Enable LSR IV Chains with sufficient heuristics.
[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 // Terminology note: this code has a lot of handling for "post-increment" or
21 // "post-inc" users. This is not talking about post-increment addressing modes;
22 // it is instead talking about code like this:
23 //
24 //   %i = phi [ 0, %entry ], [ %i.next, %latch ]
25 //   ...
26 //   %i.next = add %i, 1
27 //   %c = icmp eq %i.next, %n
28 //
29 // The SCEV for %i is {0,+,1}<%L>. The SCEV for %i.next is {1,+,1}<%L>, however
30 // it's useful to think about these as the same register, with some uses using
31 // the value of the register before the add and some using // it after. In this
32 // example, the icmp is a post-increment user, since it uses %i.next, which is
33 // the value of the induction variable after the increment. The other common
34 // case of post-increment users is users outside the loop.
35 //
36 // TODO: More sophistication in the way Formulae are generated and filtered.
37 //
38 // TODO: Handle multiple loops at a time.
39 //
40 // TODO: Should TargetLowering::AddrMode::BaseGV be changed to a ConstantExpr
41 //       instead of a GlobalValue?
42 //
43 // TODO: When truncation is free, truncate ICmp users' operands to make it a
44 //       smaller encoding (on x86 at least).
45 //
46 // TODO: When a negated register is used by an add (such as in a list of
47 //       multiple base registers, or as the increment expression in an addrec),
48 //       we may not actually need both reg and (-1 * reg) in registers; the
49 //       negation can be implemented by using a sub instead of an add. The
50 //       lack of support for taking this into consideration when making
51 //       register pressure decisions is partly worked around by the "Special"
52 //       use kind.
53 //
54 //===----------------------------------------------------------------------===//
55
56 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
57 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
58 #include "llvm/Constants.h"
59 #include "llvm/Instructions.h"
60 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
61 #include "llvm/DerivedTypes.h"
62 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
63 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
64 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
65 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
66 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
67 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
68 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
69 #include "llvm/ADT/SmallBitVector.h"
70 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
71 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
72 #include "llvm/Support/Debug.h"
73 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
74 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
75 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
76 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
77 #include <algorithm>
78 using namespace llvm;
79
80 static cl::opt<bool> EnableNested(
81   "enable-lsr-nested", cl::Hidden, cl::desc("Enable LSR on nested loops"));
82
83 static cl::opt<bool> EnableRetry(
84   "enable-lsr-retry", cl::Hidden, cl::desc("Enable LSR retry"));
85
86 // Temporary flag to cleanup congruent phis after LSR phi expansion.
87 // It's currently disabled until we can determine whether it's truly useful or
88 // not. The flag should be removed after the v3.0 release.
89 // This is now needed for ivchains.
90 static cl::opt<bool> EnablePhiElim(
91   "enable-lsr-phielim", cl::Hidden, cl::init(true),
92   cl::desc("Enable LSR phi elimination"));
93
94 #ifndef NDEBUG
95 // Stress test IV chain generation.
96 static cl::opt<bool> StressIVChain(
97   "stress-ivchain", cl::Hidden, cl::init(false),
98   cl::desc("Stress test LSR IV chains"));
99 #else
100 static bool StressIVChain = false;
101 #endif
102
103 namespace {
104
105 /// RegSortData - This class holds data which is used to order reuse candidates.
106 class RegSortData {
107 public:
108   /// UsedByIndices - This represents the set of LSRUse indices which reference
109   /// a particular register.
110   SmallBitVector UsedByIndices;
111
112   RegSortData() {}
113
114   void print(raw_ostream &OS) const;
115   void dump() const;
116 };
117
118 }
119
120 void RegSortData::print(raw_ostream &OS) const {
121   OS << "[NumUses=" << UsedByIndices.count() << ']';
122 }
123
124 void RegSortData::dump() const {
125   print(errs()); errs() << '\n';
126 }
127
128 namespace {
129
130 /// RegUseTracker - Map register candidates to information about how they are
131 /// used.
132 class RegUseTracker {
133   typedef DenseMap<const SCEV *, RegSortData> RegUsesTy;
134
135   RegUsesTy RegUsesMap;
136   SmallVector<const SCEV *, 16> RegSequence;
137
138 public:
139   void CountRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
140   void DropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx);
141   void SwapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx);
142
143   bool isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const;
144
145   const SmallBitVector &getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const;
146
147   void clear();
148
149   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator iterator;
150   typedef SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator const_iterator;
151   iterator begin() { return RegSequence.begin(); }
152   iterator end()   { return RegSequence.end(); }
153   const_iterator begin() const { return RegSequence.begin(); }
154   const_iterator end() const   { return RegSequence.end(); }
155 };
156
157 }
158
159 void
160 RegUseTracker::CountRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
161   std::pair<RegUsesTy::iterator, bool> Pair =
162     RegUsesMap.insert(std::make_pair(Reg, RegSortData()));
163   RegSortData &RSD = Pair.first->second;
164   if (Pair.second)
165     RegSequence.push_back(Reg);
166   RSD.UsedByIndices.resize(std::max(RSD.UsedByIndices.size(), LUIdx + 1));
167   RSD.UsedByIndices.set(LUIdx);
168 }
169
170 void
171 RegUseTracker::DropRegister(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) {
172   RegUsesTy::iterator It = RegUsesMap.find(Reg);
173   assert(It != RegUsesMap.end());
174   RegSortData &RSD = It->second;
175   assert(RSD.UsedByIndices.size() > LUIdx);
176   RSD.UsedByIndices.reset(LUIdx);
177 }
178
179 void
180 RegUseTracker::SwapAndDropUse(size_t LUIdx, size_t LastLUIdx) {
181   assert(LUIdx <= LastLUIdx);
182
183   // Update RegUses. The data structure is not optimized for this purpose;
184   // we must iterate through it and update each of the bit vectors.
185   for (RegUsesTy::iterator I = RegUsesMap.begin(), E = RegUsesMap.end();
186        I != E; ++I) {
187     SmallBitVector &UsedByIndices = I->second.UsedByIndices;
188     if (LUIdx < UsedByIndices.size())
189       UsedByIndices[LUIdx] =
190         LastLUIdx < UsedByIndices.size() ? UsedByIndices[LastLUIdx] : 0;
191     UsedByIndices.resize(std::min(UsedByIndices.size(), LastLUIdx));
192   }
193 }
194
195 bool
196 RegUseTracker::isRegUsedByUsesOtherThan(const SCEV *Reg, size_t LUIdx) const {
197   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
198   if (I == RegUsesMap.end())
199     return false;
200   const SmallBitVector &UsedByIndices = I->second.UsedByIndices;
201   int i = UsedByIndices.find_first();
202   if (i == -1) return false;
203   if ((size_t)i != LUIdx) return true;
204   return UsedByIndices.find_next(i) != -1;
205 }
206
207 const SmallBitVector &RegUseTracker::getUsedByIndices(const SCEV *Reg) const {
208   RegUsesTy::const_iterator I = RegUsesMap.find(Reg);
209   assert(I != RegUsesMap.end() && "Unknown register!");
210   return I->second.UsedByIndices;
211 }
212
213 void RegUseTracker::clear() {
214   RegUsesMap.clear();
215   RegSequence.clear();
216 }
217
218 namespace {
219
220 /// Formula - This class holds information that describes a formula for
221 /// computing satisfying a use. It may include broken-out immediates and scaled
222 /// registers.
223 struct Formula {
224   /// AM - This is used to represent complex addressing, as well as other kinds
225   /// of interesting uses.
226   TargetLowering::AddrMode AM;
227
228   /// BaseRegs - The list of "base" registers for this use. When this is
229   /// non-empty, AM.HasBaseReg should be set to true.
230   SmallVector<const SCEV *, 2> BaseRegs;
231
232   /// ScaledReg - The 'scaled' register for this use. This should be non-null
233   /// when AM.Scale is not zero.
234   const SCEV *ScaledReg;
235
236   /// UnfoldedOffset - An additional constant offset which added near the
237   /// use. This requires a temporary register, but the offset itself can
238   /// live in an add immediate field rather than a register.
239   int64_t UnfoldedOffset;
240
241   Formula() : ScaledReg(0), UnfoldedOffset(0) {}
242
243   void InitialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE);
244
245   unsigned getNumRegs() const;
246   Type *getType() const;
247
248   void DeleteBaseReg(const SCEV *&S);
249
250   bool referencesReg(const SCEV *S) const;
251   bool hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
252                                   const RegUseTracker &RegUses) const;
253
254   void print(raw_ostream &OS) const;
255   void dump() const;
256 };
257
258 }
259
260 /// DoInitialMatch - Recursion helper for InitialMatch.
