Push LLVMContexts through the IntegerType APIs.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce IVs in Loops --------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into forms suitable for efficient execution
12 // on the target.
13 //
14 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
15 // have as one or more of their components the loop induction variable, it
16 // rewrites expressions to take advantage of scaled-index addressing modes
17 // available on the target, and it performs a variety of other optimizations
18 // related to loop induction variables.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21
22 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/Constants.h"
25 #include "llvm/Instructions.h"
26 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
27 #include "llvm/LLVMContext.h"
28 #include "llvm/Type.h"
29 #include "llvm/DerivedTypes.h"
30 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
31 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
33 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
34 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/AddrModeMatcher.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
37 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
38 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
39 #include "llvm/Support/CFG.h"
40 #include "llvm/Support/Debug.h"
41 #include "llvm/Support/Compiler.h"
42 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
43 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
44 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
45 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
46 #include <algorithm>
47 using namespace llvm;
48
49 STATISTIC(NumReduced ,    "Number of IV uses strength reduced");
50 STATISTIC(NumInserted,    "Number of PHIs inserted");
51 STATISTIC(NumVariable,    "Number of PHIs with variable strides");
52 STATISTIC(NumEliminated,  "Number of strides eliminated");
53 STATISTIC(NumShadow,      "Number of Shadow IVs optimized");
54 STATISTIC(NumImmSunk,     "Number of common expr immediates sunk into uses");
55 STATISTIC(NumLoopCond,    "Number of loop terminating conds optimized");
56
57 static cl::opt<bool> EnableFullLSRMode("enable-full-lsr",
58                                        cl::init(false),
59                                        cl::Hidden);
60
61 namespace {
62
63   struct BasedUser;
64
65   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
66   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
67   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
68   struct VISIBILITY_HIDDEN IVExpr {
69     const SCEV *Stride;
70     const SCEV *Base;
71     PHINode    *PHI;
72
73     IVExpr(const SCEV *const stride, const SCEV *const base, PHINode *phi)
74       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi) {}
75   };
76
77   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
78   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
79   struct VISIBILITY_HIDDEN IVsOfOneStride {
80     std::vector<IVExpr> IVs;
81
82     void addIV(const SCEV *const Stride, const SCEV *const Base, PHINode *PHI) {
83       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI));
84     }
85   };
86
87   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public LoopPass {
88     IVUsers *IU;
89     LoopInfo *LI;
90     DominatorTree *DT;
91     ScalarEvolution *SE;
92     bool Changed;
93
94     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
95     /// particular stride.
96     std::map<const SCEV *, IVsOfOneStride> IVsByStride;
97
98     /// StrideNoReuse - Keep track of all the strides whose ivs cannot be
99     /// reused (nor should they be rewritten to reuse other strides).
100     SmallSet<const SCEV *, 4> StrideNoReuse;
101
102     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
103     /// we can remove them after we are done working.
104     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
105
106     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
107     /// transformation profitability.
108     const TargetLowering *TLI;
109
110   public:
111     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
112     explicit LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL) : 
113       LoopPass(&ID), TLI(tli) {
114     }
115
116     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
117
118     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
119       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
120       // many analyses if they are around.
121       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
122       AU.addPreserved<LoopInfo>();
123       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
124       AU.addPreserved<DominatorTree>();
125
126       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
127       AU.addRequired<LoopInfo>();
128       AU.addRequired<DominatorTree>();
129       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
130       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
131       AU.addRequired<IVUsers>();
132       AU.addPreserved<IVUsers>();
133     }
134
135   private:
136     ICmpInst *ChangeCompareStride(Loop *L, ICmpInst *Cond,
137                                   IVStrideUse* &CondUse,
138                                   const SCEV *const *  &CondStride);
139
140     void OptimizeIndvars(Loop *L);
141     void OptimizeLoopCountIV(Loop *L);
142     void OptimizeLoopTermCond(Loop *L);
143
144     /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
145     /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
146     void OptimizeShadowIV(Loop *L);
147
148     /// OptimizeMax - Rewrite the loop's terminating condition
149     /// if it uses a max computation.
150     ICmpInst *OptimizeMax(Loop *L, ICmpInst *Cond,
151                           IVStrideUse* &CondUse);
152
153     bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
154                            const SCEV *const * &CondStride);
155     bool RequiresTypeConversion(const Type *Ty, const Type *NewTy);
156     const SCEV *CheckForIVReuse(bool, bool, bool, const SCEV *const&,
157                              IVExpr&, const Type*,
158                              const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
159     bool ValidScale(bool, int64_t,
160                     const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
161     bool ValidOffset(bool, int64_t, int64_t,
162                      const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
163     const SCEV *CollectIVUsers(const SCEV *const &Stride,
164                               IVUsersOfOneStride &Uses,
165                               Loop *L,
166                               bool &AllUsesAreAddresses,
167                               bool &AllUsesAreOutsideLoop,
168                               std::vector<BasedUser> &UsersToProcess);
169     bool ShouldUseFullStrengthReductionMode(
170                                 const std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
171                                 const Loop *L,
172                                 bool AllUsesAreAddresses,
173                                 const SCEV *Stride);
174     void PrepareToStrengthReduceFully(
175                              std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
176                              const SCEV *Stride,
177                              const SCEV *CommonExprs,
178                              const Loop *L,
179                              SCEVExpander &PreheaderRewriter);
180     void PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(
181                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
182                                          Value *CommonBaseV,
183                                          const IVExpr &ReuseIV,
184                                          Instruction *PreInsertPt);
185     void PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(
186                                   std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
187                                   const SCEV *Stride,
188                                   const SCEV *CommonExprs,
189                                   Value *CommonBaseV,
190                                   Instruction *IVIncInsertPt,
191                                   const Loop *L,
192                                   SCEVExpander &PreheaderRewriter);
193     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEV *const &Stride,
194                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
195                                       Loop *L);
196     void DeleteTriviallyDeadInstructions();
197   };
198 }
199
200 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
201 static RegisterPass<LoopStrengthReduce>
202 X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
203
204 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
205   return new LoopStrengthReduce(TLI);
206 }
207
208 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
209 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
210 /// their operands subsequently dead.
211 void LoopStrengthReduce::DeleteTriviallyDeadInstructions() {
212   if (DeadInsts.empty()) return;
213   
214   while (!DeadInsts.empty()) {
215     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.back());
216     DeadInsts.pop_back();
217     
218     if (I == 0 || !isInstructionTriviallyDead(I))
219       continue;
220
221     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
222       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
223         *OI = 0;
224         if (U->use_empty())
225           DeadInsts.push_back(U);
226       }
227     }
228     
229     I->eraseFromParent();
230     Changed = true;
231   }
232 }
233
234 /// containsAddRecFromDifferentLoop - Determine whether expression S involves a 
235 /// subexpression that is an AddRec from a loop other than L.  An outer loop 
236 /// of L is OK, but not an inner loop nor a disjoint loop.
237 static bool containsAddRecFromDifferentLoop(const SCEV *S, Loop *L) {
238   // This is very common, put it first.
239   if (isa<SCEVConstant>(S))
240     return false;
241   if (const SCEVCommutativeExpr *AE = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
242     for (unsigned int i=0; i< AE->getNumOperands(); i++)
243       if (containsAddRecFromDifferentLoop(AE->getOperand(i), L))
244         return true;
245     return false;
246   }
247   if (const SCEVAddRecExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
248     if (const Loop *newLoop = AE->getLoop()) {
249       if (newLoop == L)
250         return false;
251       // if newLoop is an outer loop of L, this is OK.
252       if (!LoopInfo::isNotAlreadyContainedIn(L, newLoop))
253         return false;
254     }
255     return true;
256   }
257   if (const SCEVUDivExpr *DE = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
258     return containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getLHS(), L) ||
259            containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getRHS(), L);
260 #if 0
261   // SCEVSDivExpr has been backed out temporarily, but will be back; we'll 
262   // need this when it is.
263   if (const SCEVSDivExpr *DE = dyn_cast<SCEVSDivExpr>(S))
264     return containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getLHS(), L) ||
265            containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getRHS(), L);
266 #endif
267   if (const SCEVCastExpr *CE = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
268     return containsAddRecFromDifferentLoop(CE->getOperand(), L);
269   return false;
270 }
271
272 /// isAddressUse - Returns true if the specified instruction is using the
273 /// specified value as an address.
274 static bool isAddressUse(Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
275   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
276   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
277     if (SI->getOperand(1) == OperandVal)
278       isAddress = true;
279   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
280     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
281     // of intrinsics.
282     switch (II->getIntrinsicID()) {
283       default: break;
284       case Intrinsic::prefetch:
285       case Intrinsic::x86_sse2_loadu_dq:
286       case Intrinsic::x86_sse2_loadu_pd:
287       case Intrinsic::x86_sse_loadu_ps:
288       case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
289       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
290       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
291       case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
292         if (II->getOperand(1) == OperandVal)
293           isAddress = true;
294         break;
295     }
296   }
297   return isAddress;
298 }
299
300 /// getAccessType - Return the type of the memory being accessed.
301 static const Type *getAccessType(const Instruction *Inst) {
302   const Type *AccessTy = Inst->getType();
303   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
304     AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
305   else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
306     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
307     // of intrinsics.
308     switch (II->getIntrinsicID()) {
309     default: break;
310     case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
311     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
312     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
313     case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
314       AccessTy = II->getOperand(1)->getType();
315       break;
316     }
317   }
318   return AccessTy;
319 }
320
321 namespace {
322   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
323   /// partitioned the expression so far.
324   struct BasedUser {
325     /// SE - The current ScalarEvolution object.
326     ScalarEvolution *SE;
327
328     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
329     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
330     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
331     /// field.
332     const SCEV *Base;
333     
334     /// Inst - The instruction using the induction variable.
335     Instruction *Inst;
336
337     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
338     /// EmittedBase.
339     Value *OperandValToReplace;
340
341     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
342     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
343     /// instruction.  This is also sometimes used for loop-variant values that
344     /// must be added inside the loop.
345     const SCEV *Imm;
346
347     /// Phi - The induction variable that performs the striding that
348     /// should be used for this user.
349     PHINode *Phi;
350
351     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
352     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
353     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
354     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
355     // the loop.
356     bool isUseOfPostIncrementedValue;
357     
358     BasedUser(IVStrideUse &IVSU, ScalarEvolution *se)
359       : SE(se), Base(IVSU.getOffset()), Inst(IVSU.getUser()),
360         OperandValToReplace(IVSU.getOperandValToReplace()),
361         Imm(SE->getIntegerSCEV(0, Base->getType())), 
362         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue()) {}
363
364     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
365     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
366     // to it.
