cf5ff11ab47794f4b8cb2b02885a36dea12de7d5
[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/ScalarEvolutionExpander.h"
27 #include "llvm/Support/CFG.h"
28 #include "llvm/Support/GetElementPtrTypeIterator.h"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
30 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
31 #include "llvm/Target/TargetData.h"
32 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
33 #include "llvm/Support/Debug.h"
34 #include <algorithm>
35 #include <set>
36 using namespace llvm;
37
38 namespace {
39   Statistic<> NumReduced ("loop-reduce", "Number of GEPs strength reduced");
40   Statistic<> NumInserted("loop-reduce", "Number of PHIs inserted");
41   Statistic<> NumVariable("loop-reduce","Number of PHIs with variable strides");
42
43   /// IVStrideUse - Keep track of one use of a strided induction variable, where
44   /// the stride is stored externally.  The Offset member keeps track of the 
45   /// offset from the IV, User is the actual user of the operand, and 'Operand'
46   /// is the operand # of the User that is the use.
47   struct IVStrideUse {
48     SCEVHandle Offset;
49     Instruction *User;
50     Value *OperandValToReplace;
51
52     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
53     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
54     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
55     // instruction for a loop or uses dominated by the loop.
56     bool isUseOfPostIncrementedValue;
57     
58     IVStrideUse(const SCEVHandle &Offs, Instruction *U, Value *O)
59       : Offset(Offs), User(U), OperandValToReplace(O),
60         isUseOfPostIncrementedValue(false) {}
61   };
62   
63   /// IVUsersOfOneStride - This structure keeps track of all instructions that
64   /// have an operand that is based on the trip count multiplied by some stride.
65   /// The stride for all of these users is common and kept external to this
66   /// structure.
67   struct IVUsersOfOneStride {
68     /// Users - Keep track of all of the users of this stride as well as the
69     /// initial value and the operand that uses the IV.
70     std::vector<IVStrideUse> Users;
71     
72     void addUser(const SCEVHandle &Offset,Instruction *User, Value *Operand) {
73       Users.push_back(IVStrideUse(Offset, User, Operand));
74     }
75   };
76
77
78   class LoopStrengthReduce : public FunctionPass {
79     LoopInfo *LI;
80     DominatorSet *DS;
81     ScalarEvolution *SE;
82     const TargetData *TD;
83     const Type *UIntPtrTy;
84     bool Changed;
85
86     /// MaxTargetAMSize - This is the maximum power-of-two scale value that the
87     /// target can handle for free with its addressing modes.
88     unsigned MaxTargetAMSize;
89
90     /// IVUsesByStride - Keep track of all uses of induction variables that we
91     /// are interested in.  The key of the map is the stride of the access.
92     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride> IVUsesByStride;
93
94     /// CastedValues - As we need to cast values to uintptr_t, this keeps track
95     /// of the casted version of each value.  This is accessed by
96     /// getCastedVersionOf.
97     std::map<Value*, Value*> CastedPointers;
98
99     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
100     /// we can remove them after we are done working.
101     std::set<Instruction*> DeadInsts;
102   public:
103     LoopStrengthReduce(unsigned MTAMS = 1)
104       : MaxTargetAMSize(MTAMS) {
105     }
106
107     virtual bool runOnFunction(Function &) {
108       LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
109       DS = &getAnalysis<DominatorSet>();
110       SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
111       TD = &getAnalysis<TargetData>();
112       UIntPtrTy = TD->getIntPtrType();
113       Changed = false;
114
115       for (LoopInfo::iterator I = LI->begin(), E = LI->end(); I != E; ++I)
116         runOnLoop(*I);
117       
118       return Changed;
119     }
120
121     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
122       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
123       // many analyses if they are around.
