implement Transforms/LoopStrengthReduce/dont-hoist-simple-loop-constants.ll.
[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.
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                                     "Strength Reduce GEP Uses of Ind. Vars");
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 /// AddUsersIfInteresting - Inspect the specified instruction.  If it is a
314 /// reducible SCEV, recursively add its users to the IVUsesByStride set and
315 /// return true.  Otherwise, return false.
316 bool LoopStrengthReduce::AddUsersIfInteresting(Instruction *I, Loop *L,
317                                             std::set<Instruction*> &Processed) {
318   if (I->getType() == Type::VoidTy) return false;
319   if (!Processed.insert(I).second)
320     return true;    // Instruction already handled.
321   
322   // Get the symbolic expression for this instruction.
323   SCEVHandle ISE = GetExpressionSCEV(I, L);
324   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(ISE)) return false;
325   
326   // Get the start and stride for this expression.
327   SCEVHandle Start = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, ISE->getType());
328   SCEVHandle Stride = Start;
329   if (!getSCEVStartAndStride(ISE, L, Start, Stride))
330     return false;  // Non-reducible symbolic expression, bail out.
331   
332   for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), E = I->use_end(); UI != E;++UI){
333     Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
334
335     // Do not infinitely recurse on PHI nodes.
336     if (isa<PHINode>(User) && User->getParent() == L->getHeader())
337       continue;
338
339     // If this is an instruction defined in a nested loop, or outside this loop,
340     // don't recurse into it.
341     bool AddUserToIVUsers = false;
342     if (LI->getLoopFor(User->getParent()) != L) {
343       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER in nested loop: " << *User
344             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
345       AddUserToIVUsers = true;
346     } else if (!AddUsersIfInteresting(User, L, Processed)) {
347       DEBUG(std::cerr << "FOUND USER: " << *User
348             << "   OF SCEV: " << *ISE << "\n");
349       AddUserToIVUsers = true;
350     }
351
352     if (AddUserToIVUsers) {
353       // Okay, we found a user that we cannot reduce.  Analyze the instruction
354       // and decide what to do with it.
355       IVUsesByStride[Stride].addUser(Start, User, I);
356     }
357   }
358   return true;
359 }
360
361 namespace {
362   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
363   /// partitioned the expression so far.
364   struct BasedUser {
365     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
366     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
367     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
368     /// field.
369     SCEVHandle Base;
370     
371     /// Inst - The instruction using the induction variable.
372     Instruction *Inst;
373
374     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
375     /// EmittedBase.
376     Value *OperandValToReplace;
377
378     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
379     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
380     /// instruction.
381     SCEVHandle Imm;
382
383     /// EmittedBase - The actual value* to use for the base value of this
384     /// operation.  This is null if we should just use zero so far.
385     Value *EmittedBase;
386
387     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
388     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
389     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
390     // instruction for a loop.
391     bool isUseOfPostIncrementedValue;
392     
393     BasedUser(IVStrideUse &IVSU)
394       : Base(IVSU.Offset), Inst(IVSU.User), 
395         OperandValToReplace(IVSU.OperandValToReplace), 
396         Imm(SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Base->getType())), EmittedBase(0),
397         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue) {}
398
399     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
400     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
401     // to it.
402     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
403                                         SCEVExpander &Rewriter, Loop *L,
404                                         Pass *P);
405
406     // Sort by the Base field.
407     bool operator<(const BasedUser &BU) const { return Base < BU.Base; }
408
409     void dump() const;
410   };
411 }
412
413 void BasedUser::dump() const {
414   std::cerr << " Base=" << *Base;
415   std::cerr << " Imm=" << *Imm;
416   if (EmittedBase)
417     std::cerr << "  EB=" << *EmittedBase;
418
419   std::cerr << "   Inst: " << *Inst;
420 }
421
422 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
423 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
424 // to it.
425 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
426                                                SCEVExpander &Rewriter,
427                                                Loop *L, Pass *P) {
428   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
429     SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(NewBase, Imm);
430     Value *NewVal = Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, Inst,
431                                            OperandValToReplace->getType());
432     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
433     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
434     DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
435     return;
436   }
437   
438   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
439   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
440   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
441   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
442   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
443   std::map<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
444   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
445   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
446     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
447       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert the
448       // code on all predecessor/successor paths.
449       if (e != 1 &&
450           PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1) {
451
452         // First step, split the critical edge.
453         SplitCriticalEdge(PN->getIncomingBlock(i), PN->getParent(), P);
454             
455         // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
456         // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
457         // move the block to be immediately before the PHI block, not
458         // immediately after PredTI.