367     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEV *const &NewBase,
368                                         Instruction *InsertPt,
369                                        SCEVExpander &Rewriter, Loop *L, Pass *P,
370                                         LoopInfo &LI,
371                                         SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
372     
373     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEV *const &NewBase, 
374                                        const Type *Ty,
375                                        SCEVExpander &Rewriter,
376                                        Instruction *IP, Loop *L,
377                                        LoopInfo &LI);
378     void dump() const;
379   };
380 }
381
382 void BasedUser::dump() const {
383   cerr << " Base=" << *Base;
384   cerr << " Imm=" << *Imm;
385   cerr << "   Inst: " << *Inst;
386 }
387
388 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEV *const &NewBase, 
389                                               const Type *Ty,
390                                               SCEVExpander &Rewriter,
391                                               Instruction *IP, Loop *L,
392                                               LoopInfo &LI) {
393   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
394   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
395   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
396   // many loops as possible.
397   Instruction *BaseInsertPt = IP;
398   
399   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
400   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
401   
402   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
403   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
404   if (L->contains(IP->getParent()))
405     while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
406       BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
407       InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
408     }
409   
410   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, 0, BaseInsertPt);
411
412   const SCEV *NewValSCEV = SE->getUnknown(Base);
413
414   // Always emit the immediate into the same block as the user.
415   NewValSCEV = SE->getAddExpr(NewValSCEV, Imm);
416
417   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, Ty, IP);
418 }
419
420
421 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
422 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
423 // to it. NewBasePt is the last instruction which contributes to the
424 // value of NewBase in the case that it's a diffferent instruction from
425 // the PHI that NewBase is computed from, or null otherwise.
426 //
427 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEV *const &NewBase,
428                                                Instruction *NewBasePt,
429                                       SCEVExpander &Rewriter, Loop *L, Pass *P,
430                                       LoopInfo &LI,
431                                       SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
432   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
433     // By default, insert code at the user instruction.
434     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
435     
436     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
437     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
438     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
439     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
440     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
441     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
442     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
443     // In this case, we have to back off.
444     //
445     // If this is a use outside the loop (which means after, since it is based
446     // on a loop indvar) we use the post-incremented value, so that we don't
447     // artificially make the preinc value live out the bottom of the loop. 
448     if (!isUseOfPostIncrementedValue && L->contains(Inst->getParent())) {
449       if (NewBasePt && isa<PHINode>(OperandValToReplace)) {
450         InsertPt = NewBasePt;
451         ++InsertPt;
452       } else if (Instruction *OpInst
453                  = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) {
454         InsertPt = OpInst;
455         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
456       }
457     }
458     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase,
459                                                 OperandValToReplace->getType(),
460                                                 Rewriter, InsertPt, L, LI);
461     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
462     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
463
464     DOUT << "      Replacing with ";
465     DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, NewVal, /*PrintType=*/false));
466     DOUT << ", which has value " << *NewBase << " plus IMM " << *Imm << "\n";
467     return;
468   }
469
470   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
471   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
472   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
473   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
474   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
475   DenseMap<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
476   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
477   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
478     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
479       // If the original expression is outside the loop, put the replacement
480       // code in the same place as the original expression,
481       // which need not be an immediate predecessor of this PHI.  This way we 
482       // need only one copy of it even if it is referenced multiple times in
483       // the PHI.  We don't do this when the original expression is inside the
484       // loop because multiple copies sometimes do useful sinking of code in
485       // that case(?).
486       Instruction *OldLoc = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace);
487       if (L->contains(OldLoc->getParent())) {
488         // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
489         // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
490         // is the canonical backedge for this loop, as this can make some
491         // inserted code be in an illegal position.
492         BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
493         if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
494             (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
495
496           // First step, split the critical edge.
497           SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, false);
498
499           // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
500           // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
501           // move the block to be immediately before the PHI block, not
502           // immediately after PredTI.
503           if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
504             BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
505             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
506           }
507
508           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
509           e = PN->getNumIncomingValues();
510         }
511       }
512       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
513       if (!Code) {
514         // Insert the code into the end of the predecessor block.
515         Instruction *InsertPt = (L->contains(OldLoc->getParent())) ?
516                                 PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator() :
517                                 OldLoc->getParent()->getTerminator();
518         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, PN->getType(),
519                                            Rewriter, InsertPt, L, LI);
520
521         DOUT << "      Changing PHI use to ";
522         DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, Code, /*PrintType=*/false));
523         DOUT << ", which has value " << *NewBase << " plus IMM " << *Imm << "\n";
524       }
525
526       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
527       PN->setIncomingValue(i, Code);
528       Rewriter.clear();
529     }
530   }
531
532   // PHI node might have become a constant value after SplitCriticalEdge.
533   DeadInsts.push_back(Inst);
534 }
535
536
537 /// fitsInAddressMode - Return true if V can be subsumed within an addressing
538 /// mode, and does not need to be put in a register first.
539 static bool fitsInAddressMode(const SCEV *const &V, const Type *AccessTy,
540                              const TargetLowering *TLI, bool HasBaseReg) {
541   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
542     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
543     if (TLI) {
544       TargetLowering::AddrMode AM;
545       AM.BaseOffs = VC;
546       AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
547       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
548     } else {
549       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
550       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
551     }
552   }
553
554   if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
555     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(SU->getValue())) {
556       if (TLI) {
557         TargetLowering::AddrMode AM;
558         AM.BaseGV = GV;
559         AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
560         return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
561       } else {
562         // Default: assume global addresses are not legal.
563       }
564     }
565
566   return false;
567 }
568
569 /// MoveLoopVariantsToImmediateField - Move any subexpressions from Val that are
570 /// loop varying to the Imm operand.
571 static void MoveLoopVariantsToImmediateField(const SCEV *&Val, const SCEV *&Imm,
572                                              Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
573   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
574   
575   if (const SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
576     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
577     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
578     
579     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
580       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
581         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
582         // field of the expression.
583         Imm = SE->getAddExpr(Imm, SAE->getOperand(i));
584       } else {
585         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
586       }
587
588     if (NewOps.empty())
589       Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
590     else
591       Val = SE->getAddExpr(NewOps);
592   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
593     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
594     const SCEV *Start = SARE->getStart();
595     MoveLoopVariantsToImmediateField(Start, Imm, L, SE);
596     
597     SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
598     Ops[0] = Start;
599     Val = SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop());
600   } else {
601     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
602     Imm = SE->getAddExpr(Imm, Val);
603     Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
604   }
605 }
606
607
608 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
609 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
610 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
611 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
612                                 const Type *AccessTy,
613                                 const SCEV *&Val, const SCEV *&Imm,
614                                 bool isAddress, Loop *L,
615                                 ScalarEvolution *SE) {
616   if (const SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
617     SmallVector<const SCEV *, 4> NewOps;
618     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
619     
620     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
621       const SCEV *NewOp = SAE->getOperand(i);
622       MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, NewOp, Imm, isAddress, L, SE);
623       
624       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
625         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
626         // field of the expression.
627         Imm = SE->getAddExpr(Imm, NewOp);
628       } else {
629         NewOps.push_back(NewOp);
630       }
631     }
632
633     if (NewOps.empty())
634       Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
635     else
636       Val = SE->getAddExpr(NewOps);
637     return;
638   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
639     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
640     const SCEV *Start = SARE->getStart();
641     MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, Start, Imm, isAddress, L, SE);
642     
643     if (Start != SARE->getStart()) {
644       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
645       Ops[0] = Start;
646       Val = SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop());
647     }
648     return;
649   } else if (const SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
650     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
651     if (isAddress &&
652         fitsInAddressMode(SME->getOperand(0), AccessTy, TLI, false) &&
653         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
654
655       const SCEV *SubImm = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
656       const SCEV *NewOp = SME->getOperand(1);
657       MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, NewOp, SubImm, isAddress, L, SE);
658       
659       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
660       // simplify this!
661       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
662         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
663         // good.
664         SubImm = SE->getMulExpr(SubImm, SME->getOperand(0));
665         if (fitsInAddressMode(SubImm, AccessTy, TLI, false)) {
666           // Accumulate the immediate.
667           Imm = SE->getAddExpr(Imm, SubImm);
668           
669           // Update what is left of 'Val'.
670           Val = SE->getMulExpr(SME->getOperand(0), NewOp);
671           return;
672         }
673       }
674     }
675   }
676
677   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
678   // expression.
679   if ((isAddress && fitsInAddressMode(Val, AccessTy, TLI, false)) ||
680       !Val->isLoopInvariant(L)) {
681     Imm = SE->getAddExpr(Imm, Val);
682     Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
683     return;
684   }
685
686   // Otherwise, no immediates to move.
687 }
688
689 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
690                                 Instruction *User,
691                                 const SCEV *&Val, const SCEV *&Imm,
692                                 bool isAddress, Loop *L,
693                                 ScalarEvolution *SE) {
694   const Type *AccessTy = getAccessType(User);
695   MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, Val, Imm, isAddress, L, SE);
696 }
697
698 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
699 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
700 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
701 static void SeparateSubExprs(SmallVector<const SCEV *, 16> &SubExprs,
702                              const SCEV *Expr,
703                              ScalarEvolution *SE) {
704   if (const SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
705     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
706       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j), SE);
707   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
708     const SCEV *Zero = SE->getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
709     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
710       SubExprs.push_back(Expr);
711     } else {
712       // Compute the addrec with zero as its base.
713       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
714       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
715       SubExprs.push_back(SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop()));
716       
717
718       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0), SE);
719     }
720   } else if (!Expr->isZero()) {
721     // Do not add zero.
722     SubExprs.push_back(Expr);
723   }
724 }
725
726 // This is logically local to the following function, but C++ says we have 
727 // to make it file scope.
728 struct SubExprUseData { unsigned Count; bool notAllUsesAreFree; };
729
730 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the Bases of all
731 /// the Uses, removing any common subexpressions, except that if all such
732 /// subexpressions can be folded into an addressing mode for all uses inside
733 /// the loop (this case is referred to as "free" in comments herein) we do
734 /// not remove anything.  This looks for things like (a+b+c) and
735 /// (a+c+d) and computes the common (a+c) subexpression.  The common expression
736 /// is *removed* from the Bases and returned.
737 static const SCEV *
738 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses,
739                                     ScalarEvolution *SE, Loop *L,
740                                     const TargetLowering *TLI) {
741   unsigned NumUses = Uses.size();
742
743   // Only one use?  This is a very common case, so we handle it specially and
744   // cheaply.
745   const SCEV *Zero = SE->getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
746   const SCEV *Result = Zero;
747   const SCEV *FreeResult = Zero;
748   if (NumUses == 1) {
749     // If the use is inside the loop, use its base, regardless of what it is:
750     // it is clearly shared across all the IV's.  If the use is outside the loop
751     // (which means after it) we don't want to factor anything *into* the loop,
752     // so just use 0 as the base.
753     if (L->contains(Uses[0].Inst->getParent()))
754       std::swap(Result, Uses[0].Base);
755     return Result;
756   }
757
758   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
759   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
760   // Also track whether all uses of each expression can be moved into an
761   // an addressing mode "for free"; such expressions are left within the loop.
762   // struct SubExprUseData { unsigned Count; bool notAllUsesAreFree; };
763   std::map<const SCEV *, SubExprUseData> SubExpressionUseData;
764   
765   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
766   // order we see them.