124       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
125       AU.addPreserved<LoopInfo>();
126       AU.addPreserved<DominatorSet>();
127       AU.addPreserved<ImmediateDominators>();
128       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
129       AU.addPreserved<DominatorTree>();
130
131       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
132       AU.addRequired<LoopInfo>();
133       AU.addRequired<DominatorSet>();
134       AU.addRequired<TargetData>();
135       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
136     }
137     
138     /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
139     ///
140     Value *getCastedVersionOf(Value *V);
141 private:
142     void runOnLoop(Loop *L);
143     bool AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
144                                std::set<Instruction*> &Processed);
145     SCEVHandle GetExpressionSCEV(Instruction *E, Loop *L);
146
147     void OptimizeIndvars(Loop *L);
148
149     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
150                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
151                                       Loop *L, bool isOnlyStride);
152     void DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts);
153   };
154   RegisterOpt<LoopStrengthReduce> X("loop-reduce",
155                                     "Loop Strength Reduction");
156 }
157
158 FunctionPass *llvm::createLoopStrengthReducePass(unsigned MaxTargetAMSize) {
159   return new LoopStrengthReduce(MaxTargetAMSize);
160 }
161
162 /// getCastedVersionOf - Return the specified value casted to uintptr_t.
163 ///
164 Value *LoopStrengthReduce::getCastedVersionOf(Value *V) {
165   if (V->getType() == UIntPtrTy) return V;
166   if (Constant *CB = dyn_cast<Constant>(V))
167     return ConstantExpr::getCast(CB, UIntPtrTy);
168
169   Value *&New = CastedPointers[V];
170   if (New) return New;
171   
172   BasicBlock::iterator InsertPt;
173   if (Argument *Arg = dyn_cast<Argument>(V)) {
174     // Insert into the entry of the function, after any allocas.
175     InsertPt = Arg->getParent()->begin()->begin();
176     while (isa<AllocaInst>(InsertPt)) ++InsertPt;
177   } else {
178     if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(V)) {
179       InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
180     } else {
181       InsertPt = cast<Instruction>(V);
182       ++InsertPt;
183     }
184
185     // Do not insert casts into the middle of PHI node blocks.
186     while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
187   }
188   
189   New = new CastInst(V, UIntPtrTy, V->getName(), InsertPt);
190   DeadInsts.insert(cast<Instruction>(New));
191   return New;
192 }
193
194
195 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
196 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
197 /// their operands subsequently dead.
198 void LoopStrengthReduce::
199 DeleteTriviallyDeadInstructions(std::set<Instruction*> &Insts) {
200   while (!Insts.empty()) {
201     Instruction *I = *Insts.begin();
202     Insts.erase(Insts.begin());
203     if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
204       for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands(); i != e; ++i)
205         if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(I->getOperand(i)))
206           Insts.insert(U);
207       SE->deleteInstructionFromRecords(I);
208       I->eraseFromParent();
209       Changed = true;
210     }
211   }
212 }
213
214
215 /// GetExpressionSCEV - Compute and return the SCEV for the specified
216 /// instruction.
217 SCEVHandle LoopStrengthReduce::GetExpressionSCEV(Instruction *Exp, Loop *L) {
218   // Scalar Evolutions doesn't know how to compute SCEV's for GEP instructions.
219   // If this is a GEP that SE doesn't know about, compute it now and insert it.
220   // If this is not a GEP, or if we have already done this computation, just let
221   // SE figure it out.
222   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Exp);
223   if (!GEP || SE->hasSCEV(GEP))
224     return SE->getSCEV(Exp);
225     
226   // Analyze all of the subscripts of this getelementptr instruction, looking
227   // for uses that are determined by the trip count of L.  First, skip all
228   // operands the are not dependent on the IV.
229
230   // Build up the base expression.  Insert an LLVM cast of the pointer to
231   // uintptr_t first.
232   SCEVHandle GEPVal = SCEVUnknown::get(getCastedVersionOf(GEP->getOperand(0)));
233
234   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(GEP);
235   
236   for (unsigned i = 1, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i, ++GTI) {
237     // If this is a use of a recurrence that we can analyze, and it comes before
238     // Op does in the GEP operand list, we will handle this when we process this
239     // operand.
