_HIDDEN IVsOfOneStride {
103     std::vector<IVExpr> IVs;
104
105     void addIV(const SCEVHandle &Stride, const SCEVHandle &Base, PHINode *PHI,
106                Value *IncV) {
107       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI, IncV));
108     }
109   };
110
111   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public LoopPass {
112     LoopInfo *LI;
113     ETForest *EF;
114     ScalarEvolution *SE;
115     const TargetData *TD;
116     const Type *UIntPtrTy;
117     bool Changed;
118
119     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
120     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
121     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
122
123     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
124     /// particular stride.
125     std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride> IVsByStride;
126
127     /// StrideOrder - An ordering of the keys in IVUsesByStride that is stable:
128     /// We use this to iterate over the IVUsesByStride collection without being
129     /// dependent on random ordering of pointers in the process.
130     std::vector<SCEVHandle> StrideOrder;
131
132     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
133     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
134     /// getCastedVersionOf.
135     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
136
137     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
138     /// we can remove them after we are done working.
139     std::set<Instruction*> DeadInsts;
140
141     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
142     /// transformation profitability.
143     const TargetLowering *TLI;
144
145   public:
146     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
147     LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL) : 
148       LoopPass((intptr_t)&ID), TLI(tli) {
149     }
150
151     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
152
153     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
154       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
155       // many analyses if they are around.
156       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
157       AU.addPreserved<LoopInfo>();
158       AU.addPreserved<ETForest>();
159       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
160       AU.addPreserved<DominatorTree>();
161
162       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
163       AU.addRequired<LoopInfo>();
164       AU.addRequired<ETForest>();
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->deleteInstructionFromRecords(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, ETForest *EF, 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 (EF->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 (!EF->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, EF, 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                                     OperandValToReplace->getType());
560
561   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, BaseInsertPt);
562   
563   // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
564   SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(Base), Imm);
565   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, IP,
566                                 OperandValToReplace->getType());
567 }
568
569
570 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
571 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
572 // to it.
573 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
574                                                SCEVExpander &Rewriter,
575                                                Loop *L, Pass *P) {
576   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
577     // By default, insert code at the user instruction.
578     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
579     
580     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
581     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
582     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
583     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
584     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
585     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
586     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
587     // In this case, we have to back off.
588     if (!isUseOfPostIncrementedValue) {
589       if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) { 
590         InsertPt = OpInst;
591         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
592       }
593     }
594     
595     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
596     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
597     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
598     DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst;
599     return;
600   }
601   
602   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
603   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
604   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
605   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
606   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
607   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
608   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
609   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
610     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
611       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
612       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
613       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
614       // be in an illegal position.
615       BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
616       if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
617           (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
618         
619         // First step, split the critical edge.
620         SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, true);
621             
622         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
623         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
624         // move the block to be immediately before the PHI block, not
625         // immediately after PredTI.
626         if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
627           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
628           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
629         }
630         
631         // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
632         e = PN->getNumIncomingValues();
633       }
634
635       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
636       if (!Code) {
637         // Insert the code into the end of the predecessor block.
638         Instruction *InsertPt = PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
639         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, Rewriter, InsertPt, L);
640       }
641       
642       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
643       PN->setIncomingValue(i, Code);
644       Rewriter.clear();
645     }
646   }
647   DOUT << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst;
648 }
649
650
651 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
652 /// immediate field of a target instruction.
653 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V, const Type *UseTy,
654                              const TargetLowering *TLI) {
655   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
656     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
657     if (TLI) {
658       TargetLowering::AddrMode AM;
659       AM.BaseOffs = VC;
660       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
661     } else {
662       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
663       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
664     }
665   }
666
667   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
668     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
669       if (TLI && CE->getOpcode() == Instruction::PtrToInt) {
670         Constant *Op0 = CE->getOperand(0);
671         if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(Op0)) {
672           TargetLowering::AddrMode AM;
673           AM.BaseGV = GV;
674           return TLI->isLegalAddressingMode(AM, UseTy);
675         }
676       }
677   return false;
678 }
679
680 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
681 /// loop varying to the Imm operand.
682 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
683                                             Loop *L) {
684   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
685   
686   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
687     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
688     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
689     
690     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
691       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
692         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
693         // field of the expression.