767   SmallVector<const SCEV *, 16> UniqueSubExprs;
768
769   SmallVector<const SCEV *, 16> SubExprs;
770   unsigned NumUsesInsideLoop = 0;
771   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
772     // If the user is outside the loop, just ignore it for base computation.
773     // Since the user is outside the loop, it must be *after* the loop (if it
774     // were before, it could not be based on the loop IV).  We don't want users
775     // after the loop to affect base computation of values *inside* the loop,
776     // because we can always add their offsets to the result IV after the loop
777     // is done, ensuring we get good code inside the loop.
778     if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent()))
779       continue;
780     NumUsesInsideLoop++;
781     
782     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
783     // CSEs we can find.
784     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
785
786     // If this use is as an address we may be able to put CSEs in the addressing
787     // mode rather than hoisting them.
788     bool isAddrUse = isAddressUse(Uses[i].Inst, Uses[i].OperandValToReplace);
789     // We may need the AccessTy below, but only when isAddrUse, so compute it
790     // only in that case.
791     const Type *AccessTy = 0;
792     if (isAddrUse)
793       AccessTy = getAccessType(Uses[i].Inst);
794
795     // Split the expression into subexprs.
796     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base, SE);
797     // Add one to SubExpressionUseData.Count for each subexpr present, and
798     // if the subexpr is not a valid immediate within an addressing mode use,
799     // set SubExpressionUseData.notAllUsesAreFree.  We definitely want to
800     // hoist these out of the loop (if they are common to all uses).
801     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j) {
802       if (++SubExpressionUseData[SubExprs[j]].Count == 1)
803         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
804       if (!isAddrUse || !fitsInAddressMode(SubExprs[j], AccessTy, TLI, false))
805         SubExpressionUseData[SubExprs[j]].notAllUsesAreFree = true;
806     }
807     SubExprs.clear();
808   }
809
810   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
811   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
812   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
813     std::map<const SCEV *, SubExprUseData>::iterator I = 
814        SubExpressionUseData.find(UniqueSubExprs[i]);
815     assert(I != SubExpressionUseData.end() && "Entry not found?");
816     if (I->second.Count == NumUsesInsideLoop) { // Found CSE! 
817       if (I->second.notAllUsesAreFree)
818         Result = SE->getAddExpr(Result, I->first);
819       else 
820         FreeResult = SE->getAddExpr(FreeResult, I->first);
821     } else
822       // Remove non-cse's from SubExpressionUseData.
823       SubExpressionUseData.erase(I);
824   }
825
826   if (FreeResult != Zero) {
827     // We have some subexpressions that can be subsumed into addressing
828     // modes in every use inside the loop.  However, it's possible that
829     // there are so many of them that the combined FreeResult cannot
830     // be subsumed, or that the target cannot handle both a FreeResult
831     // and a Result in the same instruction (for example because it would
832     // require too many registers).  Check this.
833     for (unsigned i=0; i<NumUses; ++i) {
834       if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent()))
835         continue;
836       // We know this is an addressing mode use; if there are any uses that
837       // are not, FreeResult would be Zero.
838       const Type *AccessTy = getAccessType(Uses[i].Inst);
839       if (!fitsInAddressMode(FreeResult, AccessTy, TLI, Result!=Zero)) {
840         // FIXME:  could split up FreeResult into pieces here, some hoisted
841         // and some not.  There is no obvious advantage to this.
842         Result = SE->getAddExpr(Result, FreeResult);
843         FreeResult = Zero;
844         break;
845       }
846     }
847   }
848
849   // If we found no CSE's, return now.
850   if (Result == Zero) return Result;
851   
852   // If we still have a FreeResult, remove its subexpressions from
853   // SubExpressionUseData.  This means they will remain in the use Bases.
854   if (FreeResult != Zero) {
855     SeparateSubExprs(SubExprs, FreeResult, SE);
856     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j) {
857       std::map<const SCEV *, SubExprUseData>::iterator I = 
858          SubExpressionUseData.find(SubExprs[j]);
859       SubExpressionUseData.erase(I);
860     }
861     SubExprs.clear();
862   }
863
864   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
865   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
866     // Uses outside the loop don't necessarily include the common base, but
867     // the final IV value coming into those uses does.  Instead of trying to
868     // remove the pieces of the common base, which might not be there,
869     // subtract off the base to compensate for this.
870     if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent())) {
871       Uses[i].Base = SE->getMinusSCEV(Uses[i].Base, Result);
872       continue;
873     }
874
875     // Split the expression into subexprs.
876     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base, SE);
877
878     // Remove any common subexpressions.
879     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
880       if (SubExpressionUseData.count(SubExprs[j])) {
881         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
882         --j; --e;
883       }
884     
885     // Finally, add the non-shared expressions together.
886     if (SubExprs.empty())
887       Uses[i].Base = Zero;
888     else
889       Uses[i].Base = SE->getAddExpr(SubExprs);
890     SubExprs.clear();
891   }
892  
893   return Result;
894 }
895
896 /// ValidScale - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
897 /// stores in UsersToProcess.
898 ///
899 bool LoopStrengthReduce::ValidScale(bool HasBaseReg, int64_t Scale,
900                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
901   if (!TLI)
902     return true;
903
904   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
905     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
906     const Type *AccessTy =
907         Type::getVoidTy(UsersToProcess[i].Inst->getContext());
908     if (isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
909                      UsersToProcess[i].OperandValToReplace))
910       AccessTy = getAccessType(UsersToProcess[i].Inst);
911     else if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst))
912       continue;
913     
914     TargetLowering::AddrMode AM;
915     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
916       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
917     AM.HasBaseReg = HasBaseReg || !UsersToProcess[i].Base->isZero();
918     AM.Scale = Scale;
919
920     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
921     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
922       return false;
923   }
924   return true;
925 }
926
927 /// ValidOffset - Check whether the given Offset is valid for all loads and
928 /// stores in UsersToProcess.
929 ///
930 bool LoopStrengthReduce::ValidOffset(bool HasBaseReg,
931                                int64_t Offset,
932                                int64_t Scale,
933                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
934   if (!TLI)
935     return true;
936
937   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
938     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
939     const Type *AccessTy =
940         Type::getVoidTy(UsersToProcess[i].Inst->getContext());
941     if (isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
942                      UsersToProcess[i].OperandValToReplace))
943       AccessTy = getAccessType(UsersToProcess[i].Inst);
944     else if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst))
945       continue;
946
947     TargetLowering::AddrMode AM;
948     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
949       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
950     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + (uint64_t)Offset;
951     AM.HasBaseReg = HasBaseReg || !UsersToProcess[i].Base->isZero();
952     AM.Scale = Scale;
953
954     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
955     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
956       return false;
957   }
958   return true;
959 }
960
961 /// RequiresTypeConversion - Returns true if converting Ty1 to Ty2 is not
962 /// a nop.
963 bool LoopStrengthReduce::RequiresTypeConversion(const Type *Ty1,
964                                                 const Type *Ty2) {
965   if (Ty1 == Ty2)
966     return false;
967   Ty1 = SE->getEffectiveSCEVType(Ty1);
968   Ty2 = SE->getEffectiveSCEVType(Ty2);
969   if (Ty1 == Ty2)
970     return false;
971   if (Ty1->canLosslesslyBitCastTo(Ty2))
972     return false;
973   if (TLI && TLI->isTruncateFree(Ty1, Ty2))
974     return false;
975   return true;
976 }
977
978 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
979 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
980 /// mode scale component and optional base reg. This allows the users of
981 /// this stride to be rewritten as prev iv * factor. It returns 0 if no
982 /// reuse is possible.  Factors can be negative on same targets, e.g. ARM.
983 ///
984 /// If all uses are outside the loop, we don't require that all multiplies
985 /// be folded into the addressing mode, nor even that the factor be constant; 
986 /// a multiply (executed once) outside the loop is better than another IV 
987 /// within.  Well, usually.
988 const SCEV *LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(bool HasBaseReg,
989                                 bool AllUsesAreAddresses,
990                                 bool AllUsesAreOutsideLoop,
991                                 const SCEV *const &Stride, 
992                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
993                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
994   if (StrideNoReuse.count(Stride))
995     return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
996
997   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
998     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
999     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1000          NewStride != e; ++NewStride) {
1001       std::map<const SCEV *, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1002                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1003       if (SI == IVsByStride.end() || !isa<SCEVConstant>(SI->first) ||
1004           StrideNoReuse.count(SI->first))
1005         continue;
1006       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1007       if (SI->first != Stride &&
1008           (unsigned(abs64(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
1009         continue;
1010       int64_t Scale = SInt / SSInt;
1011       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
1012       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
1013       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
1014       // anyway. If the scale is 1, then we don't need to worry about folding
1015       // multiplications.
1016       if (Scale == 1 ||
1017           (AllUsesAreAddresses &&
1018            ValidScale(HasBaseReg, Scale, UsersToProcess))) {
1019         // Prefer to reuse an IV with a base of zero.
1020         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1021                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1022           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion
1023           // and if the base difference can be folded.
1024           if (II->Base->isZero() &&
1025               !RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1026             IV = *II;
1027             return SE->getIntegerSCEV(Scale, Stride->getType());
1028           }
1029         // Otherwise, settle for an IV with a foldable base.
1030         if (AllUsesAreAddresses)
1031           for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1032                  IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1033             // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion
1034             // and if the base difference can be folded.
1035             if (SE->getEffectiveSCEVType(II->Base->getType()) ==
1036                 SE->getEffectiveSCEVType(Ty) &&
1037                 isa<SCEVConstant>(II->Base)) {
1038               int64_t Base =
1039                 cast<SCEVConstant>(II->Base)->getValue()->getSExtValue();
1040               if (Base > INT32_MIN && Base <= INT32_MAX &&
1041                   ValidOffset(HasBaseReg, -Base * Scale,
1042                               Scale, UsersToProcess)) {
1043                 IV = *II;
1044                 return SE->getIntegerSCEV(Scale, Stride->getType());
1045               }
1046             }
1047       }
1048     }
1049   } else if (AllUsesAreOutsideLoop) {
1050     // Accept nonconstant strides here; it is really really right to substitute
1051     // an existing IV if we can.
1052     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1053          NewStride != e; ++NewStride) {
1054       std::map<const SCEV *, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1055                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1056       if (SI == IVsByStride.end() || !isa<SCEVConstant>(SI->first))
1057         continue;
1058       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1059       if (SI->first != Stride && SSInt != 1)
1060         continue;
1061       for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1062              IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1063         // Accept nonzero base here.
1064         // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
1065         if (!RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1066           IV = *II;
1067           return Stride;
1068         }
1069     }
1070     // Special case, old IV is -1*x and this one is x.  Can treat this one as
1071     // -1*old.