261 static void DoInitialMatch(const SCEV *S, Loop *L,
262                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Good,
263                            SmallVectorImpl<const SCEV *> &Bad,
264                            ScalarEvolution &SE) {
265   // Collect expressions which properly dominate the loop header.
266   if (SE.properlyDominates(S, L->getHeader())) {
267     Good.push_back(S);
268     return;
269   }
270
271   // Look at add operands.
272   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
273     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
274          I != E; ++I)
275       DoInitialMatch(*I, L, Good, Bad, SE);
276     return;
277   }
278
279   // Look at addrec operands.
280   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S))
281     if (!AR->getStart()->isZero()) {
282       DoInitialMatch(AR->getStart(), L, Good, Bad, SE);
283       DoInitialMatch(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
284                                       AR->getStepRecurrence(SE),
285                                       // FIXME: AR->getNoWrapFlags()
286                                       AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap),
287                      L, Good, Bad, SE);
288       return;
289     }
290
291   // Handle a multiplication by -1 (negation) if it didn't fold.
292   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S))
293     if (Mul->getOperand(0)->isAllOnesValue()) {
294       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops(Mul->op_begin()+1, Mul->op_end());
295       const SCEV *NewMul = SE.getMulExpr(Ops);
296
297       SmallVector<const SCEV *, 4> MyGood;
298       SmallVector<const SCEV *, 4> MyBad;
299       DoInitialMatch(NewMul, L, MyGood, MyBad, SE);
300       const SCEV *NegOne = SE.getSCEV(ConstantInt::getAllOnesValue(
301         SE.getEffectiveSCEVType(NewMul->getType())));
302       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = MyGood.begin(),
303            E = MyGood.end(); I != E; ++I)
304         Good.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, *I));
305       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = MyBad.begin(),
306            E = MyBad.end(); I != E; ++I)
307         Bad.push_back(SE.getMulExpr(NegOne, *I));
308       return;
309     }
310
311   // Ok, we can't do anything interesting. Just stuff the whole thing into a
312   // register and hope for the best.
313   Bad.push_back(S);
314 }
315
316 /// InitialMatch - Incorporate loop-variant parts of S into this Formula,
317 /// attempting to keep all loop-invariant and loop-computable values in a
318 /// single base register.
319 void Formula::InitialMatch(const SCEV *S, Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
320   SmallVector<const SCEV *, 4> Good;
321   SmallVector<const SCEV *, 4> Bad;
322   DoInitialMatch(S, L, Good, Bad, SE);
323   if (!Good.empty()) {
324     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Good);
325     if (!Sum->isZero())
326       BaseRegs.push_back(Sum);
327     AM.HasBaseReg = true;
328   }
329   if (!Bad.empty()) {
330     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Bad);
331     if (!Sum->isZero())
332       BaseRegs.push_back(Sum);
333     AM.HasBaseReg = true;
334   }
335 }
336
337 /// getNumRegs - Return the total number of register operands used by this
338 /// formula. This does not include register uses implied by non-constant
339 /// addrec strides.
340 unsigned Formula::getNumRegs() const {
341   return !!ScaledReg + BaseRegs.size();
342 }
343
344 /// getType - Return the type of this formula, if it has one, or null
345 /// otherwise. This type is meaningless except for the bit size.
346 Type *Formula::getType() const {
347   return !BaseRegs.empty() ? BaseRegs.front()->getType() :
348          ScaledReg ? ScaledReg->getType() :
349          AM.BaseGV ? AM.BaseGV->getType() :
350          0;
351 }
352
353 /// DeleteBaseReg - Delete the given base reg from the BaseRegs list.
354 void Formula::DeleteBaseReg(const SCEV *&S) {
355   if (&S != &BaseRegs.back())
356     std::swap(S, BaseRegs.back());
357   BaseRegs.pop_back();
358 }
359
360 /// referencesReg - Test if this formula references the given register.
361 bool Formula::referencesReg(const SCEV *S) const {
362   return S == ScaledReg ||
363          std::find(BaseRegs.begin(), BaseRegs.end(), S) != BaseRegs.end();
364 }
365
366 /// hasRegsUsedByUsesOtherThan - Test whether this formula uses registers
367 /// which are used by uses other than the use with the given index.
368 bool Formula::hasRegsUsedByUsesOtherThan(size_t LUIdx,
369                                          const RegUseTracker &RegUses) const {
370   if (ScaledReg)
371     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(ScaledReg, LUIdx))
372       return true;
373   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = BaseRegs.begin(),
374        E = BaseRegs.end(); I != E; ++I)
375     if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(*I, LUIdx))
376       return true;
377   return false;
378 }
379
380 void Formula::print(raw_ostream &OS) const {
381   bool First = true;
382   if (AM.BaseGV) {
383     if (!First) OS << " + "; else First = false;
384     WriteAsOperand(OS, AM.BaseGV, /*PrintType=*/false);
385   }
386   if (AM.BaseOffs != 0) {
387     if (!First) OS << " + "; else First = false;
388     OS << AM.BaseOffs;
389   }
390   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = BaseRegs.begin(),
391        E = BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
392     if (!First) OS << " + "; else First = false;
393     OS << "reg(" << **I << ')';
394   }
395   if (AM.HasBaseReg && BaseRegs.empty()) {
396     if (!First) OS << " + "; else First = false;
397     OS << "**error: HasBaseReg**";
398   } else if (!AM.HasBaseReg && !BaseRegs.empty()) {
399     if (!First) OS << " + "; else First = false;
400     OS << "**error: !HasBaseReg**";
401   }
402   if (AM.Scale != 0) {
403     if (!First) OS << " + "; else First = false;
404     OS << AM.Scale << "*reg(";
405     if (ScaledReg)
406       OS << *ScaledReg;
407     else
408       OS << "<unknown>";
409     OS << ')';
410   }
411   if (UnfoldedOffset != 0) {
412     if (!First) OS << " + "; else First = false;
413     OS << "imm(" << UnfoldedOffset << ')';
414   }
415 }
416
417 void Formula::dump() const {
418   print(errs()); errs() << '\n';
419 }
420
421 /// isAddRecSExtable - Return true if the given addrec can be sign-extended
422 /// without changing its value.
423 static bool isAddRecSExtable(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
424   Type *WideTy =
425     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(AR->getType()) + 1);
426   return isa<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
427 }
428
429 /// isAddSExtable - Return true if the given add can be sign-extended
430 /// without changing its value.
431 static bool isAddSExtable(const SCEVAddExpr *A, ScalarEvolution &SE) {
432   Type *WideTy =
433     IntegerType::get(SE.getContext(), SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) + 1);
434   return isa<SCEVAddExpr>(SE.getSignExtendExpr(A, WideTy));
435 }
436
437 /// isMulSExtable - Return true if the given mul can be sign-extended
438 /// without changing its value.
439 static bool isMulSExtable(const SCEVMulExpr *M, ScalarEvolution &SE) {
440   Type *WideTy =
441     IntegerType::get(SE.getContext(),
442                      SE.getTypeSizeInBits(M->getType()) * M->getNumOperands());
443   return isa<SCEVMulExpr>(SE.getSignExtendExpr(M, WideTy));
444 }
445
446 /// getExactSDiv - Return an expression for LHS /s RHS, if it can be determined
447 /// and if the remainder is known to be zero,  or null otherwise. If
448 /// IgnoreSignificantBits is true, expressions like (X * Y) /s Y are simplified
449 /// to Y, ignoring that the multiplication may overflow, which is useful when
450 /// the result will be used in a context where the most significant bits are
451 /// ignored.
452 static const SCEV *getExactSDiv(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
453                                 ScalarEvolution &SE,
454                                 bool IgnoreSignificantBits = false) {
455   // Handle the trivial case, which works for any SCEV type.
456   if (LHS == RHS)
457     return SE.getConstant(LHS->getType(), 1);
458
459   // Handle a few RHS special cases.
460   const SCEVConstant *RC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
461   if (RC) {
462     const APInt &RA = RC->getValue()->getValue();
463     // Handle x /s -1 as x * -1, to give ScalarEvolution a chance to do
464     // some folding.
465     if (RA.isAllOnesValue())
466       return SE.getMulExpr(LHS, RC);
467     // Handle x /s 1 as x.
468     if (RA == 1)
469       return LHS;
470   }
471
472   // Check for a division of a constant by a constant.