240     if (const StructType *STy = dyn_cast<StructType>(*GTI)) {
241       const StructLayout *SL = TD->getStructLayout(STy);
242       unsigned Idx = cast<ConstantUInt>(GEP->getOperand(i))->getValue();
243       uint64_t Offset = SL->MemberOffsets[Idx];
244       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal,
245                                 SCEVUnknown::getIntegerSCEV(Offset, UIntPtrTy));
246     } else {
247       Value *OpVal = getCastedVersionOf(GEP->getOperand(i));
248       SCEVHandle Idx = SE->getSCEV(OpVal);
249
250       uint64_t TypeSize = TD->getTypeSize(GTI.getIndexedType());
251       if (TypeSize != 1)
252         Idx = SCEVMulExpr::get(Idx,
253                                SCEVConstant::get(ConstantUInt::get(UIntPtrTy,
254                                                                    TypeSize)));
255       GEPVal = SCEVAddExpr::get(GEPVal, Idx);
256     }
257   }
258
259   SE->setSCEV(GEP, GEPVal);
260   return GEPVal;
261 }
262
263 /// getSCEVStartAndStride - Compute the start and stride of this expression,
264 /// returning false if the expression is not a start/stride pair, or true if it
265 /// is.  The stride must be a loop invariant expression, but the start may be
266 /// a mix of loop invariant and loop variant expressions.
267 static bool getSCEVStartAndStride(const SCEVHandle &SH, Loop *L,
268                                   SCEVHandle &Start, SCEVHandle &Stride) {
269   SCEVHandle TheAddRec = Start;   // Initialize to zero.
270
271   // If the outer level is an AddExpr, the operands are all start values except
272   // for a nested AddRecExpr.
273   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(SH)) {
274     for (unsigned i = 0, e = AE->getNumOperands(); i != e; ++i)
275       if (SCEVAddRecExpr *AddRec =
276              dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(AE->getOperand(i))) {
277         if (AddRec->getLoop() == L)
278           TheAddRec = SCEVAddExpr::get(AddRec, TheAddRec);
279         else
280           return false;  // Nested IV of some sort?
281       } else {
282         Start = SCEVAddExpr::get(Start, AE->getOperand(i));
283       }
284         
285   } else if (SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SH)) {
286     TheAddRec = SH;
287   } else {
288     return false;  // not analyzable.
289   }
290   
291   SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(TheAddRec);
292   if (!AddRec || AddRec->getLoop() != L) return false;
293   
294   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
295   if (!AddRec->isAffine()) return false;
296
297   Start = SCEVAddExpr::get(Start, AddRec->getOperand(0));
298   
299   if (!isa<SCEVConstant>(AddRec->getOperand(1)))
300     DEBUG(std::cerr << "[" << L->getHeader()->getName()
301                     << "] Variable stride: " << *AddRec << "\n");
302
303   Stride = AddRec->getOperand(1);
304   // Check that all constant strides are the unsigned type, we don't want to
305   // have two IV's one of signed stride 4 and one of unsigned stride 4 to not be
306   // merged.
307   assert((!isa<SCEVConstant>(Stride) || Stride->getType()->isUnsigned()) &&
308          "Constants should be canonicalized to unsigned!");
309
310   return true;
311 }
312
313 /// IVUseShouldUsePostIncValue - We have discovered a "User" of an IV expression
314 /// and now we need to decide whether the user should use the preinc or post-inc
315 /// value.  If this user should use the post-inc version of the IV, return true.
316 ///
317 /// Choosing wrong here can break dominance properties (if we choose to use the
318 /// post-inc value when we cannot) or it can end up adding extra live-ranges to
319 /// the loop, resulting in reg-reg copies (if we use the pre-inc value when we
320 /// should use the post-inc value).