1072     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1073          NewStride != e; ++NewStride) {
1074       std::map<const SCEV *, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1075                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1076       if (SI == IVsByStride.end()) 
1077         continue;
1078       if (const SCEVMulExpr *ME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(SI->first))
1079         if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ME->getOperand(0)))
1080           if (Stride == ME->getOperand(1) &&
1081               SC->getValue()->getSExtValue() == -1LL)
1082             for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1083                    IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1084               // Accept nonzero base here.
1085               // Only reuse previous IV if it would not require type conversion.
1086               if (!RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1087                 IV = *II;
1088                 return SE->getIntegerSCEV(-1LL, Stride->getType());
1089               }
1090     }
1091   }
1092   return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1093 }
1094
1095 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
1096 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
1097 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
1098   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
1099 }
1100
1101 /// isNonConstantNegative - Return true if the specified scev is negated, but
1102 /// not a constant.
1103 static bool isNonConstantNegative(const SCEV *const &Expr) {
1104   const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Expr);
1105   if (!Mul) return false;
1106   
1107   // If there is a constant factor, it will be first.
1108   const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0));
1109   if (!SC) return false;
1110   
1111   // Return true if the value is negative, this matches things like (-42 * V).
1112   return SC->getValue()->getValue().isNegative();
1113 }
1114
1115 /// CollectIVUsers - Transform our list of users and offsets to a bit more
1116 /// complex table. In this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base', the base
1117 /// of the strided accesses, as well as the old information from Uses. We
1118 /// progressively move information from the Base field to the Imm field, until
1119 /// we eventually have the full access expression to rewrite the use.
1120 const SCEV *LoopStrengthReduce::CollectIVUsers(const SCEV *const &Stride,
1121                                               IVUsersOfOneStride &Uses,
1122                                               Loop *L,
1123                                               bool &AllUsesAreAddresses,
1124                                               bool &AllUsesAreOutsideLoop,
1125                                        std::vector<BasedUser> &UsersToProcess) {
1126   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
1127   if (!Stride->isLoopInvariant(L))
1128     return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1129
1130   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
1131   for (ilist<IVStrideUse>::iterator I = Uses.Users.begin(),
1132        E = Uses.Users.end(); I != E; ++I) {
1133     UsersToProcess.push_back(BasedUser(*I, SE));
1134
1135     // Move any loop variant operands from the offset field to the immediate
1136     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1137     // computed.
1138     MoveLoopVariantsToImmediateField(UsersToProcess.back().Base,
1139                                      UsersToProcess.back().Imm, L, SE);
1140     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1141            "Base value is not loop invariant!");
1142   }
1143
1144   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1145   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1146   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1147   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1148   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1149   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1150   // UsersToProcess base values.
1151   const SCEV *CommonExprs =
1152     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess, SE, L, TLI);
1153
1154   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1155   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1156   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1157   // of the remaining uses.
1158   unsigned NumPHI = 0;
1159   bool HasAddress = false;
1160   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1161     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1162     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1163     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1164     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1165       UsersToProcess[i].Imm = SE->getAddExpr(UsersToProcess[i].Imm,
1166                                              UsersToProcess[i].Base);
1167       UsersToProcess[i].Base = 
1168         SE->getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1169     } else {
1170       // Not all uses are outside the loop.
1171       AllUsesAreOutsideLoop = false; 
1172
1173       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1174       // the store is through the expression, not of the expression though.
1175       bool isPHI = false;
1176       bool isAddress = isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
1177                                     UsersToProcess[i].OperandValToReplace);
1178       if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1179         isPHI = true;
1180         ++NumPHI;
1181       }
1182
1183       if (isAddress)
1184         HasAddress = true;
1185      
1186       // If this use isn't an address, then not all uses are addresses.
1187       if (!isAddress && !isPHI)
1188         AllUsesAreAddresses = false;
1189       
1190       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1191                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L, SE);
1192     }
1193   }
1194
1195   // If one of the use is a PHI node and all other uses are addresses, still
1196   // allow iv reuse. Essentially we are trading one constant multiplication
1197   // for one fewer iv.
1198   if (NumPHI > 1)
1199     AllUsesAreAddresses = false;
1200     
1201   // There are no in-loop address uses.
1202   if (AllUsesAreAddresses && (!HasAddress && !AllUsesAreOutsideLoop))
1203     AllUsesAreAddresses = false;
1204
1205   return CommonExprs;
1206 }
1207
1208 /// ShouldUseFullStrengthReductionMode - Test whether full strength-reduction
1209 /// is valid and profitable for the given set of users of a stride. In
1210 /// full strength-reduction mode, all addresses at the current stride are
1211 /// strength-reduced all the way down to pointer arithmetic.
1212 ///
1213 bool LoopStrengthReduce::ShouldUseFullStrengthReductionMode(
1214                                    const std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1215                                    const Loop *L,
1216                                    bool AllUsesAreAddresses,
1217                                    const SCEV *Stride) {
1218   if (!EnableFullLSRMode)
1219     return false;
1220
1221   // The heuristics below aim to avoid increasing register pressure, but
1222   // fully strength-reducing all the addresses increases the number of
1223   // add instructions, so don't do this when optimizing for size.
1224   // TODO: If the loop is large, the savings due to simpler addresses
1225   // may oughtweight the costs of the extra increment instructions.
1226   if (L->getHeader()->getParent()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
1227     return false;
1228
1229   // TODO: For now, don't do full strength reduction if there could
1230   // potentially be greater-stride multiples of the current stride
1231   // which could reuse the current stride IV.
1232   if (IU->StrideOrder.back() != Stride)
1233     return false;
1234
1235   // Iterate through the uses to find conditions that automatically rule out
1236   // full-lsr mode.
1237   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ) {
1238     const SCEV *Base = UsersToProcess[i].Base;
1239     const SCEV *Imm = UsersToProcess[i].Imm;
1240     // If any users have a loop-variant component, they can't be fully
1241     // strength-reduced.
1242     if (Imm && !Imm->isLoopInvariant(L))
1243       return false;
1244     // If there are to users with the same base and the difference between
1245     // the two Imm values can't be folded into the address, full
1246     // strength reduction would increase register pressure.
1247     do {
1248       const SCEV *CurImm = UsersToProcess[i].Imm;
1249       if ((CurImm || Imm) && CurImm != Imm) {
1250         if (!CurImm) CurImm = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1251         if (!Imm)       Imm = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1252         const Instruction *Inst = UsersToProcess[i].Inst;
1253         const Type *AccessTy = getAccessType(Inst);
1254         const SCEV *Diff = SE->getMinusSCEV(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1255         if (!Diff->isZero() &&
1256             (!AllUsesAreAddresses ||
1257              !fitsInAddressMode(Diff, AccessTy, TLI, /*HasBaseReg=*/true)))
1258           return false;
1259       }
1260     } while (++i != e && Base == UsersToProcess[i].Base);
1261   }
1262
1263   // If there's exactly one user in this stride, fully strength-reducing it
1264   // won't increase register pressure. If it's starting from a non-zero base,
1265   // it'll be simpler this way.
1266   if (UsersToProcess.size() == 1 && !UsersToProcess[0].Base->isZero())
1267     return true;
1268
1269   // Otherwise, if there are any users in this stride that don't require
1270   // a register for their base, full strength-reduction will increase
1271   // register pressure.
1272   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1273     if (UsersToProcess[i].Base->isZero())
1274       return false;
1275
1276   // Otherwise, go for it.
1277   return true;
1278 }
1279
1280 /// InsertAffinePhi Create and insert a PHI node for an induction variable
1281 /// with the specified start and step values in the specified loop.
1282 ///
1283 /// If NegateStride is true, the stride should be negated by using a
1284 /// subtract instead of an add.
1285 ///
1286 /// Return the created phi node.
1287 ///
1288 static PHINode *InsertAffinePhi(const SCEV *Start, const SCEV *Step,
1289                                 Instruction *IVIncInsertPt,
1290                                 const Loop *L,
1291                                 SCEVExpander &Rewriter) {
1292   assert(Start->isLoopInvariant(L) && "New PHI start is not loop invariant!");
1293   assert(Step->isLoopInvariant(L) && "New PHI stride is not loop invariant!");
1294
1295   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1296   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1297   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1298   const Type *Ty = Start->getType();
1299   Ty = Rewriter.SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1300
1301   PHINode *PN = PHINode::Create(Ty, "lsr.iv", Header->begin());
1302   PN->addIncoming(Rewriter.expandCodeFor(Start, Ty, Preheader->getTerminator()),
1303                   Preheader);
1304
1305   // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the
1306   // increment.
1307   bool isNegative = isNonConstantNegative(Step);
1308   const SCEV *IncAmount = Step;
1309   if (isNegative)
1310     IncAmount = Rewriter.SE.getNegativeSCEV(Step);
1311
1312   // Insert an add instruction right before the terminator corresponding
1313   // to the back-edge or just before the only use. The location is determined
1314   // by the caller and passed in as IVIncInsertPt.
1315   Value *StepV = Rewriter.expandCodeFor(IncAmount, Ty,
1316                                         Preheader->getTerminator());
1317   Instruction *IncV;
1318   if (isNegative) {
1319     IncV = BinaryOperator::CreateSub(PN, StepV, "lsr.iv.next",
1320                                      IVIncInsertPt);
1321   } else {
1322     IncV = BinaryOperator::CreateAdd(PN, StepV, "lsr.iv.next",
1323                                      IVIncInsertPt);
1324   }
1325   if (!isa<ConstantInt>(StepV)) ++NumVariable;
1326
1327   PN->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1328
1329   ++NumInserted;
1330   return PN;
1331 }
1332
1333 static void SortUsersToProcess(std::vector<BasedUser> &UsersToProcess) {
1334   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1335   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1336   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1337   // vector (so we handle them first).
1338   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1339                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1340
1341   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1342   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1343   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1344   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1345   //
1346   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1347   // const SCEV *'s don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1348   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1349   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1350   // ==.
1351   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1352     // Get a base value.
1353     const SCEV *Base = UsersToProcess[i].Base;
1354
1355     // Compact everything with this base to be consecutive with this one.
1356     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1357       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1358         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1359         ++i;
1360       }
1361     }
1362   }
1363 }
1364
1365 /// PrepareToStrengthReduceFully - Prepare to fully strength-reduce
1366 /// UsersToProcess, meaning lowering addresses all the way down to direct
1367 /// pointer arithmetic.
1368 ///
1369 void
1370 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceFully(
1371                                         std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1372                                         const SCEV *Stride,
1373                                         const SCEV *CommonExprs,
1374                                         const Loop *L,
1375                                         SCEVExpander &PreheaderRewriter) {
1376   DOUT << "  Fully reducing all users\n";
1377
1378   // Rewrite the UsersToProcess records, creating a separate PHI for each
1379   // unique Base value.
1380   Instruction *IVIncInsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
1381   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ) {
1382     // TODO: The uses are grouped by base, but not sorted. We arbitrarily
1383     // pick the first Imm value here to start with, and adjust it for the
1384     // other uses.