694         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
695       } else {
696         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
697       }
698
699     if (NewOps.empty())
700       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
701     else
702       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
703   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
704     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
705     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
706     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
707     
708     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
709     Ops[0] = Start;
710     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
711   } else {
712     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
713     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
714     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
715   }
716 }
717
718
719 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
720 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
721 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
722 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
723                                 Instruction *User,
724                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
725                                 bool isAddress, Loop *L) {
726   const Type *UseTy = User->getType();
727   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User))
728     UseTy = SI->getOperand(0)->getType();
729
730   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
731     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
732     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
733     
734     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
735       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
736       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, Imm, isAddress, L);
737       
738       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
739         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
740         // field of the expression.
741         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, NewOp);
742       } else {
743         NewOps.push_back(NewOp);
744       }
745     }
746
747     if (NewOps.empty())
748       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
749     else
750       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
751     return;
752   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
753     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
754     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
755     MoveImmediateValues(TLI, User, Start, Imm, isAddress, L);
756     
757     if (Start != SARE->getStart()) {
758       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
759       Ops[0] = Start;
760       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
761     }
762     return;
763   } else if (SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
764     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
765     if (isAddress && isTargetConstant(SME->getOperand(0), UseTy, TLI) &&
766         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
767
768       SCEVHandle SubImm = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
769       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
770       MoveImmediateValues(TLI, User, NewOp, SubImm, isAddress, L);
771       
772       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
773       // simplify this!
774       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
775         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
776         // good.
777         SubImm = SCEVMulExpr::get(SubImm, SME->getOperand(0));
778         if (isTargetConstant(SubImm, UseTy, TLI)) {
779           // Accumulate the immediate.
780           Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SubImm);
781           
782           // Update what is left of 'Val'.
783           Val = SCEVMulExpr::get(SME->getOperand(0), NewOp);
784           return;
785         }
786       }
787     }
788   }
789
790   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
791   // expression.
792   if ((isAddress && isTargetConstant(Val, UseTy, TLI)) ||
793       !Val->isLoopInvariant(L)) {
794     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
795     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
796     return;
797   }
798
799   // Otherwise, no immediates to move.
800 }
801
802
803 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
804 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
805 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
806 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
807                              SCEVHandle Expr) {
808   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
809     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
810       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
811   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
812     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
813     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
814       SubExprs.push_back(Expr);
815     } else {
816       // Compute the addrec with zero as its base.
817       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
818       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
819       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
820       
821
822       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
823     }
824   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
825              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isZero()) {
826     // Do not add zero.
827     SubExprs.push_back(Expr);
828   }
829 }
830
831
832 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
833 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
834 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
835 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
836 static SCEVHandle 
837 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
838   unsigned NumUses = Uses.size();
839
840   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
841   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
842   SCEVHandle Result = Zero;
843   if (NumUses == 1) {
844     std::swap(Result, Uses[0].Base);
845     return Result;
846   }
847
848   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
849   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
850   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
851   
852   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
853   // order we see them.
854   std::vector<SCEVHandle> UniqueSubExprs;
855
856   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
857   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
858     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
859     // CSEs we can find.
860     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
861
862     // Split the expression into subexprs.
863     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
864     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
865     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
866       if (++SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]] == 1)
867         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
868     SubExprs.clear();
869   }
870
871   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
872   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
873   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
874     std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I = 
875        SubExpressionUseCounts.find(UniqueSubExprs[i]);
876     assert(I != SubExpressionUseCounts.end() && "Entry not found?");
877     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
878       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
879     } else {
880       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
881       SubExpressionUseCounts.erase(I);
882     }
883   }
884   
885   // If we found no CSE's, return now.
886   if (Result == Zero) return Result;
887   
888   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
889   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
890     // Split the expression into subexprs.
891     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
892
893     // Remove any common subexpressions.
894     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
895       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
896         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
897         --j; --e;
898       }
899     
900     // Finally, the non-shared expressions together.
901     if (SubExprs.empty())
902       Uses[i].Base = Zero;
903     else
904       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
905     SubExprs.clear();
906   }
907  
908   return Result;
909 }
910
911 /// isZero - returns true if the scalar evolution expression is zero.