473   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS)) {
474     if (!RC)
475       return 0;
476     const APInt &LA = C->getValue()->getValue();
477     const APInt &RA = RC->getValue()->getValue();
478     if (LA.srem(RA) != 0)
479       return 0;
480     return SE.getConstant(LA.sdiv(RA));
481   }
482
483   // Distribute the sdiv over addrec operands, if the addrec doesn't overflow.
484   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(LHS)) {
485     if (IgnoreSignificantBits || isAddRecSExtable(AR, SE)) {
486       const SCEV *Step = getExactSDiv(AR->getStepRecurrence(SE), RHS, SE,
487                                       IgnoreSignificantBits);
488       if (!Step) return 0;
489       const SCEV *Start = getExactSDiv(AR->getStart(), RHS, SE,
490                                        IgnoreSignificantBits);
491       if (!Start) return 0;
492       // FlagNW is independent of the start value, step direction, and is
493       // preserved with smaller magnitude steps.
494       // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
495       return SE.getAddRecExpr(Start, Step, AR->getLoop(), SCEV::FlagAnyWrap);
496     }
497     return 0;
498   }
499
500   // Distribute the sdiv over add operands, if the add doesn't overflow.
501   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(LHS)) {
502     if (IgnoreSignificantBits || isAddSExtable(Add, SE)) {
503       SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
504       for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
505            I != E; ++I) {
506         const SCEV *Op = getExactSDiv(*I, RHS, SE,
507                                       IgnoreSignificantBits);
508         if (!Op) return 0;
509         Ops.push_back(Op);
510       }
511       return SE.getAddExpr(Ops);
512     }
513     return 0;
514   }
515
516   // Check for a multiply operand that we can pull RHS out of.
517   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(LHS)) {
518     if (IgnoreSignificantBits || isMulSExtable(Mul, SE)) {
519       SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
520       bool Found = false;
521       for (SCEVMulExpr::op_iterator I = Mul->op_begin(), E = Mul->op_end();
522            I != E; ++I) {
523         const SCEV *S = *I;
524         if (!Found)
525           if (const SCEV *Q = getExactSDiv(S, RHS, SE,
526                                            IgnoreSignificantBits)) {
527             S = Q;
528             Found = true;
529           }
530         Ops.push_back(S);
531       }
532       return Found ? SE.getMulExpr(Ops) : 0;
533     }
534     return 0;
535   }
536
537   // Otherwise we don't know.
538   return 0;
539 }
540
541 /// ExtractImmediate - If S involves the addition of a constant integer value,
542 /// return that integer value, and mutate S to point to a new SCEV with that
543 /// value excluded.
544 static int64_t ExtractImmediate(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
545   if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(S)) {
546     if (C->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64) {
547       S = SE.getConstant(C->getType(), 0);
548       return C->getValue()->getSExtValue();
549     }
550   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
551     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
552     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
553     if (Result != 0)
554       S = SE.getAddExpr(NewOps);
555     return Result;
556   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
557     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
558     int64_t Result = ExtractImmediate(NewOps.front(), SE);
559     if (Result != 0)
560       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
561                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
562                            SCEV::FlagAnyWrap);
563     return Result;
564   }
565   return 0;
566 }
567
568 /// ExtractSymbol - If S involves the addition of a GlobalValue address,
569 /// return that symbol, and mutate S to point to a new SCEV with that
570 /// value excluded.
571 static GlobalValue *ExtractSymbol(const SCEV *&S, ScalarEvolution &SE) {
572   if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
573     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue())) {
574       S = SE.getConstant(GV->getType(), 0);
575       return GV;
576     }
577   } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
578     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(Add->op_begin(), Add->op_end());
579     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.back(), SE);
580     if (Result)
581       S = SE.getAddExpr(NewOps);
582     return Result;
583   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
584     SmallVector<const SCEV *, 8> NewOps(AR->op_begin(), AR->op_end());
585     GlobalValue *Result = ExtractSymbol(NewOps.front(), SE);
586     if (Result)
587       S = SE.getAddRecExpr(NewOps, AR->getLoop(),
588                            // FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
589                            SCEV::FlagAnyWrap);
590     return Result;
591   }
592   return 0;
593 }
594
595 /// isAddressUse - Returns true if the specified instruction is using the
596 /// specified value as an address.
597 static bool isAddressUse(Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
598   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
599   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
600     if (SI->getOperand(1) == OperandVal)
601       isAddress = true;
602   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
603     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
604     // of intrinsics.
605     switch (II->getIntrinsicID()) {
606       default: break;
607       case Intrinsic::prefetch:
608       case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
609       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
610       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
611       case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
612         if (II->getArgOperand(0) == OperandVal)
613           isAddress = true;
614         break;
615     }
616   }
617   return isAddress;
618 }
619
620 /// getAccessType - Return the type of the memory being accessed.
621 static Type *getAccessType(const Instruction *Inst) {
622   Type *AccessTy = Inst->getType();
623   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
624     AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
625   else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
626     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
627     // of intrinsics.
628     switch (II->getIntrinsicID()) {
629     default: break;
630     case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
631     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
632     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
633     case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
634       AccessTy = II->getArgOperand(0)->getType();
635       break;
636     }
637   }
638
639   // All pointers have the same requirements, so canonicalize them to an
640   // arbitrary pointer type to minimize variation.
641   if (PointerType *PTy = dyn_cast<PointerType>(AccessTy))
642     AccessTy = PointerType::get(IntegerType::get(PTy->getContext(), 1),
643                                 PTy->getAddressSpace());
644
645   return AccessTy;
646 }
647
648 /// isExistingPhi - Return true if this AddRec is already a phi in its loop.
649 static bool isExistingPhi(const SCEVAddRecExpr *AR, ScalarEvolution &SE) {
650   for (BasicBlock::iterator I = AR->getLoop()->getHeader()->begin();
651        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
652     if (SE.isSCEVable(PN->getType()) &&
653         (SE.getEffectiveSCEVType(PN->getType()) ==
654          SE.getEffectiveSCEVType(AR->getType())) &&
655         SE.getSCEV(PN) == AR)
656       return true;
657   }
658   return false;
659 }
660
661 /// Check if expanding this expression is likely to incur significant cost. This
662 /// is tricky because SCEV doesn't track which expressions are actually computed
663 /// by the current IR.
664 ///
665 /// We currently allow expansion of IV increments that involve adds,
666 /// multiplication by constants, and AddRecs from existing phis.
667 ///
668 /// TODO: Allow UDivExpr if we can find an existing IV increment that is an
669 /// obvious multiple of the UDivExpr.
670 static bool isHighCostExpansion(const SCEV *S,
671                                 SmallPtrSet<const SCEV*, 8> &Processed,
672                                 ScalarEvolution &SE) {
673   // Zero/One operand expressions
674   switch (S->getSCEVType()) {
675   case scUnknown:
676   case scConstant:
677     return false;
678   case scTruncate:
679     return isHighCostExpansion(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand(),
680                                Processed, SE);
681   case scZeroExtend:
682     return isHighCostExpansion(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand(),
683                                Processed, SE);
684   case scSignExtend:
685     return isHighCostExpansion(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand(),
686                                Processed, SE);
687   }
688
689   if (!Processed.insert(S))
690     return false;
691
692   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
693     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
694          I != E; ++I) {
695       if (isHighCostExpansion(*I, Processed, SE))
696         return true;
697     }
698     return false;
699   }
700
701   if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
702     if (Mul->getNumOperands() == 2) {
703       // Multiplication by a constant is ok
704       if (isa<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0)))
705         return isHighCostExpansion(Mul->getOperand(1), Processed, SE);
706
707       // If we have the value of one operand, check if an existing
708       // multiplication already generates this expression.
709       if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(Mul->getOperand(1))) {
710         Value *UVal = U->getValue();
711         for (Value::use_iterator UI = UVal->use_begin(), UE = UVal->use_end();
712              UI != UE; ++UI) {
713           Instruction *User = cast<Instruction>(*UI);
714           if (User->getOpcode() == Instruction::Mul
715               && SE.isSCEVable(User->getType())) {
716             return SE.getSCEV(User) == Mul;
717           }
718         }
719       }
720     }
721   }
722
723   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
724     if (isExistingPhi(AR, SE))
725       return false;
726   }
727
728   // Fow now, consider any other type of expression (div/mul/min/max) high cost.
729   return true;
730 }
731
732 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
733 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
734 /// their operands subsequently dead.