1385     const SCEV *Imm = UsersToProcess[i].Imm;
1386     const SCEV *Base = UsersToProcess[i].Base;
1387     const SCEV *Start = SE->getAddExpr(CommonExprs, Base, Imm);
1388     PHINode *Phi = InsertAffinePhi(Start, Stride, IVIncInsertPt, L,
1389                                    PreheaderRewriter);
1390     // Loop over all the users with the same base.
1391     do {
1392       UsersToProcess[i].Base = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1393       UsersToProcess[i].Imm = SE->getMinusSCEV(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1394       UsersToProcess[i].Phi = Phi;
1395       assert(UsersToProcess[i].Imm->isLoopInvariant(L) &&
1396              "ShouldUseFullStrengthReductionMode should reject this!");
1397     } while (++i != e && Base == UsersToProcess[i].Base);
1398   }
1399 }
1400
1401 /// FindIVIncInsertPt - Return the location to insert the increment instruction.
1402 /// If the only use if a use of postinc value, (must be the loop termination
1403 /// condition), then insert it just before the use.
1404 static Instruction *FindIVIncInsertPt(std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1405                                       const Loop *L) {
1406   if (UsersToProcess.size() == 1 &&
1407       UsersToProcess[0].isUseOfPostIncrementedValue &&
1408       L->contains(UsersToProcess[0].Inst->getParent()))
1409     return UsersToProcess[0].Inst;
1410   return L->getLoopLatch()->getTerminator();
1411 }
1412
1413 /// PrepareToStrengthReduceWithNewPhi - Insert a new induction variable for the
1414 /// given users to share.
1415 ///
1416 void
1417 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(
1418                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1419                                          const SCEV *Stride,
1420                                          const SCEV *CommonExprs,
1421                                          Value *CommonBaseV,
1422                                          Instruction *IVIncInsertPt,
1423                                          const Loop *L,
1424                                          SCEVExpander &PreheaderRewriter) {
1425   DOUT << "  Inserting new PHI:\n";
1426
1427   PHINode *Phi = InsertAffinePhi(SE->getUnknown(CommonBaseV),
1428                                  Stride, IVIncInsertPt, L,
1429                                  PreheaderRewriter);
1430
1431   // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1432   IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, Phi);
1433
1434   // All the users will share this new IV.
1435   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1436     UsersToProcess[i].Phi = Phi;
1437
1438   DOUT << "    IV=";
1439   DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, Phi, /*PrintType=*/false));
1440   DOUT << "\n";
1441 }
1442
1443 /// PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride - Prepare for the given users to
1444 /// reuse an induction variable with a stride that is a factor of the current
1445 /// induction variable.
1446 ///
1447 void
1448 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(
1449                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1450                                          Value *CommonBaseV,
1451                                          const IVExpr &ReuseIV,
1452                                          Instruction *PreInsertPt) {
1453   DOUT << "  Rewriting in terms of existing IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1454        << " and BASE " << *ReuseIV.Base << "\n";
1455
1456   // All the users will share the reused IV.
1457   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1458     UsersToProcess[i].Phi = ReuseIV.PHI;
1459
1460   Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1461   if (C &&
1462       (!C->isNullValue() &&
1463        !fitsInAddressMode(SE->getUnknown(CommonBaseV), CommonBaseV->getType(),
1464                          TLI, false)))
1465     // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1466     // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1467     CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(),
1468                                   "commonbase", PreInsertPt);
1469 }
1470
1471 static bool IsImmFoldedIntoAddrMode(GlobalValue *GV, int64_t Offset,
1472                                     const Type *AccessTy,
1473                                    std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1474                                    const TargetLowering *TLI) {
1475   SmallVector<Instruction*, 16> AddrModeInsts;
1476   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1477     if (UsersToProcess[i].isUseOfPostIncrementedValue)
1478       continue;
1479     ExtAddrMode AddrMode =
1480       AddressingModeMatcher::Match(UsersToProcess[i].OperandValToReplace,
1481                                    AccessTy, UsersToProcess[i].Inst,
1482                                    AddrModeInsts, *TLI);
1483     if (GV && GV != AddrMode.BaseGV)
1484       return false;
1485     if (Offset && !AddrMode.BaseOffs)
1486       // FIXME: How to accurate check it's immediate offset is folded.
1487       return false;
1488     AddrModeInsts.clear();
1489   }
1490   return true;
1491 }
1492
1493 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
1494 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
1495 /// may not be the only stride.
1496 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEV *const &Stride,
1497                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
1498                                                       Loop *L) {
1499   // If all the users are moved to another stride, then there is nothing to do.
1500   if (Uses.Users.empty())
1501     return;
1502
1503   // Keep track if every use in UsersToProcess is an address. If they all are,
1504   // we may be able to rewrite the entire collection of them in terms of a
1505   // smaller-stride IV.
1506   bool AllUsesAreAddresses = true;
1507
1508   // Keep track if every use of a single stride is outside the loop.  If so,
1509   // we want to be more aggressive about reusing a smaller-stride IV; a
1510   // multiply outside the loop is better than another IV inside.  Well, usually.
1511   bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
1512
1513   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
1514   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
1515   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
1516   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
1517   // have the full access expression to rewrite the use.
1518   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1519   const SCEV *CommonExprs = CollectIVUsers(Stride, Uses, L, AllUsesAreAddresses,
1520                                           AllUsesAreOutsideLoop,
1521                                           UsersToProcess);
1522
1523   // Sort the UsersToProcess array so that users with common bases are
1524   // next to each other.
1525   SortUsersToProcess(UsersToProcess);
1526
1527   // If we managed to find some expressions in common, we'll need to carry
1528   // their value in a register and add it in for each use. This will take up
1529   // a register operand, which potentially restricts what stride values are
1530   // valid.
1531   bool HaveCommonExprs = !CommonExprs->isZero();
1532   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1533
1534   // If all uses are addresses, consider sinking the immediate part of the
1535   // common expression back into uses if they can fit in the immediate fields.
1536   if (TLI && HaveCommonExprs && AllUsesAreAddresses) {
1537     const SCEV *NewCommon = CommonExprs;
1538     const SCEV *Imm = SE->getIntegerSCEV(0, ReplacedTy);
1539     MoveImmediateValues(TLI, Type::getVoidTy(
1540                         L->getLoopPreheader()->getContext()),
1541                         NewCommon, Imm, true, L, SE);
1542     if (!Imm->isZero()) {
1543       bool DoSink = true;
1544
1545       // If the immediate part of the common expression is a GV, check if it's
1546       // possible to fold it into the target addressing mode.
1547       GlobalValue *GV = 0;
1548       if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(Imm))
1549         GV = dyn_cast<GlobalValue>(SU->getValue());
1550       int64_t Offset = 0;
1551       if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
1552         Offset = SC->getValue()->getSExtValue();
1553       if (GV || Offset)
1554         // Pass VoidTy as the AccessTy to be conservative, because
1555         // there could be multiple access types among all the uses.
1556         DoSink = IsImmFoldedIntoAddrMode(GV, Offset,
1557                           Type::getVoidTy(L->getLoopPreheader()->getContext()),
1558                                          UsersToProcess, TLI);
1559
1560       if (DoSink) {
1561         DOUT << "  Sinking " << *Imm << " back down into uses\n";
1562         for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1563           UsersToProcess[i].Imm = SE->getAddExpr(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1564         CommonExprs = NewCommon;
1565         HaveCommonExprs = !CommonExprs->isZero();
1566         ++NumImmSunk;
1567       }
1568     }
1569   }
1570
1571   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1572   //
1573   DOUT << "LSR: Examining IVs of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1574        << *Stride << ":\n"
1575        << "  Common base: " << *CommonExprs << "\n";
1576
1577   SCEVExpander Rewriter(*SE);
1578   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE);
1579
1580   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1581   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1582   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1583   Instruction *IVIncInsertPt = LatchBlock->getTerminator();
1584
1585   Value *CommonBaseV = Constant::getNullValue(ReplacedTy);
1586
1587   const SCEV *RewriteFactor = SE->getIntegerSCEV(0, ReplacedTy);
1588   IVExpr   ReuseIV(SE->getIntegerSCEV(0,
1589                                     Type::getInt32Ty(Preheader->getContext())),
1590                    SE->getIntegerSCEV(0, 
1591                                     Type::getInt32Ty(Preheader->getContext())),
1592                    0);
1593
1594   /// Choose a strength-reduction strategy and prepare for it by creating
1595   /// the necessary PHIs and adjusting the bookkeeping.
1596   if (ShouldUseFullStrengthReductionMode(UsersToProcess, L,
1597                                          AllUsesAreAddresses, Stride)) {
1598     PrepareToStrengthReduceFully(UsersToProcess, Stride, CommonExprs, L,
1599                                  PreheaderRewriter);
1600   } else {
1601     // Emit the initial base value into the loop preheader.
1602     CommonBaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, ReplacedTy,
1603                                                   PreInsertPt);
1604
1605     // If all uses are addresses, check if it is possible to reuse an IV.  The
1606     // new IV must have a stride that is a multiple of the old stride; the
1607     // multiple must be a number that can be encoded in the scale field of the
1608     // target addressing mode; and we must have a valid instruction after this 
1609     // substitution, including the immediate field, if any.
1610     RewriteFactor = CheckForIVReuse(HaveCommonExprs, AllUsesAreAddresses,
1611                                     AllUsesAreOutsideLoop,
1612                                     Stride, ReuseIV, ReplacedTy,
1613                                     UsersToProcess);
1614     if (!RewriteFactor->isZero())
1615       PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(UsersToProcess, CommonBaseV,
1616                                                ReuseIV, PreInsertPt);
1617     else {
1618       IVIncInsertPt = FindIVIncInsertPt(UsersToProcess, L);
1619       PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(UsersToProcess, Stride, CommonExprs,
1620                                         CommonBaseV, IVIncInsertPt,
1621                                         L, PreheaderRewriter);
1622     }
1623   }
1624
1625   // Process all the users now, replacing their strided uses with
1626   // strength-reduced forms.  This outer loop handles all bases, the inner
1627   // loop handles all users of a particular base.
1628   while (!UsersToProcess.empty()) {
1629     const SCEV *Base = UsersToProcess.back().Base;
1630     Instruction *Inst = UsersToProcess.back().Inst;
1631
1632     // Emit the code for Base into the preheader.
1633     Value *BaseV = 0;
1634     if (!Base->isZero()) {
1635       BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, 0, PreInsertPt);
1636
1637       DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":";
1638       if (BaseV->hasName())
1639         DOUT << " Result value name = %" << BaseV->getNameStr();
1640       DOUT << "\n";
1641
1642       // If BaseV is a non-zero constant, make sure that it gets inserted into
1643       // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We
1644       // do this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the
1645       // preheader in this case.