459         if (L->contains(PN->getIncomingBlock(i)) &&
460             !L->contains(PN->getParent())) {
461           BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
462           NewBB->moveBefore(PN->getParent());
463         }
464         break;
465       }
466
467       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
468       if (!Code) {
469         // Insert the code into the end of the predecessor block.
470         BasicBlock::iterator InsertPt =PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator();
471       
472         SCEVHandle NewValSCEV = SCEVAddExpr::get(NewBase, Imm);
473         Code = Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, InsertPt,
474                                       OperandValToReplace->getType());
475       }
476       
477       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
478       PN->setIncomingValue(i, Code);
479       Rewriter.clear();
480     }
481   }
482   DEBUG(std::cerr << "    CHANGED: IMM =" << *Imm << "  Inst = " << *Inst);
483 }
484
485
486 /// isTargetConstant - Return true if the following can be referenced by the
487 /// immediate field of a target instruction.
488 static bool isTargetConstant(const SCEVHandle &V) {
489
490   // FIXME: Look at the target to decide if &GV is a legal constant immediate.
491   if (SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
492     // PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
493     if ((int64_t)SC->getValue()->getRawValue() > -(1 << 16) &&
494         (int64_t)SC->getValue()->getRawValue() < (1 << 16)-1)
495       return true;
496     return false;
497   }
498
499   return false;     // ENABLE this for x86
500
501   if (SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
502     if (ConstantExpr *CE = dyn_cast<ConstantExpr>(SU->getValue()))
503       if (CE->getOpcode() == Instruction::Cast)
504         if (isa<GlobalValue>(CE->getOperand(0)))
505           // FIXME: should check to see that the dest is uintptr_t!
506           return true;
507   return false;
508 }
509
510 /// MoveLoopVariantsToImediateField - Move any subexpressions from Val that are
511 /// loop varying to the Imm operand.
512 static void MoveLoopVariantsToImediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
513                                             Loop *L) {
514   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
515   
516   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
517     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
518     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
519     
520     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
521       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
522         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
523         // field of the expression.
524         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
525       } else {
526         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
527       }
528
529     if (NewOps.empty())
530       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
531     else
532       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
533   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
534     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
535     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
536     MoveLoopVariantsToImediateField(Start, Imm, L);
537     
538     std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
539     Ops[0] = Start;
540     Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
541   } else {
542     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
543     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
544     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
545   }
546 }
547
548
549 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
550 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
551 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
552 static void MoveImmediateValues(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
553                                 bool isAddress, Loop *L) {
554   if (SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
555     std::vector<SCEVHandle> NewOps;
556     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
557     
558     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
559       if (isAddress && isTargetConstant(SAE->getOperand(i))) {
560         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
561       } else if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
562         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
563         // field of the expression.
564         Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, SAE->getOperand(i));
565       } else {
566         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
567       }
568
569     if (NewOps.empty())
570       Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
571     else
572       Val = SCEVAddExpr::get(NewOps);
573     return;
574   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
575     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
576     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
577     MoveImmediateValues(Start, Imm, isAddress, L);
578     
579     if (Start != SARE->getStart()) {
580       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
581       Ops[0] = Start;
582       Val = SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop());
583     }
584     return;
585   }
586
587   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
588   // expression.
589   if ((isAddress && isTargetConstant(Val)) ||
590       !Val->isLoopInvariant(L)) {
591     Imm = SCEVAddExpr::get(Imm, Val);
592     Val = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Val->getType());
593     return;
594   }
595
596   // Otherwise, no immediates to move.
597 }
598
599
600 /// IncrementAddExprUses - Decompose the specified expression into its added
601 /// subexpressions, and increment SubExpressionUseCounts for each of these
602 /// decomposed parts.
603 static void SeparateSubExprs(std::vector<SCEVHandle> &SubExprs,
604                              SCEVHandle Expr) {
605   if (SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
606     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
607       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j));
608   } else if (SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
609     SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
610     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
611       SubExprs.push_back(Expr);
612     } else {
613       // Compute the addrec with zero as its base.
614       std::vector<SCEVHandle> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
615       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
616       SubExprs.push_back(SCEVAddRecExpr::get(Ops, SARE->getLoop()));
617       
618
619       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0));
620     }
621   } else if (!isa<SCEVConstant>(Expr) ||
622              !cast<SCEVConstant>(Expr)->getValue()->isNullValue()) {
623     // Do not add zero.