912 ///
913 static bool isZero(SCEVHandle &V) {
914   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V))
915     return SC->getValue()->isZero();
916   return false;
917 }
918
919 /// ValidStride - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
920 /// stores in UsersToProcess.
921 ///
922 bool LoopStrengthReduce::ValidStride(int64_t Scale, 
923                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
924   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
925     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
926     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
927     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
928       AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
929     else if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst))
930       AccessTy = LI->getType();
931     
932     TargetLowering::AddrMode AM;
933     if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
934       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
935     AM.Scale = Scale;
936
937     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
938     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
939       return false;
940   }
941   return true;
942 }
943
944 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
945 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
946 /// mode scale component. This allows the users of this stride to be rewritten
947 /// as prev iv * factor. It returns 0 if no reuse is possible.
948 unsigned LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(const SCEVHandle &Stride, 
949                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
950                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
951   if (!TLI) return 0;
952
953   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
954     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
955     if (SInt == 1) return 0;
956
957     for (std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI= IVsByStride.begin(),
958            SE = IVsByStride.end(); SI != SE; ++SI) {
959       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
960       if (SInt != -SSInt &&
961           (unsigned(abs(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
962         continue;
963       int64_t Scale = SInt / SSInt;
964       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
965       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
966       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
967       // anyway.
968       if (ValidStride(Scale, UsersToProcess))
969         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
970                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
971           // FIXME: Only handle base == 0 for now.
972           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
973           if (isZero(II->Base) && II->Base->getType() == Ty) {
974             IV = *II;
975             return Scale;
976           }
977     }
978   }
979   return 0;
980 }
981
982 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
983 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
984 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
985   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
986 }
987
988 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
989 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
990 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
991 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
992                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
993                                                       Loop *L,
994                                                       bool isOnlyStride) {
995   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
996   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
997   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
998   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
999   // have the full access expression to rewrite the use.
1000   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1001   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
1002   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
1003     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
1004     
1005     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
1006     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1007     // computed.
1008     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
1009                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
1010     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1011            "Base value is not loop invariant!");
1012   }
1013
1014   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1015   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1016   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1017   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1018   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1019   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1020   // UsersToProcess base values.
1021   SCEVHandle CommonExprs =
1022     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
1023   
1024   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1025   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1026   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1027   // of the remaining uses.
1028   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1029     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1030     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1031     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1032     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1033       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
1034                                                UsersToProcess[i].Base);
1035       UsersToProcess[i].Base = 
1036         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1037     } else {
1038       
1039       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1040       // the store is through the expression, not of the expression though.
1041       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
1042       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
1043         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
1044           isAddress = true;
1045       
1046       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1047                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L);
1048     }
1049   }
1050
1051   // Check if it is possible to reuse a IV with stride that is factor of this
1052   // stride. And the multiple is a number that can be encoded in the scale
1053   // field of the target addressing mode.  And we will have a valid
1054   // instruction after this substition, including the immediate field, if any.
1055   PHINode *NewPHI = NULL;
1056   Value   *IncV   = NULL;
1057   IVExpr   ReuseIV;
1058   unsigned RewriteFactor = CheckForIVReuse(Stride, ReuseIV,
1059                                            CommonExprs->getType(),
1060                                            UsersToProcess);
1061   if (RewriteFactor != 0) {
1062     DOUT << "BASED ON IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1063          << " and BASE " << *ReuseIV.Base << " :\n";
1064     NewPHI = ReuseIV.PHI;
1065     IncV   = ReuseIV.IncV;
1066   }
1067
1068   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1069   
1070   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1071   //
1072   DOUT << "INSERTING IV of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1073        << *Stride << " and BASE " << *CommonExprs << " :\n";
1074
1075   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
1076   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
1077   
1078   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1079   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1080   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
1081   
1082   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1083
1084
1085   // Emit the initial base value into the loop preheader.
1086   Value *CommonBaseV
1087     = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
1088                                       ReplacedTy);
1089
1090   if (RewriteFactor == 0) {
1091     // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
1092     NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
1093     ++NumInserted;
1094   
1095     // Add common base to the new Phi node.