321 static bool IVUseShouldUsePostIncValue(Instruction *User, Instruction *IV,
322                                        Loop *L, DominatorSet *DS) {
323   // If the user is in the loop, use the preinc value.
324   if (L->contains(User->getParent())) return false;
325   
326   // Ok, the user is outside of the loop.  If it is not dominated by the latch
327   // block, we have to use the preincremented value.
328   return DS->dominates(L->getLoopLatch(), User->getParent());
329 }
330
331   
332
333 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
334 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
335 /// return true.  Otherwise, return false.
336 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
337                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
338   if (I->getType() == Type::VoidTy) return false;
339   if (!Processed.insert(I).second)
340     return true;    // Instruction already handled.
341   
342   // Get the symbolic expression for this instruction.
343   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
344   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
345   
346   // Get the start and stride for this expression.
347   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
348   SCEVHandle Stride = Start;
349   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
350     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
351   
352   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;++UI){
353     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
354
355     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
356     if (isa<PHINode>(User) && Processed.count(User))
357       continue;
358
359     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
360     // don't recurse into it.
361     bool AddUserToIVUsers = false;
362     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
363       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER in other loop: " << *User
364             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
365       AddUserToIVUsers = true;
366     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
367       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER: " << *User
368             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
369       AddUserToIVUsers = true;
370     }
371
372     if (AddUserToIVUsers) {
373       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
374       // and decide what to do with it.  If we are a use inside of the loop, use
375       // the value before incrementation, otherwise use it after incrementation.
376       if (IVUseShouldUsePostIncValue(User, I, L, DS)) {
377         // The value used will be incremented by the stride more than we are
378         // expecting, so subtract this off.
379         SCEVHandle NewStart = SCEV::getMinusSCEV(Start, Stride);
380         IVUsesByStride[Stride].addUser(NewStart, User, I);
381         IVUsesByStride[Stride].Users.back().isUseOfPostIncrementedValue = true;
382       } else {        
383         IVUsesByStride[Stride].addUser(Start, User, I);
384       }
385     }
386   }
387   return true;
388 }
389
390 namespace {
391   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
392   /// partitioned the expression so far.
393   struct BasedUser {
394     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
395     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
396     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
397     /// field.
398     SCEVHandle Base;
399     
400     /// Inst - The instruction using the induction variable.
401     Instruction *Inst;
402
403     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
404     /// EmittedBase.
405     Value *OperandValToReplace;
406
407     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
408     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
409     /// instruction.
410     SCEVHandle Imm;
411
412     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
413     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
414     Value *EmittedBase;
415
416     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
417     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
418     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
419     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
420     // the loop.
421     bool isUseOfPostIncrementedValue;
422     
423     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
424       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
425         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
426         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
427         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
428
429     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
430     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
431     // to it.
432     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
433                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
434                                         Pass *P);
435
436     // Sort by the Base field.
437     bool operator<(const BasedUser &BU) const { return Base < BU.Base; }
438
439     void dump() const;
440   };
441 }
442
443 void BasedUser::dump() const {
444   std::cerr << " Base=" << *Base;
445   std::cerr << " Imm=" << *Imm;
446   if (EmittedBase)
447     std::cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
448
449   std::cerr << "   Inst: " << *Inst;
450 }
451
452 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
453 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
454 // to it.
455 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
456                                                SCEVExpander &Rewriter,
457                                                Loop *L, Pass *P) {
458   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
459     SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(NewBase, Imm);
460     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, Inst,
461                                            OperandValToReplace->getType());
462     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
463     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
464     DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
465     return;
466   }
467   
468   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
469   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
470   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
471   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
472   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
473   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
474   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
475   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
476     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
477       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
478       // code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this is the
479       // canonical backedge for this loop, as this can make some inserted code
480       // be in an illegal position.
481       BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
482       if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
483           (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
484
485         
486         // First step, split the critical edge.