624     SubExprs.push_back(Expr);
625   }
626 }
627
628
629 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the uses in Bases,
630 /// removing any common subexpressions from it.  Anything truly common is
631 /// removed, accumulated, and returned.  This looks for things like (a+b+c) and
632 /// (a+c+d) -> (a+c).  The common expression is *removed* from the Bases.
633 static SCEVHandle 
634 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses) {
635   unsigned NumUses = Uses.size();
636
637   // Only one use?  Use its base, regardless of what it is!
638   SCEVHandle Zero = SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
639   SCEVHandle Result = Zero;
640   if (NumUses == 1) {
641     std::swap(Result, Uses[0].Base);
642     return Result;
643   }
644
645   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
646   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
647   std::map<SCEVHandle, unsigned> SubExpressionUseCounts;
648   
649   std::vector<SCEVHandle> SubExprs;
650   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
651     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
652     // CSEs we can find.
653     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
654
655     // Split the expression into subexprs.
656     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
657     // Add one to SubExpressionUseCounts for each subexpr present.
658     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
659       SubExpressionUseCounts[SubExprs[j]]++;
660     SubExprs.clear();
661   }
662
663
664   // Now that we know how many times each is used, build Result.
665   for (std::map<SCEVHandle, unsigned>::iterator I =
666        SubExpressionUseCounts.begin(), E = SubExpressionUseCounts.end();
667        I != E; )
668     if (I->second == NumUses) {  // Found CSE!
669       Result = SCEVAddExpr::get(Result, I->first);
670       ++I;
671     } else {
672       // Remove non-cse's from SubExpressionUseCounts.
673       SubExpressionUseCounts.erase(I++);
674     }
675   
676   // If we found no CSE's, return now.
677   if (Result == Zero) return Result;
678   
679   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
680   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
681     // Split the expression into subexprs.
682     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base);
683
684     // Remove any common subexpressions.
685     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
686       if (SubExpressionUseCounts.count(SubExprs[j])) {
687         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
688         --j; --e;
689       }
690     
691     // Finally, the non-shared expressions together.
692     if (SubExprs.empty())
693       Uses[i].Base = Zero;
694     else
695       Uses[i].Base = SCEVAddExpr::get(SubExprs);
696     SubExprs.clear();
697   }
698  
699   return Result;
700 }
701
702
703 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
704 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
705 /// may not be the only stride (we know it is if isOnlyStride is true).
706 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
707                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
708                                                       Loop *L,
709                                                       bool isOnlyStride) {
710   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
711   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
712   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
713   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
714   // have the full access expression to rewrite the use.
715   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
716   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
717   for (unsigned i = 0, e = Uses.Users.size(); i != e; ++i) {
718     UsersToProcess.push_back(Uses.Users[i]);
719     
720     // Move any loop invariant operands from the offset field to the immediate
721     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
722     // computed.
723     MoveLoopVariantsToImediateField(UsersToProcess.back().Base,
724                                     UsersToProcess.back().Imm, L);
725     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
726            "Base value is not loop invariant!");
727   }
728   
729   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
730   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
731   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
732   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
733   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
734   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
735   // UsersToProcess base values.
736   SCEVHandle CommonExprs = RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess);
737   
738   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
739   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
740   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
741   // of the remaining uses.
742   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
743     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
744     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
745     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
746     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
747       UsersToProcess[i].Imm = SCEVAddExpr::get(UsersToProcess[i].Imm,
748                                                UsersToProcess[i].Base);
749       UsersToProcess[i].Base = 
750         SCEVUnknown::getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
751     } else {
752       
753       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
754       // the store is through the expression, not of the expression though.
755       bool isAddress = isa<LoadInst>(UsersToProcess[i].Inst);
756       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(UsersToProcess[i].Inst))
757         if (SI->getOperand(1) == UsersToProcess[i].OperandValToReplace)
758           isAddress = true;
759       
760       MoveImmediateValues(UsersToProcess[i].Base, UsersToProcess[i].Imm,
761                           isAddress, L);
762     }
763   }
764  
765   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
766   //
767   DEBUG(std::cerr << "INSERTING IV of STRIDE " << *Stride << " and BASE "
768         << *CommonExprs << " :\n");
769     
770   SCEVExpander Rewriter(*SE, *LI);
771   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE, *LI);
772   
773   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
774   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
775   Instruction *PhiInsertBefore = L->getHeader()->begin();
776   
777   assert(isa<PHINode>(PhiInsertBefore) &&
778          "How could this loop have IV's without any phis?");
779   PHINode *SomeLoopPHI = cast<PHINode>(PhiInsertBefore);
780   assert(SomeLoopPHI->getNumIncomingValues() == 2 &&
781          "This loop isn't canonicalized right");
782   BasicBlock *LatchBlock =
783    SomeLoopPHI->getIncomingBlock(SomeLoopPHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
784   
785   // Create a new Phi for this base, and stick it in the loop header.