1096     NewPHI->addIncoming(CommonBaseV, Preheader);
1097
1098     // Insert the stride into the preheader.
1099     Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Stride, PreInsertPt,
1100                                                      ReplacedTy);
1101     if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
1102
1103     // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
1104     // latch block, and add it to the Phi node.
1105     SCEVHandle IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI),
1106                                          SCEVUnknown::get(StrideV));
1107   
1108     IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
1109                                   ReplacedTy);
1110     IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
1111     NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1112
1113     // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1114     IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, NewPHI, IncV);
1115   } else {
1116     Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1117     if (!C ||
1118         (!C->isNullValue() &&
1119          !isTargetConstant(SCEVUnknown::get(CommonBaseV), ReplacedTy, TLI)))
1120       // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1121       // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1122       CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(), 
1123                                     "commonbase", PreInsertPt);
1124   }
1125
1126   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1127   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1128   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1129   // vector (so we handle them first).
1130   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1131                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1132   
1133   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1134   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1135   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1136   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1137   //
1138   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1139   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1140   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1141   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1142   // ==.
1143   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1144     // Get a base value.
1145     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1146     
1147     // Compact everything with this base to be consequetive with this one.
1148     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1149       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1150         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1151         ++i;
1152       }
1153     }
1154   }
1155
1156   // Process all the users now.  This outer loop handles all bases, the inner
1157   // loop handles all users of a particular base.
1158   while (!UsersToProcess.empty()) {
1159     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1160
1161     DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":\n";
1162    
1163     // Emit the code for Base into the preheader.
1164     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
1165                                                    ReplacedTy);
1166     
1167     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
1168     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
1169     // this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the preheader 
1170     // in this case.
1171     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV)) {
1172       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base, ReplacedTy, TLI)) {
1173         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1174         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1175         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1176                              PreInsertPt);       
1177       }
1178     }
1179
1180     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1181     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1182     do {
1183       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1184       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1185
1186       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1187       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1188       Value *RewriteOp = NewPHI;
1189       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1190         RewriteOp = IncV;
1191
1192         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1193         // loop to ensure it is dominated by the increment.
1194         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1195           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
1196       }
1197       if (RewriteOp->getType() != ReplacedTy) {
1198         Instruction::CastOps opcode = Instruction::Trunc;
1199         if (ReplacedTy->getPrimitiveSizeInBits() ==
1200             RewriteOp->getType()->getPrimitiveSizeInBits())
1201           opcode = Instruction::BitCast;
1202         RewriteOp = SCEVExpander::InsertCastOfTo(opcode, RewriteOp, ReplacedTy);
1203       }
1204
1205       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
1206
1207       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1208       // to have the code emitted where we expect it.
1209       Rewriter.clear();
1210
1211       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1212       // factor take advantage of addressing mode scale component.
1213       if (RewriteFactor != 0) {
1214         RewriteExpr =
1215           SCEVMulExpr::get(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(RewriteFactor,
1216                                                        RewriteExpr->getType()),
1217                            RewriteExpr);
1218
1219         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1220         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1221         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1222         if (!isa<ConstantInt>(CommonBaseV) ||
1223             !cast<ConstantInt>(CommonBaseV)->isZero())
1224           RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr,
1225                                          SCEVUnknown::get(CommonBaseV));
1226       }
1227
1228       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1229       // immediate and any loop-variant expressions.
1230       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isZero())
1231         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1232         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
1233
1234       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
1235
1236       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
1237       // if we just replaced the last use of that value.
1238       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
1239
1240       UsersToProcess.pop_back();
1241       ++NumReduced;
1242
1243       // If there are any more users to process with the same base, process them
1244       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1245     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1246     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1247   }
1248
1249   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1250   // different starting values, into different PHIs.
1251 }
1252
1253 /// FindIVForUser - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1254 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1255 /// false.
1256 bool LoopStrengthReduce::FindIVForUser(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1257                                        const SCEVHandle *&CondStride) {
1258   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e && !CondUse;
1259        ++Stride) {
1260     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1261     IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1262     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1263     
1264     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second.Users.begin(),
1265          E = SI->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
1266       if (UI->User == Cond) {
1267         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1268         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1269         // occurs enough in real life to handle.