735 static bool
736 DeleteTriviallyDeadInstructions(SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
737   bool Changed = false;
738
739   while (!DeadInsts.empty()) {
740     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(&*DeadInsts.pop_back_val());
741
742     if (I == 0 || !isInstructionTriviallyDead(I))
743       continue;
744
745     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI)
746       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
747         *OI = 0;
748         if (U->use_empty())
749           DeadInsts.push_back(U);
750       }
751
752     I->eraseFromParent();
753     Changed = true;
754   }
755
756   return Changed;
757 }
758
759 namespace {
760
761 /// Cost - This class is used to measure and compare candidate formulae.
762 class Cost {
763   /// TODO: Some of these could be merged. Also, a lexical ordering
764   /// isn't always optimal.
765   unsigned NumRegs;
766   unsigned AddRecCost;
767   unsigned NumIVMuls;
768   unsigned NumBaseAdds;
769   unsigned ImmCost;
770   unsigned SetupCost;
771
772 public:
773   Cost()
774     : NumRegs(0), AddRecCost(0), NumIVMuls(0), NumBaseAdds(0), ImmCost(0),
775       SetupCost(0) {}
776
777   bool operator<(const Cost &Other) const;
778
779   void Loose();
780
781 #ifndef NDEBUG
782   // Once any of the metrics loses, they must all remain losers.
783   bool isValid() {
784     return ((NumRegs | AddRecCost | NumIVMuls | NumBaseAdds
785              | ImmCost | SetupCost) != ~0u)
786       || ((NumRegs & AddRecCost & NumIVMuls & NumBaseAdds
787            & ImmCost & SetupCost) == ~0u);
788   }
789 #endif
790
791   bool isLoser() {
792     assert(isValid() && "invalid cost");
793     return NumRegs == ~0u;
794   }
795
796   void RateFormula(const Formula &F,
797                    SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
798                    const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
799                    const Loop *L,
800                    const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
801                    ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
802                    SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs = 0);
803
804   void print(raw_ostream &OS) const;
805   void dump() const;
806
807 private:
808   void RateRegister(const SCEV *Reg,
809                     SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
810                     const Loop *L,
811                     ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT);
812   void RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
813                            SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
814                            const Loop *L,
815                            ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
816                            SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs);
817 };
818
819 }
820
821 /// RateRegister - Tally up interesting quantities from the given register.
822 void Cost::RateRegister(const SCEV *Reg,
823                         SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
824                         const Loop *L,
825                         ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT) {
826   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)) {
827     if (AR->getLoop() == L)
828       AddRecCost += 1; /// TODO: This should be a function of the stride.
829
830     // If this is an addrec for another loop, don't second-guess its addrec phi
831     // nodes. LSR isn't currently smart enough to reason about more than one
832     // loop at a time. LSR has either already run on inner loops, will not run
833     // on other loops, and cannot be expected to change sibling loops. If the
834     // AddRec exists, consider it's register free and leave it alone. Otherwise,
835     // do not consider this formula at all.
836     else if (!EnableNested || L->contains(AR->getLoop()) ||
837              (!AR->getLoop()->contains(L) &&
838               DT.dominates(L->getHeader(), AR->getLoop()->getHeader()))) {
839       if (isExistingPhi(AR, SE))
840         return;
841
842       // For !EnableNested, never rewrite IVs in other loops.
843       if (!EnableNested) {
844         Loose();
845         return;
846       }
847       // If this isn't one of the addrecs that the loop already has, it
848       // would require a costly new phi and add. TODO: This isn't
849       // precisely modeled right now.
850       ++NumBaseAdds;
851       if (!Regs.count(AR->getStart())) {
852         RateRegister(AR->getStart(), Regs, L, SE, DT);
853         if (isLoser())
854           return;
855       }
856     }
857
858     // Add the step value register, if it needs one.
859     // TODO: The non-affine case isn't precisely modeled here.
860     if (!AR->isAffine() || !isa<SCEVConstant>(AR->getOperand(1))) {
861       if (!Regs.count(AR->getOperand(1))) {
862         RateRegister(AR->getOperand(1), Regs, L, SE, DT);
863         if (isLoser())
864           return;
865       }
866     }
867   }
868   ++NumRegs;
869
870   // Rough heuristic; favor registers which don't require extra setup
871   // instructions in the preheader.
872   if (!isa<SCEVUnknown>(Reg) &&
873       !isa<SCEVConstant>(Reg) &&
874       !(isa<SCEVAddRecExpr>(Reg) &&
875         (isa<SCEVUnknown>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()) ||
876          isa<SCEVConstant>(cast<SCEVAddRecExpr>(Reg)->getStart()))))
877     ++SetupCost;
878
879     NumIVMuls += isa<SCEVMulExpr>(Reg) &&
880                  SE.hasComputableLoopEvolution(Reg, L);
881 }
882
883 /// RatePrimaryRegister - Record this register in the set. If we haven't seen it
884 /// before, rate it. Optional LoserRegs provides a way to declare any formula
885 /// that refers to one of those regs an instant loser.
886 void Cost::RatePrimaryRegister(const SCEV *Reg,
887                                SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
888                                const Loop *L,
889                                ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
890                                SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs) {
891   if (LoserRegs && LoserRegs->count(Reg)) {
892     Loose();
893     return;
894   }
895   if (Regs.insert(Reg)) {
896     RateRegister(Reg, Regs, L, SE, DT);
897     if (isLoser())
898       LoserRegs->insert(Reg);
899   }
900 }
901
902 void Cost::RateFormula(const Formula &F,
903                        SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &Regs,
904                        const DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs,
905                        const Loop *L,
906                        const SmallVectorImpl<int64_t> &Offsets,
907                        ScalarEvolution &SE, DominatorTree &DT,
908                        SmallPtrSet<const SCEV *, 16> *LoserRegs) {
909   // Tally up the registers.
910   if (const SCEV *ScaledReg = F.ScaledReg) {
911     if (VisitedRegs.count(ScaledReg)) {
912       Loose();
913       return;
914     }
915     RatePrimaryRegister(ScaledReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
916     if (isLoser())
917       return;
918   }
919   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
920        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
921     const SCEV *BaseReg = *I;
922     if (VisitedRegs.count(BaseReg)) {
923       Loose();
924       return;
925     }
926     RatePrimaryRegister(BaseReg, Regs, L, SE, DT, LoserRegs);
927     if (isLoser())
928       return;
929   }
930
931   // Determine how many (unfolded) adds we'll need inside the loop.
932   size_t NumBaseParts = F.BaseRegs.size() + (F.UnfoldedOffset != 0);
933   if (NumBaseParts > 1)
934     NumBaseAdds += NumBaseParts - 1;
935
936   // Tally up the non-zero immediates.
937   for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Offsets.begin(),
938        E = Offsets.end(); I != E; ++I) {
939     int64_t Offset = (uint64_t)*I + F.AM.BaseOffs;
940     if (F.AM.BaseGV)
941       ImmCost += 64; // Handle symbolic values conservatively.
942                      // TODO: This should probably be the pointer size.
943     else if (Offset != 0)
944       ImmCost += APInt(64, Offset, true).getMinSignedBits();
945   }
946   assert(isValid() && "invalid cost");
947 }
948
949 /// Loose - Set this cost to a losing value.
950 void Cost::Loose() {
951   NumRegs = ~0u;
952   AddRecCost = ~0u;
953   NumIVMuls = ~0u;
954   NumBaseAdds = ~0u;
955   ImmCost = ~0u;
956   SetupCost = ~0u;
957 }
958
959 /// operator< - Choose the lower cost.
960 bool Cost::operator<(const Cost &Other) const {
961   if (NumRegs != Other.NumRegs)
962     return NumRegs < Other.NumRegs;
963   if (AddRecCost != Other.AddRecCost)
964     return AddRecCost < Other.AddRecCost;
965   if (NumIVMuls != Other.NumIVMuls)
966     return NumIVMuls < Other.NumIVMuls;
967   if (NumBaseAdds != Other.NumBaseAdds)
968     return NumBaseAdds < Other.NumBaseAdds;
969   if (ImmCost != Other.ImmCost)
970     return ImmCost < Other.ImmCost;
971   if (SetupCost != Other.SetupCost)
972     return SetupCost < Other.SetupCost;
973   return false;
974 }
975
976 void Cost::print(raw_ostream &OS) const {
977   OS << NumRegs << " reg" << (NumRegs == 1 ? "" : "s");
978   if (AddRecCost != 0)
979     OS << ", with addrec cost " << AddRecCost;
980   if (NumIVMuls != 0)
981     OS << ", plus " << NumIVMuls << " IV mul" << (NumIVMuls == 1 ? "" : "s");
982   if (NumBaseAdds != 0)
983     OS << ", plus " << NumBaseAdds << " base add"
984        << (NumBaseAdds == 1 ? "" : "s");
985   if (ImmCost != 0)
986     OS << ", plus " << ImmCost << " imm cost";
987   if (SetupCost != 0)
988     OS << ", plus " << SetupCost << " setup cost";
989 }
990
991 void Cost::dump() const {
992   print(errs()); errs() << '\n';
993 }
994
995 namespace {
996
997 /// LSRFixup - An operand value in an instruction which is to be replaced
998 /// with some equivalent, possibly strength-reduced, replacement.