1646       if (!fitsInAddressMode(Base, getAccessType(Inst), TLI, false) &&
1647           isa<Constant>(BaseV)) {
1648         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1649         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1650         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1651                                 PreInsertPt);       
1652       }
1653     }
1654
1655     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1656     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1657     do {
1658       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1659       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1660
1661       DOUT << "    Examining ";
1662       if (User.isUseOfPostIncrementedValue)
1663         DOUT << "postinc";
1664       else
1665         DOUT << "preinc";
1666       DOUT << " use ";
1667       DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, UsersToProcess.back().OperandValToReplace,
1668                            /*PrintType=*/false));
1669       DOUT << " in Inst: " << *(User.Inst);
1670
1671       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1672       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1673       Value *RewriteOp = User.Phi;
1674       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1675         RewriteOp = User.Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
1676         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1677         // loop to ensure it is dominated by the increment. In case it's the
1678         // only use of the iv, the increment instruction is already before the
1679         // use.
1680         if (L->contains(User.Inst->getParent()) && User.Inst != IVIncInsertPt)
1681           User.Inst->moveBefore(IVIncInsertPt);
1682       }
1683
1684       const SCEV *RewriteExpr = SE->getUnknown(RewriteOp);
1685
1686       if (SE->getEffectiveSCEVType(RewriteOp->getType()) !=
1687           SE->getEffectiveSCEVType(ReplacedTy)) {
1688         assert(SE->getTypeSizeInBits(RewriteOp->getType()) >
1689                SE->getTypeSizeInBits(ReplacedTy) &&
1690                "Unexpected widening cast!");
1691         RewriteExpr = SE->getTruncateExpr(RewriteExpr, ReplacedTy);
1692       }
1693
1694       // If we had to insert new instructions for RewriteOp, we have to
1695       // consider that they may not have been able to end up immediately
1696       // next to RewriteOp, because non-PHI instructions may never precede
1697       // PHI instructions in a block. In this case, remember where the last
1698       // instruction was inserted so that if we're replacing a different
1699       // PHI node, we can use the later point to expand the final
1700       // RewriteExpr.
1701       Instruction *NewBasePt = dyn_cast<Instruction>(RewriteOp);
1702       if (RewriteOp == User.Phi) NewBasePt = 0;
1703
1704       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1705       // to have the code emitted where we expect it.
1706       Rewriter.clear();
1707
1708       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1709       // factor to take advantage of the addressing mode scale component.
1710       if (!RewriteFactor->isZero()) {
1711         // If we're reusing an IV with a nonzero base (currently this happens
1712         // only when all reuses are outside the loop) subtract that base here.
1713         // The base has been used to initialize the PHI node but we don't want
1714         // it here.
1715         if (!ReuseIV.Base->isZero()) {
1716           const SCEV *typedBase = ReuseIV.Base;
1717           if (SE->getEffectiveSCEVType(RewriteExpr->getType()) !=
1718               SE->getEffectiveSCEVType(ReuseIV.Base->getType())) {
1719             // It's possible the original IV is a larger type than the new IV,
1720             // in which case we have to truncate the Base.  We checked in
1721             // RequiresTypeConversion that this is valid.
1722             assert(SE->getTypeSizeInBits(RewriteExpr->getType()) <
1723                    SE->getTypeSizeInBits(ReuseIV.Base->getType()) &&
1724                    "Unexpected lengthening conversion!");
1725             typedBase = SE->getTruncateExpr(ReuseIV.Base, 
1726                                             RewriteExpr->getType());
1727           }
1728           RewriteExpr = SE->getMinusSCEV(RewriteExpr, typedBase);
1729         }
1730
1731         // Multiply old variable, with base removed, by new scale factor.
1732         RewriteExpr = SE->getMulExpr(RewriteFactor,
1733                                      RewriteExpr);
1734
1735         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1736         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1737         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1738         // When this use is outside the loop, we earlier subtracted the
1739         // common base, and are adding it back here.  Use the same expression
1740         // as before, rather than CommonBaseV, so DAGCombiner will zap it.
1741         if (!CommonExprs->isZero()) {
1742           if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1743             RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr,
1744                                        SE->getUnknown(CommonBaseV));
1745           else
1746             RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr, CommonExprs);
1747         }
1748       }
1749
1750       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1751       // immediate and any loop-variant expressions.
1752       if (BaseV)
1753         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1754         RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr, SE->getUnknown(BaseV));
1755
1756       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, NewBasePt,
1757                                           Rewriter, L, this, *LI,
1758                                           DeadInsts);
1759
1760       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is eliminated
1761       // if we just replaced the last use of that value.
1762       DeadInsts.push_back(User.OperandValToReplace);
1763
1764       UsersToProcess.pop_back();
1765       ++NumReduced;
1766
1767       // If there are any more users to process with the same base, process them
1768       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1769     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1770     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1771   }
1772
1773   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1774   // different starting values, into different PHIs.
1775 }
1776
1777 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1778 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1779 /// false.
1780 bool LoopStrengthReduce::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1781                                        const SCEV *const * &CondStride) {
1782   for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1783        Stride != e && !CondUse; ++Stride) {
1784     std::map<const SCEV *, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
1785       IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
1786     assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1787
1788     for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
1789          E = SI->second->Users.end(); UI != E; ++UI)
1790       if (UI->getUser() == Cond) {
1791         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1792         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1793         // occurs enough in real life to handle.
1794         CondUse = UI;
1795         CondStride = &SI->first;
1796         return true;
1797       }
1798   }
1799   return false;
1800 }    
1801
1802 namespace {
1803   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1804   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1805   // e.g.
1806   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1807   struct StrideCompare {
1808     const ScalarEvolution *SE;
1809     explicit StrideCompare(const ScalarEvolution *se) : SE(se) {}
1810
1811     bool operator()(const SCEV *const &LHS, const SCEV *const &RHS) {
1812       const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1813       const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1814       if (LHSC && RHSC) {
1815         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1816         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1817         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1818         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1819         if (ALV == ARV) {
1820           if (LV != RV)
1821             return LV > RV;
1822         } else {
1823           return ALV < ARV;
1824         }
1825
1826         // If it's the same value but different type, sort by bit width so
1827         // that we emit larger induction variables before smaller
1828         // ones, letting the smaller be re-written in terms of larger ones.
1829         return SE->getTypeSizeInBits(RHS->getType()) <
1830                SE->getTypeSizeInBits(LHS->getType());
1831       }
1832       return LHSC && !RHSC;
1833     }
1834   };
1835 }
1836
1837 /// ChangeCompareStride - If a loop termination compare instruction is the
1838 /// only use of its stride, and the compaison is against a constant value,
1839 /// try eliminate the stride by moving the compare instruction to another
1840 /// stride and change its constant operand accordingly. e.g.
1841 ///
1842 /// loop:
1843 /// ...
1844 /// v1 = v1 + 3
1845 /// v2 = v2 + 1
1846 /// if (v2 < 10) goto loop
1847 /// =>
1848 /// loop:
1849 /// ...
1850 /// v1 = v1 + 3
1851 /// if (v1 < 30) goto loop
1852 ICmpInst *LoopStrengthReduce::ChangeCompareStride(Loop *L, ICmpInst *Cond,
1853                                                 IVStrideUse* &CondUse,
1854                                               const SCEV *const* &CondStride) {
1855   // If there's only one stride in the loop, there's nothing to do here.
1856   if (IU->StrideOrder.size() < 2)
1857     return Cond;
1858   // If there are other users of the condition's stride, don't bother
1859   // trying to change the condition because the stride will still
1860   // remain.
1861   std::map<const SCEV *, IVUsersOfOneStride *>::iterator I =
1862     IU->IVUsesByStride.find(*CondStride);
1863   if (I == IU->IVUsesByStride.end() ||
1864       I->second->Users.size() != 1)
1865     return Cond;
1866   // Only handle constant strides for now.
1867   const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*CondStride);
1868   if (!SC) return Cond;
1869
1870   ICmpInst::Predicate Predicate = Cond->getPredicate();
1871   int64_t CmpSSInt = SC->getValue()->getSExtValue();
1872   unsigned BitWidth = SE->getTypeSizeInBits((*CondStride)->getType());
1873   uint64_t SignBit = 1ULL << (BitWidth-1);
1874   const Type *CmpTy = Cond->getOperand(0)->getType();
1875   const Type *NewCmpTy = NULL;
1876   unsigned TyBits = SE->getTypeSizeInBits(CmpTy);
1877   unsigned NewTyBits = 0;
1878   const SCEV **NewStride = NULL;
1879   Value *NewCmpLHS = NULL;
1880   Value *NewCmpRHS = NULL;
1881   int64_t Scale = 1;
1882   const SCEV *NewOffset = SE->getIntegerSCEV(0, CmpTy);
1883
1884   if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1))) {
1885     int64_t CmpVal = C->getValue().getSExtValue();
1886
1887     // Check stride constant and the comparision constant signs to detect
1888     // overflow.
1889     if ((CmpVal & SignBit) != (CmpSSInt & SignBit))
1890       return Cond;
1891
1892     // Look for a suitable stride / iv as replacement.
1893     for (unsigned i = 0, e = IU->StrideOrder.size(); i != e; ++i) {
1894       std::map<const SCEV *, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
1895         IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[i]);
1896       if (!isa<SCEVConstant>(SI->first))
1897         continue;
1898       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1899       if (SSInt == CmpSSInt ||
1900           abs64(SSInt) < abs64(CmpSSInt) ||
1901           (SSInt % CmpSSInt) != 0)
1902         continue;
1903
1904       Scale = SSInt / CmpSSInt;
1905       int64_t NewCmpVal = CmpVal * Scale;
1906       APInt Mul = APInt(BitWidth*2, CmpVal, true);
1907       Mul = Mul * APInt(BitWidth*2, Scale, true);
1908       // Check for overflow.
1909       if (!Mul.isSignedIntN(BitWidth))
1910         continue;
1911       // Check for overflow in the stride's type too.
1912       if (!Mul.isSignedIntN(SE->getTypeSizeInBits(SI->first->getType())))
1913         continue;
1914
1915       // Watch out for overflow.
1916       if (ICmpInst::isSignedPredicate(Predicate) &&
1917           (CmpVal & SignBit) != (NewCmpVal & SignBit))
1918         continue;
1919
1920       if (NewCmpVal == CmpVal)
1921         continue;
1922       // Pick the best iv to use trying to avoid a cast.
1923       NewCmpLHS = NULL;
1924       for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
1925              E = SI->second->Users.end(); UI != E; ++UI) {
1926         Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
1927
1928         // If the IVStrideUse implies a cast, check for an actual cast which
1929         // can be used to find the original IV expression.
1930         if (SE->getEffectiveSCEVType(Op->getType()) !=
1931             SE->getEffectiveSCEVType(SI->first->getType())) {
1932           CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Op);
1933           // If it's not a simple cast, it's complicated.
1934           if (!CI)
1935             continue;
1936           // If it's a cast from a type other than the stride type,
1937           // it's complicated.
1938           if (CI->getOperand(0)->getType() != SI->first->getType())
1939             continue;
1940           // Ok, we found the IV expression in the stride's type.