1270         CondUse = &*UI;
1271         CondStride = &SI->first;
1272         return true;
1273       }
1274   }
1275   return false;
1276 }    
1277
1278 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
1279 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
1280 // common indvars for the different uses.
1281 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
1282   // TODO: implement optzns here.
1283
1284   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1285   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1286   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1287   // one register value.
1288   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
1289   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1290   BasicBlock *LatchBlock =
1291    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
1292   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
1293   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() || 
1294       !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1295     return;
1296   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1297
1298   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1299   IVStrideUse *CondUse = 0;
1300   const SCEVHandle *CondStride = 0;
1301
1302   if (!FindIVForUser(Cond, CondUse, CondStride))
1303     return; // setcc doesn't use the IV.
1304   
1305
1306   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1307   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1308   // the latch block branch, move it.
1309   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
1310     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
1311       Cond->moveBefore(TermBr);
1312     } else {
1313       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
1314       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
1315       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
1316       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
1317       
1318       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
1319       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
1320                                          CondUse->OperandValToReplace);
1321       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
1322     }
1323   }
1324
1325   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
1326   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
1327   // live ranges for the IV correctly.
1328   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
1329   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
1330 }
1331
1332 namespace {
1333   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1334   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1335   // e.g.
1336   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1337   struct StrideCompare {
1338     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1339       SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1340       SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1341       if (LHSC && RHSC) {
1342         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1343         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1344         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1345         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1346         if (ALV == ARV)
1347           return LV > RV;
1348         else
1349           return ALV < ARV;
1350       }
1351       return (LHSC && !RHSC);
1352     }
1353   };
1354 }
1355
1356 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1357
1358   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1359   EF = &getAnalysis<ETForest>();
1360   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1361   TD = &getAnalysis<TargetData>();
1362   UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
1363
1364   // Find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
1365   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
1366   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
1367   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
1368   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
1369     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
1370
1371   // If we have nothing to do, return.
1372   if (IVUsesByStride.empty()) return false;
1373
1374   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
1375   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
1376   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
1377   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
1378   OptimizeIndvars(L);
1379
1380
1381   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
1382   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
1383
1384   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
1385   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
1386   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
1387   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
1388   // indvars.
1389
1390   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
1391   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
1392
1393 #ifndef NDEBUG
1394   DOUT << "\nLSR on ";
1395   DEBUG(L->dump());
1396 #endif
1397
1398   // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
1399   IVsByStride.clear();
1400
1401   // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
1402   std::stable_sort(StrideOrder.begin(), StrideOrder.end(), StrideCompare());
1403
1404   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
1405   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.  Also,
1406   // node that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using StrideOrder.
1407   // This extra layer of indirection makes the ordering of strides deterministic
1408   // - not dependent on map order.
1409   for (unsigned Stride = 0, e = StrideOrder.size(); Stride != e; ++Stride) {
1410     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI = 
1411       IVUsesByStride.find(StrideOrder[Stride]);
1412     assert(SI != IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1413     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1414   }
1415
1416   // Clean up after ourselves
1417   if (!DeadInsts.empty()) {
1418     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1419
1420     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1421     PHINode *PN;
1422     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1423       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1424       
1425       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1426       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1427       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1428       // indvar to be considered dead are:
1429       // 1. the cann indvar has one use
1430       // 2. the use is an add instruction
1431       // 3. the add has one use
1432       // 4. the add is used by the cann indvar
1433       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1434       // the cann indvar.
1435       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1436       // compared against some value to decide loop termination.
1437       if (PN->hasOneUse()) {
1438         Instruction *BO = dyn_cast<Instruction>(*PN->use_begin());
1439         if (BO && (isa<BinaryOperator>(BO) || isa<CmpInst>(BO))) {
1440           if (BO->hasOneUse() && PN == *(BO->use_begin())) {
1441             DeadInsts.insert(BO);
1442             // Break the cycle, then delete the PHI.
1443             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1444             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1445             PN->eraseFromParent();
1446           }
1447         }
1448       }
1449     }
1450     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1451   }
1452
1453   CastedPointers.clear();
1454   IVUsesByStride.clear();
1455   StrideOrder.clear();
1456   return false;
1457 }