487         SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P);
488             
489         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
490         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
491         // move the block to be immediately before the PHI block, not
492         // immediately after PredTI.
493         if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
494           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
495           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
496         }
497       }
498
499       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
500       if (!Code) {
501         // Insert the code into the end of the predecessor block.
502         BasicBlock::iterator InsertPt =PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
503       
504         SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(NewBase, Imm);
505         Code = Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, InsertPt,
506                                       OperandValToReplace->getType());
507       }
508       
509       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
510       PN->setIncomingValue(i, Code);
511       Rewriter.clear();
512     }
513   }
514   DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
515 }
516
517
518 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
519 /// immediate field of a target instruction.
520 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V) {
521
522   // FIXME: Look at the target to decide if &GV is a legal constant immediate.
523   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
524     // PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
525     if ((int64_t)SC->getValue()->getRawValue() > -(1 << 16) &&
526         (int64_t)SC->getValue()->getRawValue() < (1 << 16)-1)
527       return true;
528     return false;
529   }
530
531   return false;     // ENABLE this for x86
532
533   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
534     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
535       if (CE->getOpcode() == Instruction::Cast)
536         if (isa<GlobalValue>(CE->getOperand(0)))
537           // FIXME: should check to see that the dest is uintptr_t!
538           return true;
539   return false;
540 }
541
542 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
543 /// loop varying to the Imm operand.
544 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
545                                             Loop *L) {
546   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
547   
548   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
549     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
550     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
551     
552     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
553       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
554         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
555         // field of the expression.
556         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
557       } else {
558         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
559       }
560
561     if (NewOps.empty())
562       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
563     else
564       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
565   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
566     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
567     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
568     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
569     
570     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
571     Ops[0] = Start;
572     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
573   } else {
574     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
575     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
576     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
577   }
578 }
579
580
581 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
582 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
583 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
584 static void MoveImmediateValues(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
585                                 bool isAddress, Loop *L) {
586   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
587     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
588     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
589     
590     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
591       if (isAddress && isTargetConstant(SAE->getOperand(i))) {
592         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
593       } else if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
594         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
595         // field of the expression.
596         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
597       } else {
598         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
599       }
600
601     if (NewOps.empty())
602       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
603     else
604       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
605     return;
606   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
607     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
608     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
609     MoveImmediateValues(Start, Imm, isAddress, L);
610     
611     if (Start != SARE->getStart()) {
612       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
613       Ops[0] = Start;
614       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
615     }
616     return;
617   }
618
619   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
620   // expression.
621   if ((isAddress && isTargetConstant(Val)) ||
622       !Val->isLoopInvariant(L)) {
623     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
624     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
625     return;
626   }
627
628   // Otherwise, no immediates to move.
629 }
630
631
632 /// IncrementAddExprUses - Decompose the specified expression into its added
633 /// subexpressions, and increment SubExpressionUseCounts for each of these
634 /// decomposed parts.
635 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
636                              SCEVHandle Expr) {
637   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
638     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
639       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
640   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
641     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
642     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
643       SubExprs.push_back(Expr);
644     } else {
645       // Compute the addrec with zero as its base.
646       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
647       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
648       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
649       
650
651       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
652     }
653   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
654              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isNullValue()) {
655     // Do not add zero.
656     SubExprs.push_back(Expr);
657   }
658 }
659
660
661 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
662 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
663 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
664 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
665 static SCEVHandle 
666 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
667   unsigned NumUses = Uses.size();
668
669   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
670   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
671   SCEVHandle Result = Zero;
672   if (NumUses == 1) {
673     std::swap(Result, Uses[0].Base);
674     return Result;
675   }
676
677   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
678   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
679   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
680   
681   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
682   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
683     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
684     // CSEs we can find.
685     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
686
687     // Split the expression into subexprs.
688     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
689     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
690     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
691       SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]]++;
692     SubExprs.clear();
693   }
694
695
696   // Now that we know how many times each is used, build Result.