999 struct LSRFixup {
1000   /// UserInst - The instruction which will be updated.
1001   Instruction *UserInst;
1002
1003   /// OperandValToReplace - The operand of the instruction which will
1004   /// be replaced. The operand may be used more than once; every instance
1005   /// will be replaced.
1006   Value *OperandValToReplace;
1007
1008   /// PostIncLoops - If this user is to use the post-incremented value of an
1009   /// induction variable, this variable is non-null and holds the loop
1010   /// associated with the induction variable.
1011   PostIncLoopSet PostIncLoops;
1012
1013   /// LUIdx - The index of the LSRUse describing the expression which
1014   /// this fixup needs, minus an offset (below).
1015   size_t LUIdx;
1016
1017   /// Offset - A constant offset to be added to the LSRUse expression.
1018   /// This allows multiple fixups to share the same LSRUse with different
1019   /// offsets, for example in an unrolled loop.
1020   int64_t Offset;
1021
1022   bool isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const;
1023
1024   LSRFixup();
1025
1026   void print(raw_ostream &OS) const;
1027   void dump() const;
1028 };
1029
1030 }
1031
1032 LSRFixup::LSRFixup()
1033   : UserInst(0), OperandValToReplace(0), LUIdx(~size_t(0)), Offset(0) {}
1034
1035 /// isUseFullyOutsideLoop - Test whether this fixup always uses its
1036 /// value outside of the given loop.
1037 bool LSRFixup::isUseFullyOutsideLoop(const Loop *L) const {
1038   // PHI nodes use their value in their incoming blocks.
1039   if (const PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(UserInst)) {
1040     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
1041       if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace &&
1042           L->contains(PN->getIncomingBlock(i)))
1043         return false;
1044     return true;
1045   }
1046
1047   return !L->contains(UserInst);
1048 }
1049
1050 void LSRFixup::print(raw_ostream &OS) const {
1051   OS << "UserInst=";
1052   // Store is common and interesting enough to be worth special-casing.
1053   if (StoreInst *Store = dyn_cast<StoreInst>(UserInst)) {
1054     OS << "store ";
1055     WriteAsOperand(OS, Store->getOperand(0), /*PrintType=*/false);
1056   } else if (UserInst->getType()->isVoidTy())
1057     OS << UserInst->getOpcodeName();
1058   else
1059     WriteAsOperand(OS, UserInst, /*PrintType=*/false);
1060
1061   OS << ", OperandValToReplace=";
1062   WriteAsOperand(OS, OperandValToReplace, /*PrintType=*/false);
1063
1064   for (PostIncLoopSet::const_iterator I = PostIncLoops.begin(),
1065        E = PostIncLoops.end(); I != E; ++I) {
1066     OS << ", PostIncLoop=";
1067     WriteAsOperand(OS, (*I)->getHeader(), /*PrintType=*/false);
1068   }
1069
1070   if (LUIdx != ~size_t(0))
1071     OS << ", LUIdx=" << LUIdx;
1072
1073   if (Offset != 0)
1074     OS << ", Offset=" << Offset;
1075 }
1076
1077 void LSRFixup::dump() const {
1078   print(errs()); errs() << '\n';
1079 }
1080
1081 namespace {
1082
1083 /// UniquifierDenseMapInfo - A DenseMapInfo implementation for holding
1084 /// DenseMaps and DenseSets of sorted SmallVectors of const SCEV*.
1085 struct UniquifierDenseMapInfo {
1086   static SmallVector<const SCEV *, 2> getEmptyKey() {
1087     SmallVector<const SCEV *, 2> V;
1088     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1));
1089     return V;
1090   }
1091
1092   static SmallVector<const SCEV *, 2> getTombstoneKey() {
1093     SmallVector<const SCEV *, 2> V;
1094     V.push_back(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2));
1095     return V;
1096   }
1097
1098   static unsigned getHashValue(const SmallVector<const SCEV *, 2> &V) {
1099     unsigned Result = 0;
1100     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = V.begin(),
1101          E = V.end(); I != E; ++I)
1102       Result ^= DenseMapInfo<const SCEV *>::getHashValue(*I);
1103     return Result;
1104   }
1105
1106   static bool isEqual(const SmallVector<const SCEV *, 2> &LHS,
1107                       const SmallVector<const SCEV *, 2> &RHS) {
1108     return LHS == RHS;
1109   }
1110 };
1111
1112 /// LSRUse - This class holds the state that LSR keeps for each use in
1113 /// IVUsers, as well as uses invented by LSR itself. It includes information
1114 /// about what kinds of things can be folded into the user, information about
1115 /// the user itself, and information about how the use may be satisfied.
1116 /// TODO: Represent multiple users of the same expression in common?
1117 class LSRUse {
1118   DenseSet<SmallVector<const SCEV *, 2>, UniquifierDenseMapInfo> Uniquifier;
1119
1120 public:
1121   /// KindType - An enum for a kind of use, indicating what types of
1122   /// scaled and immediate operands it might support.
1123   enum KindType {
1124     Basic,   ///< A normal use, with no folding.
1125     Special, ///< A special case of basic, allowing -1 scales.
1126     Address, ///< An address use; folding according to TargetLowering
1127     ICmpZero ///< An equality icmp with both operands folded into one.
1128     // TODO: Add a generic icmp too?
1129   };
1130
1131   KindType Kind;
1132   Type *AccessTy;
1133
1134   SmallVector<int64_t, 8> Offsets;
1135   int64_t MinOffset;
1136   int64_t MaxOffset;
1137
1138   /// AllFixupsOutsideLoop - This records whether all of the fixups using this
1139   /// LSRUse are outside of the loop, in which case some special-case heuristics
1140   /// may be used.
1141   bool AllFixupsOutsideLoop;
1142
1143   /// WidestFixupType - This records the widest use type for any fixup using
1144   /// this LSRUse. FindUseWithSimilarFormula can't consider uses with different
1145   /// max fixup widths to be equivalent, because the narrower one may be relying
1146   /// on the implicit truncation to truncate away bogus bits.
1147   Type *WidestFixupType;
1148
1149   /// Formulae - A list of ways to build a value that can satisfy this user.
1150   /// After the list is populated, one of these is selected heuristically and
1151   /// used to formulate a replacement for OperandValToReplace in UserInst.
1152   SmallVector<Formula, 12> Formulae;
1153
1154   /// Regs - The set of register candidates used by all formulae in this LSRUse.
1155   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Regs;
1156
1157   LSRUse(KindType K, Type *T) : Kind(K), AccessTy(T),
1158                                       MinOffset(INT64_MAX),
1159                                       MaxOffset(INT64_MIN),
1160                                       AllFixupsOutsideLoop(true),
1161                                       WidestFixupType(0) {}
1162
1163   bool HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const;
1164   bool InsertFormula(const Formula &F);
1165   void DeleteFormula(Formula &F);
1166   void RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &Reguses);
1167
1168   void print(raw_ostream &OS) const;
1169   void dump() const;
1170 };
1171
1172 }
1173
1174 /// HasFormula - Test whether this use as a formula which has the same
1175 /// registers as the given formula.
1176 bool LSRUse::HasFormulaWithSameRegs(const Formula &F) const {
1177   SmallVector<const SCEV *, 2> Key = F.BaseRegs;
1178   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1179   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1180   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1181   return Uniquifier.count(Key);
1182 }
1183
1184 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
1185 /// the list, and return true. Return false otherwise.
1186 bool LSRUse::InsertFormula(const Formula &F) {
1187   SmallVector<const SCEV *, 2> Key = F.BaseRegs;
1188   if (F.ScaledReg) Key.push_back(F.ScaledReg);
1189   // Unstable sort by host order ok, because this is only used for uniquifying.
1190   std::sort(Key.begin(), Key.end());
1191
1192   if (!Uniquifier.insert(Key).second)
1193     return false;
1194
1195   // Using a register to hold the value of 0 is not profitable.
1196   assert((!F.ScaledReg || !F.ScaledReg->isZero()) &&
1197          "Zero allocated in a scaled register!");
1198 #ifndef NDEBUG
1199   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I =
1200        F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
1201     assert(!(*I)->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
1202 #endif
1203
1204   // Add the formula to the list.