1941           Op = CI->getOperand(0);
1942         }
1943
1944         NewCmpLHS = Op;
1945         if (NewCmpLHS->getType() == CmpTy)
1946           break;
1947       }
1948       if (!NewCmpLHS)
1949         continue;
1950
1951       NewCmpTy = NewCmpLHS->getType();
1952       NewTyBits = SE->getTypeSizeInBits(NewCmpTy);
1953       const Type *NewCmpIntTy = IntegerType::get(Cond->getContext(), NewTyBits);
1954       if (RequiresTypeConversion(NewCmpTy, CmpTy)) {
1955         // Check if it is possible to rewrite it using
1956         // an iv / stride of a smaller integer type.
1957         unsigned Bits = NewTyBits;
1958         if (ICmpInst::isSignedPredicate(Predicate))
1959           --Bits;
1960         uint64_t Mask = (1ULL << Bits) - 1;
1961         if (((uint64_t)NewCmpVal & Mask) != (uint64_t)NewCmpVal)
1962           continue;
1963       }
1964
1965       // Don't rewrite if use offset is non-constant and the new type is
1966       // of a different type.
1967       // FIXME: too conservative?
1968       if (NewTyBits != TyBits && !isa<SCEVConstant>(CondUse->getOffset()))
1969         continue;
1970
1971       bool AllUsesAreAddresses = true;
1972       bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
1973       std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1974       const SCEV *CommonExprs = CollectIVUsers(SI->first, *SI->second, L,
1975                                               AllUsesAreAddresses,
1976                                               AllUsesAreOutsideLoop,
1977                                               UsersToProcess);
1978       // Avoid rewriting the compare instruction with an iv of new stride
1979       // if it's likely the new stride uses will be rewritten using the
1980       // stride of the compare instruction.
1981       if (AllUsesAreAddresses &&
1982           ValidScale(!CommonExprs->isZero(), Scale, UsersToProcess))
1983         continue;
1984
1985       // Avoid rewriting the compare instruction with an iv which has
1986       // implicit extension or truncation built into it.
1987       // TODO: This is over-conservative.
1988       if (SE->getTypeSizeInBits(CondUse->getOffset()->getType()) != TyBits)
1989         continue;
1990
1991       // If scale is negative, use swapped predicate unless it's testing
1992       // for equality.
1993       if (Scale < 0 && !Cond->isEquality())
1994         Predicate = ICmpInst::getSwappedPredicate(Predicate);
1995
1996       NewStride = &IU->StrideOrder[i];
1997       if (!isa<PointerType>(NewCmpTy))
1998         NewCmpRHS = ConstantInt::get(NewCmpTy, NewCmpVal);
1999       else {
2000         Constant *CI = ConstantInt::get(NewCmpIntTy, NewCmpVal);
2001         NewCmpRHS = ConstantExpr::getIntToPtr(CI, NewCmpTy);
2002       }
2003       NewOffset = TyBits == NewTyBits
2004         ? SE->getMulExpr(CondUse->getOffset(),
2005                          SE->getConstant(CmpTy, Scale))
2006         : SE->getConstant(NewCmpIntTy,
2007           cast<SCEVConstant>(CondUse->getOffset())->getValue()
2008             ->getSExtValue()*Scale);
2009       break;
2010     }
2011   }
2012
2013   // Forgo this transformation if it the increment happens to be
2014   // unfortunately positioned after the condition, and the condition
2015   // has multiple uses which prevent it from being moved immediately
2016   // before the branch. See
2017   // test/Transforms/LoopStrengthReduce/change-compare-stride-trickiness-*.ll
2018   // for an example of this situation.
2019   if (!Cond->hasOneUse()) {
2020     for (BasicBlock::iterator I = Cond, E = Cond->getParent()->end();
2021          I != E; ++I)
2022       if (I == NewCmpLHS)
2023         return Cond;
2024   }
2025
2026   if (NewCmpRHS) {
2027     // Create a new compare instruction using new stride / iv.
2028     ICmpInst *OldCond = Cond;
2029     // Insert new compare instruction.
2030     Cond = new ICmpInst(OldCond, Predicate, NewCmpLHS, NewCmpRHS,
2031                         L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2032
2033     // Remove the old compare instruction. The old indvar is probably dead too.
2034     DeadInsts.push_back(CondUse->getOperandValToReplace());
2035     OldCond->replaceAllUsesWith(Cond);
2036     OldCond->eraseFromParent();
2037
2038     IU->IVUsesByStride[*NewStride]->addUser(NewOffset, Cond, NewCmpLHS);
2039     CondUse = &IU->IVUsesByStride[*NewStride]->Users.back();
2040     CondStride = NewStride;
2041     ++NumEliminated;
2042     Changed = true;
2043   }
2044
2045   return Cond;
2046 }
2047
2048 /// OptimizeMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
2049 /// a max computation.
2050 ///
2051 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
2052 /// like this:
2053 ///
2054 ///   i = 0;
2055 ///   do {
2056 ///     p[i] = 0.0;
2057 ///   } while (++i < n);
2058 ///
2059 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
2060 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
2061 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
2062 /// will commonly be lowered like this:
2063 //
2064 ///   if (n > 0) {
2065 ///     i = 0;
2066 ///     do {
2067 ///       p[i] = 0.0;
2068 ///     } while (++i < n);
2069 ///   }
2070 ///
2071 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
2072 /// test in such a way that indvars can't find it.
2073 ///
2074 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
2075 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
2076 /// induction variable:
2077 ///
2078 ///   i = 0;
2079 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
2080 ///   do {
2081 ///     p[i] = 0.0;
2082 ///   } while (++i != max);
2083 ///
2084 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
2085 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
2086 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
2087 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
2088 /// needed, and it does this using a simple analyis that only succeeds if
2089 /// the loop has a canonical induction variable.
2090 ///
2091 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
2092 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
2093 ///
2094 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
2095 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
2096 /// the instructions for the maximum computation.
2097 ///
2098 ICmpInst *LoopStrengthReduce::OptimizeMax(Loop *L, ICmpInst *Cond,
2099                                           IVStrideUse* &CondUse) {
2100   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
2101   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
2102       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
2103     return Cond;
2104
2105   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
2106   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
2107
2108   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2109   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2110     return Cond;
2111   const SCEV *One = SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
2112
2113   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
2114   const SCEV *IterationCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount, One);
2115
2116   // Check for a max calculation that matches the pattern.
2117   if (!isa<SCEVSMaxExpr>(IterationCount) && !isa<SCEVUMaxExpr>(IterationCount))
2118     return Cond;
2119   const SCEVNAryExpr *Max = cast<SCEVNAryExpr>(IterationCount);
2120   if (Max != SE->getSCEV(Sel)) return Cond;
2121
2122   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
2123   // require additional checking and setup.
2124   if (Max->getNumOperands() != 2)
2125     return Cond;
2126
2127   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
2128   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
2129   if (!MaxLHS || MaxLHS != One) return Cond;
2130
2131   // Check the relevant induction variable for conformance to
2132   // the pattern.
2133   const SCEV *IV = SE->getSCEV(Cond->getOperand(0));
2134   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2135   if (!AR || !AR->isAffine() ||
2136       AR->getStart() != One ||
2137       AR->getStepRecurrence(*SE) != One)
2138     return Cond;
2139
2140   assert(AR->getLoop() == L &&
2141          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
2142
2143   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
2144   // be used in the new comparison instruction.
2145   Value *NewRHS = 0;
2146   if (SE->getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
2147     NewRHS = Sel->getOperand(1);
2148   else if (SE->getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
2149     NewRHS = Sel->getOperand(2);
2150   if (!NewRHS) return Cond;
2151
2152   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
2153   // and the original comparison may be either equality or inequality.
2154   CmpInst::Predicate Pred =
2155     isa<SCEVSMaxExpr>(Max) ? CmpInst::ICMP_SLT : CmpInst::ICMP_ULT;
2156   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
2157     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
2158
2159   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
2160   // delete the max calculation.
2161   ICmpInst *NewCond =
2162     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
2163
2164   // Delete the max calculation instructions.
2165   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
2166   CondUse->setUser(NewCond);
2167   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
2168   Cond->eraseFromParent();
2169   Sel->eraseFromParent();
2170   if (Cmp->use_empty())
2171     Cmp->eraseFromParent();
2172   return NewCond;
2173 }
2174
2175 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
2176 /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
2177 void LoopStrengthReduce::OptimizeShadowIV(Loop *L) {
2178
2179   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2180   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2181     return;
2182     
2183   for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size(); Stride != e;
2184        ++Stride) {
2185     std::map<const SCEV *, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2186       IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
2187     assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
2188     if (!isa<SCEVConstant>(SI->first))
2189       continue;
2190
2191     for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
2192            E = SI->second->Users.end(); UI != E; /* empty */) {
2193       ilist<IVStrideUse>::iterator CandidateUI = UI;
2194       ++UI;
2195       Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
2196       const Type *DestTy = NULL;
2197
2198       /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
2199          to eliminate this cast.
2200
2201            for (unsigned i = 0; i < n; ++i) 
2202              foo((double)i);
2203
2204          is transformed into
2205
2206            double d = 0.0;
2207            for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d) 
2208              foo(d);
2209       */
2210       if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
2211         DestTy = UCast->getDestTy();
2212       else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
2213         DestTy = SCast->getDestTy();
2214       if (!DestTy) continue;
2215
2216       if (TLI) {
2217         // If target does not support DestTy natively then do not apply
2218         // this transformation.
2219         EVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
2220         if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
2221       }
2222
2223       PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
2224       if (!PH) continue;
2225       if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
2226
2227       const Type *SrcTy = PH->getType();
2228       int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
2229       if (Mantissa == -1) continue; 
2230       if ((int)SE->getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
2231         continue;
2232
2233       unsigned Entry, Latch;
2234       if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
2235         Entry = 0;
2236         Latch = 1;
2237       } else {
2238         Entry = 1;
2239         Latch = 0;
2240       }
2241         
2242       ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
2243       if (!Init) continue;
2244       Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, Init->getZExtValue());
2245
2246       BinaryOperator *Incr = 
2247         dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
2248       if (!Incr) continue;
2249       if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
2250           && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
2251         continue;
2252
2253       /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
2254       ConstantInt *C = NULL;
2255       if (Incr->getOperand(0) == PH)
2256         C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
2257       else if (Incr->getOperand(1) == PH)
2258         C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
2259       else
2260         continue;
2261
2262       if (!C) continue;
2263
2264       /* Add new PHINode. */
2265       PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, "IV.S.", PH);
2266
2267       /* create new increment. '++d' in above example. */
2268       Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
2269       BinaryOperator *NewIncr = 
2270         BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
2271                                  Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
2272                                NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
2273
2274       NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
2275       NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
2276
2277       /* Remove cast operation */
2278       ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
2279       ShadowUse->eraseFromParent();
2280       NumShadow++;
2281       break;
2282     }
2283   }
2284 }
2285
2286 /// OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
2287 /// uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
2288 /// common indvars for the different uses.
2289 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
2290   // TODO: implement optzns here.