697   for (std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I =
698        SubExpressionUseCounts.begin(), E = SubExpressionUseCounts.end();
699        I != E; )
700     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
701       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
702       ++I;
703     } else {
704       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
705       SubExpressionUseCounts.erase(I++);
706     }
707   
708   // If we found no CSE's, return now.
709   if (Result == Zero) return Result;
710   
711   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
712   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
713     // Split the expression into subexprs.
714     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
715
716     // Remove any common subexpressions.
717     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
718       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
719         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
720         --j; --e;
721       }
722     
723     // Finally, the non-shared expressions together.
724     if (SubExprs.empty())
725       Uses[i].Base = Zero;
726     else
727       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
728     SubExprs.clear();
729   }
730  
731   return Result;
732 }
733
734
735 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
736 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
737 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
738 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
739                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
740                                                       Loop *L,
741                                                       bool isOnlyStride) {
742   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
743   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
744   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
745   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
746   // have the full access expression to rewrite the use.
747   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
748   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
749   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
750     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
751     
752     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
753     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
754     // computed.
755     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
756                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
757     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
758            "Base value is not loop invariant!");
759   }
760   
761   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
762   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
763   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
764   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
765   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
766   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
767   // UsersToProcess base values.
768   SCEVHandle CommonExprs = RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
769   
770   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
771   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
772   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
773   // of the remaining uses.
774   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
775     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
776     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
777     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
778     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
779       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
780                                                UsersToProcess[i].Base);
781       UsersToProcess[i].Base = 
782         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
783     } else {
784       
785       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
786       // the store is through the expression, not of the expression though.
787       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
788       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
789         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
790           isAddress = true;
791       
792       MoveImmediateValues(UsersToProcess[i].Base, UsersToProcess[i].Imm,
793                           isAddress, L);
794     }
795   }
796  
797   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
798   //
799   DEBUG(std::cerr << "INSERTING IV of STRIDE " << *Stride << " and BASE "
800         << *CommonExprs << " :\n");
801     
802   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
803   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
804   
805   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
806   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
807   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
808   
809   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
810   
811   // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
812   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
813   PHINode *NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
814   ++NumInserted;
815   
816   // Insert the stride into the preheader.
817   Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Stride, PreInsertPt,
818                                                    ReplacedTy);
819   if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
820
821
822   // Emit the initial base value into the loop preheader, and add it to the
823   // Phi node.
824   Value *PHIBaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
825                                                     ReplacedTy);
826   NewPHI->addIncoming(PHIBaseV, Preheader);
827   
828   // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
829   // latch block, and add it to the Phi node.
830   SCEVHandle IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI),
831                                        SCEVUnknown::get(StrideV));
832   
833   Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
834                                        ReplacedTy);
835   IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
836   NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
837
838   // Sort by the base value, so that all IVs with identical bases are next to
839   // each other.
840   std::sort(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end());
841   while (!UsersToProcess.empty()) {
842     SCEVHandle Base = UsersToProcess.front().Base;
843
844     DEBUG(std::cerr << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":\n");
845    
846     // Emit the code for Base into the preheader.
847     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
848                                                    ReplacedTy);
849     
850     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
851     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
852     // this by forcing a noop cast to be inserted into the preheader in this
853     // case.
854     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV))
855       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base)) {
856         // We want this constant emitted into the preheader!
857         BaseV = new CastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
858                              PreInsertPt);       
859       }
860     
861     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
862     // the instructions that we identified as using this stride and base.
863     while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.front().Base == Base) {
864       BasedUser &User = UsersToProcess.front();
865
866       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
867       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
868       Value *RewriteOp = NewPHI;
869       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
870         RewriteOp = IncV;
871
872         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
873         // loop to ensure it is dominated by the increment.
874         if (L->contains(User.Inst->getParent()))
875           User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
876       }
877       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
878
879       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
880       // to have the code emitted where we expect it.