1205   Formulae.push_back(F);
1206
1207   // Record registers now being used by this use.
1208   Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1209
1210   return true;
1211 }
1212
1213 /// DeleteFormula - Remove the given formula from this use's list.
1214 void LSRUse::DeleteFormula(Formula &F) {
1215   if (&F != &Formulae.back())
1216     std::swap(F, Formulae.back());
1217   Formulae.pop_back();
1218 }
1219
1220 /// RecomputeRegs - Recompute the Regs field, and update RegUses.
1221 void LSRUse::RecomputeRegs(size_t LUIdx, RegUseTracker &RegUses) {
1222   // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
1223   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> OldRegs = Regs;
1224   Regs.clear();
1225   for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = Formulae.begin(),
1226        E = Formulae.end(); I != E; ++I) {
1227     const Formula &F = *I;
1228     if (F.ScaledReg) Regs.insert(F.ScaledReg);
1229     Regs.insert(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end());
1230   }
1231
1232   // Update the RegTracker.
1233   for (SmallPtrSet<const SCEV *, 4>::iterator I = OldRegs.begin(),
1234        E = OldRegs.end(); I != E; ++I)
1235     if (!Regs.count(*I))
1236       RegUses.DropRegister(*I, LUIdx);
1237 }
1238
1239 void LSRUse::print(raw_ostream &OS) const {
1240   OS << "LSR Use: Kind=";
1241   switch (Kind) {
1242   case Basic:    OS << "Basic"; break;
1243   case Special:  OS << "Special"; break;
1244   case ICmpZero: OS << "ICmpZero"; break;
1245   case Address:
1246     OS << "Address of ";
1247     if (AccessTy->isPointerTy())
1248       OS << "pointer"; // the full pointer type could be really verbose
1249     else
1250       OS << *AccessTy;
1251   }
1252
1253   OS << ", Offsets={";
1254   for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Offsets.begin(),
1255        E = Offsets.end(); I != E; ++I) {
1256     OS << *I;
1257     if (llvm::next(I) != E)
1258       OS << ',';
1259   }
1260   OS << '}';
1261
1262   if (AllFixupsOutsideLoop)
1263     OS << ", all-fixups-outside-loop";
1264
1265   if (WidestFixupType)
1266     OS << ", widest fixup type: " << *WidestFixupType;
1267 }
1268
1269 void LSRUse::dump() const {
1270   print(errs()); errs() << '\n';
1271 }
1272
1273 /// isLegalUse - Test whether the use described by AM is "legal", meaning it can
1274 /// be completely folded into the user instruction at isel time. This includes
1275 /// address-mode folding and special icmp tricks.
1276 static bool isLegalUse(const TargetLowering::AddrMode &AM,
1277                        LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1278                        const TargetLowering *TLI) {
1279   switch (Kind) {
1280   case LSRUse::Address:
1281     // If we have low-level target information, ask the target if it can
1282     // completely fold this address.
1283     if (TLI) return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
1284
1285     // Otherwise, just guess that reg+reg addressing is legal.
1286     return !AM.BaseGV && AM.BaseOffs == 0 && AM.Scale <= 1;
1287
1288   case LSRUse::ICmpZero:
1289     // There's not even a target hook for querying whether it would be legal to
1290     // fold a GV into an ICmp.
1291     if (AM.BaseGV)
1292       return false;
1293
1294     // ICmp only has two operands; don't allow more than two non-trivial parts.
1295     if (AM.Scale != 0 && AM.HasBaseReg && AM.BaseOffs != 0)
1296       return false;
1297
1298     // ICmp only supports no scale or a -1 scale, as we can "fold" a -1 scale by
1299     // putting the scaled register in the other operand of the icmp.
1300     if (AM.Scale != 0 && AM.Scale != -1)
1301       return false;
1302
1303     // If we have low-level target information, ask the target if it can fold an
1304     // integer immediate on an icmp.
1305     if (AM.BaseOffs != 0) {
1306       if (TLI) return TLI->isLegalICmpImmediate(-(uint64_t)AM.BaseOffs);
1307       return false;
1308     }
1309
1310     return true;
1311
1312   case LSRUse::Basic:
1313     // Only handle single-register values.
1314     return !AM.BaseGV && AM.Scale == 0 && AM.BaseOffs == 0;
1315
1316   case LSRUse::Special:
1317     // Only handle -1 scales, or no scale.
1318     return AM.Scale == 0 || AM.Scale == -1;
1319   }
1320
1321   return false;
1322 }
1323
1324 static bool isLegalUse(TargetLowering::AddrMode AM,
1325                        int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1326                        LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1327                        const TargetLowering *TLI) {
1328   // Check for overflow.
1329   if (((int64_t)((uint64_t)AM.BaseOffs + MinOffset) > AM.BaseOffs) !=
1330       (MinOffset > 0))
1331     return false;
1332   AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + MinOffset;
1333   if (isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI)) {
1334     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs - MinOffset;
1335     // Check for overflow.
1336     if (((int64_t)((uint64_t)AM.BaseOffs + MaxOffset) > AM.BaseOffs) !=
1337         (MaxOffset > 0))
1338       return false;
1339     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + MaxOffset;
1340     return isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI);
1341   }
1342   return false;
1343 }
1344
1345 static bool isAlwaysFoldable(int64_t BaseOffs,
1346                              GlobalValue *BaseGV,
1347                              bool HasBaseReg,
1348                              LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1349                              const TargetLowering *TLI) {
1350   // Fast-path: zero is always foldable.
1351   if (BaseOffs == 0 && !BaseGV) return true;
1352
1353   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1354   // base and a scale.
1355   TargetLowering::AddrMode AM;
1356   AM.BaseOffs = BaseOffs;
1357   AM.BaseGV = BaseGV;
1358   AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
1359   AM.Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1360
1361   // Canonicalize a scale of 1 to a base register if the formula doesn't
1362   // already have a base register.
1363   if (!AM.HasBaseReg && AM.Scale == 1) {
1364     AM.Scale = 0;
1365     AM.HasBaseReg = true;
1366   }
1367
1368   return isLegalUse(AM, Kind, AccessTy, TLI);
1369 }
1370
1371 static bool isAlwaysFoldable(const SCEV *S,
1372                              int64_t MinOffset, int64_t MaxOffset,
1373                              bool HasBaseReg,
1374                              LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy,
1375                              const TargetLowering *TLI,
1376                              ScalarEvolution &SE) {
1377   // Fast-path: zero is always foldable.
1378   if (S->isZero()) return true;
1379
1380   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1381   // base and a scale.
1382   int64_t BaseOffs = ExtractImmediate(S, SE);
1383   GlobalValue *BaseGV = ExtractSymbol(S, SE);
1384
1385   // If there's anything else involved, it's not foldable.
1386   if (!S->isZero()) return false;
1387
1388   // Fast-path: zero is always foldable.
1389   if (BaseOffs == 0 && !BaseGV) return true;
1390
1391   // Conservatively, create an address with an immediate and a
1392   // base and a scale.
1393   TargetLowering::AddrMode AM;
1394   AM.BaseOffs = BaseOffs;
1395   AM.BaseGV = BaseGV;
1396   AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
1397   AM.Scale = Kind == LSRUse::ICmpZero ? -1 : 1;
1398
1399   return isLegalUse(AM, MinOffset, MaxOffset, Kind, AccessTy, TLI);
1400 }
1401
1402 namespace {
1403
1404 /// UseMapDenseMapInfo - A DenseMapInfo implementation for holding
1405 /// DenseMaps and DenseSets of pairs of const SCEV* and LSRUse::Kind.
1406 struct UseMapDenseMapInfo {
1407   static std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> getEmptyKey() {
1408     return std::make_pair(reinterpret_cast<const SCEV *>(-1), LSRUse::Basic);
1409   }
1410
1411   static std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> getTombstoneKey() {
1412     return std::make_pair(reinterpret_cast<const SCEV *>(-2), LSRUse::Basic);
1413   }
1414
1415   static unsigned
1416   getHashValue(const std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> &V) {
1417     unsigned Result = DenseMapInfo<const SCEV *>::getHashValue(V.first);
1418     Result ^= DenseMapInfo<unsigned>::getHashValue(unsigned(V.second));
1419     return Result;
1420   }
1421
1422   static bool isEqual(const std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> &LHS,
1423                       const std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType> &RHS) {
1424     return LHS == RHS;
1425   }
1426 };
1427
1428 /// IVInc - An individual increment in a Chain of IV increments.