786   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
787   PHINode *NewPHI = new PHINode(ReplacedTy, "iv.", PhiInsertBefore);
788   ++NumInserted;
789   
790   // Insert the stride into the preheader.
791   Value *StrideV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Stride, PreInsertPt,
792                                                    ReplacedTy);
793   if (!isa<ConstantInt>(StrideV)) ++NumVariable;
794
795
796   // Emit the initial base value into the loop preheader, and add it to the
797   // Phi node.
798   Value *PHIBaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, PreInsertPt,
799                                                     ReplacedTy);
800   NewPHI->addIncoming(PHIBaseV, Preheader);
801   
802   // Emit the increment of the base value before the terminator of the loop
803   // latch block, and add it to the Phi node.
804   SCEVHandle IncExp = SCEVAddExpr::get(SCEVUnknown::get(NewPHI),
805                                        SCEVUnknown::get(StrideV));
806   
807   Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(IncExp, LatchBlock->getTerminator(),
808                                        ReplacedTy);
809   IncV->setName(NewPHI->getName()+".inc");
810   NewPHI->addIncoming(IncV, LatchBlock);
811
812   // Sort by the base value, so that all IVs with identical bases are next to
813   // each other.
814   std::sort(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end());
815   while (!UsersToProcess.empty()) {
816     SCEVHandle Base = UsersToProcess.front().Base;
817
818     DEBUG(std::cerr << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":\n");
819    
820     // Emit the code for Base into the preheader.
821     Value *BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, PreInsertPt,
822                                                    ReplacedTy);
823     
824     // If BaseV is a constant other than 0, make sure that it gets inserted into
825     // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We do
826     // this by forcing a noop cast to be inserted into the preheader in this
827     // case.
828     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(BaseV))
829       if (!C->isNullValue() && !isTargetConstant(Base)) {
830         // We want this constant emitted into the preheader!
831         BaseV = new CastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
832                              PreInsertPt);       
833       }
834     
835     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
836     // the instructions that we identified as using this stride and base.
837     while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.front().Base == Base) {
838       BasedUser &User = UsersToProcess.front();
839
840       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
841       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
842       Value *RewriteOp = NewPHI;
843       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
844         RewriteOp = IncV;
845         User.Inst->moveBefore(LatchBlock->getTerminator());
846       }
847       SCEVHandle RewriteExpr = SCEVUnknown::get(RewriteOp);
848
849       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
850       // to have the code emitted where we expect it.
851       Rewriter.clear();
852      
853       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
854       // immediate and any loop-variant expressions.
855       if (!isa<ConstantInt>(BaseV) || !cast<ConstantInt>(BaseV)->isNullValue())
856         // Add BaseV to the PHI value if needed.
857         RewriteExpr = SCEVAddExpr::get(RewriteExpr, SCEVUnknown::get(BaseV));
858       
859       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, Rewriter, L, this);
860
861       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is elminated
862       // if we just replaced the last use of that value.
863       DeadInsts.insert(cast<Instruction>(User.OperandValToReplace));
864
865       UsersToProcess.erase(UsersToProcess.begin());
866       ++NumReduced;
867     }
868     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
869   }
870
871   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
872   // different starting values, into different PHIs.
873 }
874
875 // OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
876 // uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
877 // common indvars for the different uses.
878 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
879   // TODO: implement optzns here.
880
881
882
883
884   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
885   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
886   // induction variable, to allow coallescing the live ranges for the IV into
887   // one register value.
888   PHINode *SomePHI = cast<PHINode>(L->getHeader()->begin());
889   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
890   BasicBlock *LatchBlock =
891    SomePHI->getIncomingBlock(SomePHI->getIncomingBlock(0) == Preheader);
892   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(LatchBlock->getTerminator());
893   if (!TermBr || TermBr->isUnconditional() ||
894       !isa<SetCondInst>(TermBr->getCondition()))
895     return;
896   SetCondInst *Cond = cast<SetCondInst>(TermBr->getCondition());
897
898   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
899   IVStrideUse *CondUse = 0;
900   const SCEVHandle *CondStride = 0;
901
902   for (std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator 
903          I = IVUsesByStride.begin(), E = IVUsesByStride.end();
904        I != E && !CondUse; ++I)
905     for (std::vector<IVStrideUse>::iterator UI = I->second.Users.begin(),
906            E = I->second.Users.end(); UI != E; ++UI)
907       if (UI->User == Cond) {
908         CondUse = &*UI;
909         CondStride = &I->first;
910         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
911         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
912         // occurs enough in real life to handle.