881       Rewriter.clear();
882      
883       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
884       // immediate and any loop-variant expressions.
885       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isNullValue())
886         // Add BaseV to the PHI value if needed.
887         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
888       
889       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
890
891       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
892       // if we just replaced the last use of that value.
893       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
894
895       UsersToProcess.erase(UsersToProcess.begin());
896       ++NumReduced;
897     }
898     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
899   }
900
901   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
902   // different starting values, into different PHIs.
903 }
904
905 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
906 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
907 // common indvars for the different uses.
908 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
909   // TODO: implement optzns here.
910
911
912
913
914   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
915   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
916   // induction variable, to allow coallescing the live ranges for the IV into
917   // one register value.
918   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
919   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
920   BasicBlock *LatchBlock =
921    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
922   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
923   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() ||
924       !isa<SetCondInst>(TermBr->getCondition()))
925     return;
926   SetCondInst *Cond = cast<SetCondInst>(TermBr->getCondition());
927
928   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
929   IVStrideUse *CondUse = 0;
930   const SCEVHandle *CondStride = 0;
931
932   for (std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator 
933          I = IVUsesByStride.begin(), E = IVUsesByStride.end();
934        I != E && !CondUse; ++I)
935     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = I->second.Users.begin(),
936            E = I->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
937       if (UI->User == Cond) {
938         CondUse = &*UI;
939         CondStride = &I->first;
940         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
941         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
942         // occurs enough in real life to handle.
943         break;
944       }
945   if (!CondUse) return;  // setcc doesn't use the IV.
946
947   // setcc stride is complex, don't mess with users.
948   // FIXME: Evaluate whether this is a good idea or not.
949   if (!isa<SCEVConstant>(*CondStride)) return;
950
951   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
952   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
953   // the latch block branch, move it.
954   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
955     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
956       Cond->moveBefore(TermBr);
957     } else {
958       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
959       Cond = cast<SetCondInst>(Cond->clone());
960       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
961       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
962       
963       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
964       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
965                                          CondUse->OperandValToReplace);
966       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
967     }
968   }
969
970   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
971   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coallesce the
972   // live ranges for the IV correctly.
973   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
974   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
975 }
976
977 void LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L) {
978   // First step, transform all loops nesting inside of this loop.
979   for (LoopInfo::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
980     runOnLoop(*I);
981
982   // Next, find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
983   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
984   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
985   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
986   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
987     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
988
989   // If we have nothing to do, return.
990   if (IVUsesByStride.empty()) return;
991
992   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
993   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
994   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
995   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
996   OptimizeIndvars(L);
997
998
999   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
1000   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
1001
1002   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
1003   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
1004   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
1005   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
1006   // indvars.
1007
1008   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
1009   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
1010
1011   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
1012   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.
1013   for (std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI
1014         = IVUsesByStride.begin(), E = IVUsesByStride.end(); SI != E; ++SI)
1015     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
1016
1017   // Clean up after ourselves
1018   if (!DeadInsts.empty()) {
1019     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1020
1021     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
1022     PHINode *PN;
1023     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
1024       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
1025       
1026       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
1027       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
1028       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
1029       // indvar to be considered dead are:
1030       // 1. the cann indvar has one use
1031       // 2. the use is an add instruction
1032       // 3. the add has one use
1033       // 4. the add is used by the cann indvar
1034       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1035       // the cann indvar.
1036       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1037       // compared against some value to decide loop termination.
1038       if (PN->hasOneUse()) {
1039         BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(*(PN->use_begin()));
1040         if (BO && BO->hasOneUse()) {
1041           if (PN == *(BO->use_begin())) {
1042             DeadInsts.insert(BO);
1043             // Break the cycle, then delete the PHI.
1044             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1045             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1046             PN->eraseFromParent();
1047           }
1048         }
1049       }
1050     }
1051     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1052   }
1053
1054   CastedPointers.clear();
1055   IVUsesByStride.clear();
1056   return;
1057 }