1429 /// Relate an IV user to an expression that computes the IV it uses from the IV
1430 /// used by the previous link in the Chain.
1431 ///
1432 /// For the head of a chain, IncExpr holds the absolute SCEV expression for the
1433 /// original IVOperand. The head of the chain's IVOperand is only valid during
1434 /// chain collection, before LSR replaces IV users. During chain generation,
1435 /// IncExpr can be used to find the new IVOperand that computes the same
1436 /// expression.
1437 struct IVInc {
1438   Instruction *UserInst;
1439   Value* IVOperand;
1440   const SCEV *IncExpr;
1441
1442   IVInc(Instruction *U, Value *O, const SCEV *E):
1443     UserInst(U), IVOperand(O), IncExpr(E) {}
1444 };
1445
1446 // IVChain - The list of IV increments in program order.
1447 // We typically add the head of a chain without finding subsequent links.
1448 typedef SmallVector<IVInc,1> IVChain;
1449
1450 /// ChainUsers - Helper for CollectChains to track multiple IV increment uses.
1451 /// Distinguish between FarUsers that definitely cross IV increments and
1452 /// NearUsers that may be used between IV increments.
1453 struct ChainUsers {
1454   SmallPtrSet<Instruction*, 4> FarUsers;
1455   SmallPtrSet<Instruction*, 4> NearUsers;
1456 };
1457
1458 /// LSRInstance - This class holds state for the main loop strength reduction
1459 /// logic.
1460 class LSRInstance {
1461   IVUsers &IU;
1462   ScalarEvolution &SE;
1463   DominatorTree &DT;
1464   LoopInfo &LI;
1465   const TargetLowering *const TLI;
1466   Loop *const L;
1467   bool Changed;
1468
1469   /// IVIncInsertPos - This is the insert position that the current loop's
1470   /// induction variable increment should be placed. In simple loops, this is
1471   /// the latch block's terminator. But in more complicated cases, this is a
1472   /// position which will dominate all the in-loop post-increment users.
1473   Instruction *IVIncInsertPos;
1474
1475   /// Factors - Interesting factors between use strides.
1476   SmallSetVector<int64_t, 8> Factors;
1477
1478   /// Types - Interesting use types, to facilitate truncation reuse.
1479   SmallSetVector<Type *, 4> Types;
1480
1481   /// Fixups - The list of operands which are to be replaced.
1482   SmallVector<LSRFixup, 16> Fixups;
1483
1484   /// Uses - The list of interesting uses.
1485   SmallVector<LSRUse, 16> Uses;
1486
1487   /// RegUses - Track which uses use which register candidates.
1488   RegUseTracker RegUses;
1489
1490   // Limit the number of chains to avoid quadratic behavior. We don't expect to
1491   // have more than a few IV increment chains in a loop. Missing a Chain falls
1492   // back to normal LSR behavior for those uses.
1493   static const unsigned MaxChains = 8;
1494
1495   /// IVChainVec - IV users can form a chain of IV increments.
1496   SmallVector<IVChain, MaxChains> IVChainVec;
1497
1498   /// IVIncSet - IV users that belong to profitable IVChains.
1499   SmallPtrSet<Use*, MaxChains> IVIncSet;
1500
1501   void OptimizeShadowIV();
1502   bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse);
1503   ICmpInst *OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse);
1504   void OptimizeLoopTermCond();
1505
1506   void ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
1507                         SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec);
1508   void FinalizeChain(IVChain &Chain);
1509   void CollectChains();
1510   void GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
1511                        SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
1512
1513   void CollectInterestingTypesAndFactors();
1514   void CollectFixupsAndInitialFormulae();
1515
1516   LSRFixup &getNewFixup() {
1517     Fixups.push_back(LSRFixup());
1518     return Fixups.back();
1519   }
1520
1521   // Support for sharing of LSRUses between LSRFixups.
1522   typedef DenseMap<std::pair<const SCEV *, LSRUse::KindType>,
1523                    size_t,
1524                    UseMapDenseMapInfo> UseMapTy;
1525   UseMapTy UseMap;
1526
1527   bool reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
1528                           LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy);
1529
1530   std::pair<size_t, int64_t> getUse(const SCEV *&Expr,
1531                                     LSRUse::KindType Kind,
1532                                     Type *AccessTy);
1533
1534   void DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1535
1536   LSRUse *FindUseWithSimilarFormula(const Formula &F, const LSRUse &OrigLU);
1537
1538   void InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1539   void InsertSupplementalFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx);
1540   void CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx);
1541   bool InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F);
1542
1543   void CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
1544
1545   void GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base,
1546                               unsigned Depth = 0);
1547   void GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1548   void GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1549   void GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1550   void GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1551   void GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1552   void GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base);
1553   void GenerateCrossUseConstantOffsets();
1554   void GenerateAllReuseFormulae();
1555
1556   void FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
1557
1558   size_t EstimateSearchSpaceComplexity() const;
1559   void NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
1560   void NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
1561   void NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
1562   void NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
1563   void NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
1564
1565   void SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1566                     Cost &SolutionCost,
1567                     SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
1568                     const Cost &CurCost,
1569                     const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
1570                     DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const;
1571   void Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const;
1572
1573   BasicBlock::iterator
1574     HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
1575                         const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs) const;
1576   BasicBlock::iterator AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator IP,
1577                                                      const LSRFixup &LF,
1578                                                      const LSRUse &LU) const;
1579
1580   Value *Expand(const LSRFixup &LF,
1581                 const Formula &F,
1582                 BasicBlock::iterator IP,
1583                 SCEVExpander &Rewriter,
1584                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const;
1585   void RewriteForPHI(PHINode *PN, const LSRFixup &LF,
1586                      const Formula &F,
1587                      SCEVExpander &Rewriter,
1588                      SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1589                      Pass *P) const;
1590   void Rewrite(const LSRFixup &LF,
1591                const Formula &F,
1592                SCEVExpander &Rewriter,
1593                SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
1594                Pass *P) const;
1595   void ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
1596                          Pass *P);
1597
1598 public:
1599   LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P);
1600
1601   bool getChanged() const { return Changed; }
1602
1603   void print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const;
1604   void print_fixups(raw_ostream &OS) const;
1605   void print_uses(raw_ostream &OS) const;
1606   void print(raw_ostream &OS) const;
1607   void dump() const;
1608 };
1609
1610 }
1611
1612 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
1613 /// inside the loop then try to eliminate the cast operation.
1614 void LSRInstance::OptimizeShadowIV() {
1615   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1616   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1617     return;
1618
1619   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end();
1620        UI != E; /* empty */) {
1621     IVUsers::const_iterator CandidateUI = UI;
1622     ++UI;
1623     Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
1624     Type *DestTy = NULL;
1625     bool IsSigned = false;
1626
1627     /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
1628        to eliminate this cast.
1629
1630          for (unsigned i = 0; i < n; ++i)
1631            foo((double)i);
1632
1633        is transformed into
1634
1635          double d = 0.0;
1636          for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d)
1637            foo(d);
1638     */
1639     if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1640       IsSigned = false;
1641       DestTy = UCast->getDestTy();
1642     }
1643     else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser())) {
1644       IsSigned = true;
1645       DestTy = SCast->getDestTy();
1646     }
1647     if (!DestTy) continue;
1648
1649     if (TLI) {
1650       // If target does not support DestTy natively then do not apply
1651       // this transformation.
1652       EVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
1653       if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
1654     }
1655
1656     PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
1657     if (!PH) continue;
1658     if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
1659
1660     Type *SrcTy = PH->getType();
1661     int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
1662     if (Mantissa == -1) continue;
1663     if ((int)SE.getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
1664       continue;
1665
1666     unsigned Entry, Latch;
1667     if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
1668       Entry = 0;
1669       Latch = 1;
1670     } else {
1671       Entry = 1;
1672       Latch = 0;
1673     }
1674
1675     ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
1676     if (!Init) continue;
1677     Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, IsSigned ?
1678                                         (double)Init->getSExtValue() :
1679                                         (double)Init->getZExtValue());
1680
1681     BinaryOperator *Incr =
1682       dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
1683     if (!Incr) continue;
1684     if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
1685         && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
1686       continue;
1687
1688     /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
1689     ConstantInt *C = NULL;
1690     if (Incr->getOperand(0) == PH)
1691       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
1692     else if (Incr->getOperand(1) == PH)
1693       C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
1694     else
1695       continue;
1696
1697     if (!C) continue;
1698
1699     // Ignore negative constants, as the code below doesn't handle them
1700     // correctly. TODO: Remove this restriction.