2291
2292   OptimizeShadowIV(L);
2293 }
2294
2295 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the 
2296 /// postinc iv when possible.
2297 void LoopStrengthReduce::OptimizeLoopTermCond(Loop *L) {
2298   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
2299   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
2300   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
2301   // one register value.
2302   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
2303   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock();
2304   LLVMContext &Context = LatchBlock->getContext();
2305   
2306   if (!ExitingBlock)
2307     // Multiple exits, just look at the exit in the latch block if there is one.
2308     ExitingBlock = LatchBlock;
2309   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2310   if (!TermBr)
2311     return;
2312   if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2313     return;
2314
2315   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
2316   IVStrideUse *CondUse = 0;
2317   const SCEV *const *CondStride = 0;
2318   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2319   if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse, CondStride))
2320     return; // setcc doesn't use the IV.
2321
2322   if (ExitingBlock != LatchBlock) {
2323     if (!Cond->hasOneUse())
2324       // See below, we don't want the condition to be cloned.
2325       return;
2326
2327     // If exiting block is the latch block, we know it's safe and profitable to
2328     // transform the icmp to use post-inc iv. Otherwise do so only if it would
2329     // not reuse another iv and its iv would be reused by other uses. We are
2330     // optimizing for the case where the icmp is the only use of the iv.
2331     IVUsersOfOneStride &StrideUses = *IU->IVUsesByStride[*CondStride];
2332     for (ilist<IVStrideUse>::iterator I = StrideUses.Users.begin(),
2333          E = StrideUses.Users.end(); I != E; ++I) {
2334       if (I->getUser() == Cond)
2335         continue;
2336       if (!I->isUseOfPostIncrementedValue())
2337         return;
2338     }
2339
2340     // FIXME: This is expensive, and worse still ChangeCompareStride does a
2341     // similar check. Can we perform all the icmp related transformations after
2342     // StrengthReduceStridedIVUsers?
2343     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*CondStride)) {
2344       int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
2345       for (unsigned NewStride = 0, ee = IU->StrideOrder.size(); NewStride != ee;
2346            ++NewStride) {
2347         std::map<const SCEV *, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2348           IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
2349         if (!isa<SCEVConstant>(SI->first) || SI->first == *CondStride)
2350           continue;
2351         int64_t SSInt =
2352           cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
2353         if (SSInt == SInt)
2354           return; // This can definitely be reused.
2355         if (unsigned(abs64(SSInt)) < SInt || (SSInt % SInt) != 0)
2356           continue;
2357         int64_t Scale = SSInt / SInt;
2358         bool AllUsesAreAddresses = true;
2359         bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
2360         std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
2361         const SCEV *CommonExprs = CollectIVUsers(SI->first, *SI->second, L,
2362                                                 AllUsesAreAddresses,
2363                                                 AllUsesAreOutsideLoop,
2364                                                 UsersToProcess);
2365         // Avoid rewriting the compare instruction with an iv of new stride
2366         // if it's likely the new stride uses will be rewritten using the
2367         // stride of the compare instruction.
2368         if (AllUsesAreAddresses &&
2369             ValidScale(!CommonExprs->isZero(), Scale, UsersToProcess))
2370           return;
2371       }
2372     }
2373
2374     StrideNoReuse.insert(*CondStride);
2375   }
2376
2377   // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
2378   // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
2379   // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
2380   Cond = OptimizeMax(L, Cond, CondUse);
2381
2382   // If possible, change stride and operands of the compare instruction to
2383   // eliminate one stride.
2384   if (ExitingBlock == LatchBlock)
2385     Cond = ChangeCompareStride(L, Cond, CondUse, CondStride);
2386
2387   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2388   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2389   // the latch block branch, move it.
2390   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
2391     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
2392       Cond->moveBefore(TermBr);
2393     } else {
2394       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
2395       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone(Context));
2396       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2397       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
2398       
2399       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2400       IU->IVUsesByStride[*CondStride]->addUser(CondUse->getOffset(), Cond,
2401                                              CondUse->getOperandValToReplace());
2402       CondUse = &IU->IVUsesByStride[*CondStride]->Users.back();
2403     }
2404   }
2405
2406   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2407   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2408   // live ranges for the IV correctly.
2409   CondUse->setOffset(SE->getMinusSCEV(CondUse->getOffset(), *CondStride));
2410   CondUse->setIsUseOfPostIncrementedValue(true);
2411   Changed = true;
2412
2413   ++NumLoopCond;
2414 }
2415
2416 /// OptimizeLoopCountIV - If, after all sharing of IVs, the IV used for deciding
2417 /// when to exit the loop is used only for that purpose, try to rearrange things
2418 /// so it counts down to a test against zero.
2419 void LoopStrengthReduce::OptimizeLoopCountIV(Loop *L) {
2420
2421   // If the number of times the loop is executed isn't computable, give up.
2422   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2423   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2424     return;
2425
2426   // Get the terminating condition for the loop if possible (this isn't
2427   // necessarily in the latch, or a block that's a predecessor of the header).
2428   if (!L->getExitBlock())
2429     return; // More than one loop exit blocks.
2430
2431   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
2432   // loop to be exited.
2433   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock();
2434   if (!ExitingBlock)
2435     return; // More than one block exiting!
2436
2437   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
2438   // exit.
2439   //
2440   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
2441   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2442   if (TermBr == 0) return;
2443   assert(TermBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
2444   if (!isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2445     return;
2446   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2447
2448   // Handle only tests for equality for the moment, and only stride 1.
2449   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ)
2450     return;
2451   const SCEV *IV = SE->getSCEV(Cond->getOperand(0));
2452   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2453   const SCEV *One = SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
2454   if (!AR || !AR->isAffine() || AR->getStepRecurrence(*SE) != One)
2455     return;
2456   // If the RHS of the comparison is defined inside the loop, the rewrite
2457   // cannot be done.
2458   if (Instruction *CR = dyn_cast<Instruction>(Cond->getOperand(1)))
2459     if (L->contains(CR->getParent()))
2460       return;
2461
2462   // Make sure the IV is only used for counting.  Value may be preinc or
2463   // postinc; 2 uses in either case.
2464   if (!Cond->getOperand(0)->hasNUses(2))
2465     return;
2466   PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(Cond->getOperand(0));
2467   Instruction *incr;
2468   if (phi && phi->getParent()==L->getHeader()) {
2469     // value tested is preinc.  Find the increment.
2470     // A CmpInst is not a BinaryOperator; we depend on this.
2471     Instruction::use_iterator UI = phi->use_begin();
2472     incr = dyn_cast<BinaryOperator>(UI);
2473     if (!incr)
2474       incr = dyn_cast<BinaryOperator>(++UI);
2475     // 1 use for postinc value, the phi.  Unnecessarily conservative?
2476     if (!incr || !incr->hasOneUse() || incr->getOpcode()!=Instruction::Add)
2477       return;
2478   } else {
2479     // Value tested is postinc.  Find the phi node.
2480     incr = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond->getOperand(0));
2481     if (!incr || incr->getOpcode()!=Instruction::Add)
2482       return;
2483
2484     Instruction::use_iterator UI = Cond->getOperand(0)->use_begin();
2485     phi = dyn_cast<PHINode>(UI);
2486     if (!phi)
2487       phi = dyn_cast<PHINode>(++UI);
2488     // 1 use for preinc value, the increment.
2489     if (!phi || phi->getParent()!=L->getHeader() || !phi->hasOneUse())
2490       return;
2491   }
2492
2493   // Replace the increment with a decrement.
2494   BinaryOperator *decr = 
2495     BinaryOperator::Create(Instruction::Sub, incr->getOperand(0),
2496                            incr->getOperand(1), "tmp", incr);
2497   incr->replaceAllUsesWith(decr);
2498   incr->eraseFromParent();
2499
2500   // Substitute endval-startval for the original startval, and 0 for the
2501   // original endval.  Since we're only testing for equality this is OK even 
2502   // if the computation wraps around.
2503   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
2504   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
2505   int inBlock = L->contains(phi->getIncomingBlock(0)) ? 1 : 0;
2506   Value *startVal = phi->getIncomingValue(inBlock);
2507   Value *endVal = Cond->getOperand(1);
2508   // FIXME check for case where both are constant
2509   Constant* Zero = ConstantInt::get(Cond->getOperand(1)->getType(), 0);
2510   BinaryOperator *NewStartVal = 
2511     BinaryOperator::Create(Instruction::Sub, endVal, startVal,
2512                            "tmp", PreInsertPt);
2513   phi->setIncomingValue(inBlock, NewStartVal);
2514   Cond->setOperand(1, Zero);
2515
2516   Changed = true;
2517 }
2518
2519 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
2520
2521   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
2522   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
2523   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
2524   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
2525   Changed = false;
2526
2527   if (!IU->IVUsesByStride.empty()) {
2528     DEBUG(errs() << "\nLSR on \"" << L->getHeader()->getParent()->getName()
2529           << "\" ";
2530           L->dump());
2531
2532     // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
2533     std::stable_sort(IU->StrideOrder.begin(), IU->StrideOrder.end(),
2534                      StrideCompare(SE));
2535
2536     // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
2537     // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
2538     // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
2539     // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
2540     OptimizeIndvars(L);
2541
2542     // Change loop terminating condition to use the postinc iv when possible
2543     // and optimize loop terminating compare. FIXME: Move this after
2544     // StrengthReduceStridedIVUsers?
2545     OptimizeLoopTermCond(L);
2546
2547     // FIXME: We can shrink overlarge IV's here.  e.g. if the code has
2548     // computation in i64 values and the target doesn't support i64, demote
2549     // the computation to 32-bit if safe.
2550
2551     // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
2552     // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should
2553     // be codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.
2554     // Need to be careful that IV's are all the same type.  Only works for
2555     // intptr_t indvars.
2556
2557     // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
2558     assert(IVsByStride.empty() && "Stale entries in IVsByStride?");
2559
2560     // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users
2561     // passed into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.
2562     // Also, note that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using
2563     // StrideOrder. This extra layer of indirection makes the ordering of
2564     // strides deterministic - not dependent on map order.
2565     for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
2566          Stride != e; ++Stride) {
2567       std::map<const SCEV *, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2568         IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
2569       assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
2570       // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
2571       if (!SI->first->isLoopInvariant(L))
2572         continue;
2573       StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, *SI->second, L);
2574     }
2575   }
2576
2577   // After all sharing is done, see if we can adjust the loop to test against
2578   // zero instead of counting up to a maximum.  This is usually faster.
2579   OptimizeLoopCountIV(L);
2580
2581   // We're done analyzing this loop; release all the state we built up for it.
2582   IVsByStride.clear();
2583   StrideNoReuse.clear();
2584
2585   // Clean up after ourselves
2586   if (!DeadInsts.empty())
2587     DeleteTriviallyDeadInstructions();
2588
2589   // At this point, it is worth checking to see if any recurrence PHIs are also
2590   // dead, so that we can remove them as well.
2591   DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
2592
2593   return Changed;
2594 }