913         break;
914       }
915   if (!CondUse) return;  // setcc doesn't use the IV.
916
917   // setcc stride is complex, don't mess with users.
918   // FIXME: Evaluate whether this is a good idea or not.
919   if (!isa<SCEVConstant>(*CondStride)) return;
920
921   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
922   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
923   // the latch block branch, move it.
924   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
925     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
926       Cond->moveBefore(TermBr);
927     } else {
928       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
929       Cond = cast<SetCondInst>(Cond->clone());
930       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
931       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
932       
933       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
934       IVUsesByStride[*CondStride].addUser(CondUse->Offset, Cond,
935                                          CondUse->OperandValToReplace);
936       CondUse = &IVUsesByStride[*CondStride].Users.back();
937     }
938   }
939
940   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
941   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coallesce the
942   // live ranges for the IV correctly.
943   CondUse->Offset = SCEV::getMinusSCEV(CondUse->Offset, *CondStride);
944   CondUse->isUseOfPostIncrementedValue = true;
945 }
946
947 void LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L) {
948   // First step, transform all loops nesting inside of this loop.
949   for (LoopInfo::iterator I = L->begin(), E = L->end(); I != E; ++I)
950     runOnLoop(*I);
951
952   // Next, find all uses of induction variables in this loop, and catagorize
953   // them by stride.  Start by finding all of the PHI nodes in the header for
954   // this loop.  If they are induction variables, inspect their uses.
955   std::set<Instruction*> Processed;   // Don't reprocess instructions.
956   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin(); isa<PHINode>(I); ++I)
957     AddUsersIfInteresting(I, L, Processed);
958
959   // If we have nothing to do, return.
960   if (IVUsesByStride.empty()) return;
961
962   // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
963   // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
964   // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
965   // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
966   OptimizeIndvars(L);
967
968
969   // FIXME: We can widen subreg IV's here for RISC targets.  e.g. instead of
970   // doing computation in byte values, promote to 32-bit values if safe.
971
972   // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
973   // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should be
974   // codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.  Need
975   // to be careful that IV's are all the same type.  Only works for intptr_t
976   // indvars.
977
978   // If we only have one stride, we can more aggressively eliminate some things.
979   bool HasOneStride = IVUsesByStride.size() == 1;
980
981   // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users passed
982   // into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.
983   for (std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride>::iterator SI
984         = IVUsesByStride.begin(), E = IVUsesByStride.end(); SI != E; ++SI)
985     StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, SI->second, L, HasOneStride);
986
987   // Clean up after ourselves
988   if (!DeadInsts.empty()) {
989     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
990
991     BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
992     PHINode *PN;
993     while ((PN = dyn_cast<PHINode>(I))) {
994       ++I;  // Preincrement iterator to avoid invalidating it when deleting PN.
995       
996       // At this point, we know that we have killed one or more GEP
997       // instructions.  It is worth checking to see if the cann indvar is also
998       // dead, so that we can remove it as well.  The requirements for the cann
999       // indvar to be considered dead are:
1000       // 1. the cann indvar has one use
1001       // 2. the use is an add instruction
1002       // 3. the add has one use
1003       // 4. the add is used by the cann indvar
1004       // If all four cases above are true, then we can remove both the add and
1005       // the cann indvar.
1006       // FIXME: this needs to eliminate an induction variable even if it's being
1007       // compared against some value to decide loop termination.
1008       if (PN->hasOneUse()) {
1009         BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(*(PN->use_begin()));
1010         if (BO && BO->hasOneUse()) {
1011           if (PN == *(BO->use_begin())) {
1012             DeadInsts.insert(BO);
1013             // Break the cycle, then delete the PHI.
1014             PN->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(PN->getType()));
1015             SE->deleteInstructionFromRecords(PN);
1016             PN->eraseFromParent();
1017           }
1018         }
1019       }
1020     }
1021     DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
1022   }
1023
1024   CastedPointers.clear();
1025   IVUsesByStride.clear();
1026   return;
1027 }