1701     if (!C->getValue().isStrictlyPositive()) continue;
1702
1703     /* Add new PHINode. */
1704     PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, 2, "IV.S.", PH);
1705
1706     /* create new increment. '++d' in above example. */
1707     Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
1708     BinaryOperator *NewIncr =
1709       BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
1710                                Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
1711                              NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
1712
1713     NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
1714     NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
1715
1716     /* Remove cast operation */
1717     ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
1718     ShadowUse->eraseFromParent();
1719     Changed = true;
1720     break;
1721   }
1722 }
1723
1724 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1725 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1726 /// false.
1727 bool LSRInstance::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse) {
1728   for (IVUsers::iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1729     if (UI->getUser() == Cond) {
1730       // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1731       // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1732       // occurs enough in real life to handle.
1733       CondUse = UI;
1734       return true;
1735     }
1736   return false;
1737 }
1738
1739 /// OptimizeMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
1740 /// a max computation.
1741 ///
1742 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
1743 /// like this:
1744 ///
1745 ///   i = 0;
1746 ///   do {
1747 ///     p[i] = 0.0;
1748 ///   } while (++i < n);
1749 ///
1750 /// the trip count isn't just 'n', because 'n' might not be positive. And
1751 /// unfortunately this can come up even for loops where the user didn't use
1752 /// a C do-while loop. For example, seemingly well-behaved top-test loops
1753 /// will commonly be lowered like this:
1754 //
1755 ///   if (n > 0) {
1756 ///     i = 0;
1757 ///     do {
1758 ///       p[i] = 0.0;
1759 ///     } while (++i < n);
1760 ///   }
1761 ///
1762 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
1763 /// test in such a way that indvars can't find it.
1764 ///
1765 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
1766 /// max expression, which allows it to give the loop a canonical
1767 /// induction variable:
1768 ///
1769 ///   i = 0;
1770 ///   max = n < 1 ? 1 : n;
1771 ///   do {
1772 ///     p[i] = 0.0;
1773 ///   } while (++i != max);
1774 ///
1775 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
1776 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
1777 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
1778 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
1779 /// needed, and it does this using a simple analysis that only succeeds if
1780 /// the loop has a canonical induction variable.
1781 ///
1782 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
1783 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
1784 ///
1785 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
1786 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
1787 /// the instructions for the maximum computation.
1788 ///
1789 ICmpInst *LSRInstance::OptimizeMax(ICmpInst *Cond, IVStrideUse* &CondUse) {
1790   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
1791   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
1792       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
1793     return Cond;
1794
1795   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
1796   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
1797
1798   const SCEV *BackedgeTakenCount = SE.getBackedgeTakenCount(L);
1799   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
1800     return Cond;
1801   const SCEV *One = SE.getConstant(BackedgeTakenCount->getType(), 1);
1802
1803   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
1804   const SCEV *IterationCount = SE.getAddExpr(One, BackedgeTakenCount);
1805   if (IterationCount != SE.getSCEV(Sel)) return Cond;
1806
1807   // Check for a max calculation that matches the pattern. There's no check
1808   // for ICMP_ULE here because the comparison would be with zero, which
1809   // isn't interesting.
1810   CmpInst::Predicate Pred = ICmpInst::BAD_ICMP_PREDICATE;
1811   const SCEVNAryExpr *Max = 0;
1812   if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(BackedgeTakenCount)) {
1813     Pred = ICmpInst::ICMP_SLE;
1814     Max = S;
1815   } else if (const SCEVSMaxExpr *S = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount)) {
1816     Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
1817     Max = S;
1818   } else if (const SCEVUMaxExpr *U = dyn_cast<SCEVUMaxExpr>(IterationCount)) {
1819     Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
1820     Max = U;
1821   } else {
1822     // No match; bail.
1823     return Cond;
1824   }
1825
1826   // To handle a max with more than two operands, this optimization would
1827   // require additional checking and setup.
1828   if (Max->getNumOperands() != 2)
1829     return Cond;
1830
1831   const SCEV *MaxLHS = Max->getOperand(0);
1832   const SCEV *MaxRHS = Max->getOperand(1);
1833
1834   // ScalarEvolution canonicalizes constants to the left. For < and >, look
1835   // for a comparison with 1. For <= and >=, a comparison with zero.
1836   if (!MaxLHS ||
1837       (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred) ? !MaxLHS->isZero() : (MaxLHS != One)))
1838     return Cond;
1839
1840   // Check the relevant induction variable for conformance to
1841   // the pattern.
1842   const SCEV *IV = SE.getSCEV(Cond->getOperand(0));
1843   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
1844   if (!AR || !AR->isAffine() ||
1845       AR->getStart() != One ||
1846       AR->getStepRecurrence(SE) != One)
1847     return Cond;
1848
1849   assert(AR->getLoop() == L &&
1850          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
1851
1852   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
1853   // be used in the new comparison instruction.
1854   Value *NewRHS = 0;
1855   if (ICmpInst::isTrueWhenEqual(Pred)) {
1856     // Look for n+1, and grab n.
1857     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(1)))
1858       if (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1)) &&
1859           cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1))->isOne() &&
1860           SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
1861         NewRHS = BO->getOperand(0);
1862     if (AddOperator *BO = dyn_cast<AddOperator>(Sel->getOperand(2)))
1863       if (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1)) &&
1864           cast<ConstantInt>(BO->getOperand(1))->isOne() &&
1865           SE.getSCEV(BO->getOperand(0)) == MaxRHS)
1866         NewRHS = BO->getOperand(0);
1867     if (!NewRHS)
1868       return Cond;
1869   } else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(1)) == MaxRHS)
1870     NewRHS = Sel->getOperand(1);
1871   else if (SE.getSCEV(Sel->getOperand(2)) == MaxRHS)
1872     NewRHS = Sel->getOperand(2);
1873   else if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(MaxRHS))
1874     NewRHS = SU->getValue();
1875   else
1876     // Max doesn't match expected pattern.
1877     return Cond;
1878
1879   // Determine the new comparison opcode. It may be signed or unsigned,
1880   // and the original comparison may be either equality or inequality.
1881   if (Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_EQ)
1882     Pred = CmpInst::getInversePredicate(Pred);
1883
1884   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
1885   // delete the max calculation.
1886   ICmpInst *NewCond =
1887     new ICmpInst(Cond, Pred, Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp");
1888
1889   // Delete the max calculation instructions.
1890   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
1891   CondUse->setUser(NewCond);
1892   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
1893   Cond->eraseFromParent();
1894   Sel->eraseFromParent();
1895   if (Cmp->use_empty())
1896     Cmp->eraseFromParent();
1897   return NewCond;
1898 }
1899
1900 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the
1901 /// postinc iv when possible.
1902 void
1903 LSRInstance::OptimizeLoopTermCond() {
1904   SmallPtrSet<Instruction *, 4> PostIncs;
1905
1906   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1907   SmallVector<BasicBlock*, 8> ExitingBlocks;
1908   L->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
1909
1910   for (unsigned i = 0, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i) {
1911     BasicBlock *ExitingBlock = ExitingBlocks[i];
1912
1913     // Get the terminating condition for the loop if possible.  If we
1914     // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
1915     // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
1916     // one register value.
1917
1918     BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
1919     if (!TermBr)
1920       continue;
1921     // FIXME: Overly conservative, termination condition could be an 'or' etc..
1922     if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
1923       continue;
1924
1925     // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
1926     IVStrideUse *CondUse = 0;
1927     ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
1928     if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse))
1929       continue;
1930
1931     // If the trip count is computed in terms of a max (due to ScalarEvolution
1932     // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
1933     // comparison to use SLT or ULT instead of NE.
1934     // One consequence of doing this now is that it disrupts the count-down
1935     // optimization. That's not always a bad thing though, because in such
1936     // cases it may still be worthwhile to avoid a max.
1937     Cond = OptimizeMax(Cond, CondUse);
1938
1939     // If this exiting block dominates the latch block, it may also use
1940     // the post-inc value if it won't be shared with other uses.
1941     // Check for dominance.
1942     if (!DT.dominates(ExitingBlock, LatchBlock))
1943       continue;
1944
1945     // Conservatively avoid trying to use the post-inc value in non-latch
1946     // exits if there may be pre-inc users in intervening blocks.
1947     if (LatchBlock != ExitingBlock)
1948       for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI)
1949         // Test if the use is reachable from the exiting block. This dominator
1950         // query is a conservative approximation of reachability.
1951         if (&*UI != CondUse &&
1952             !DT.properlyDominates(UI->getUser()->getParent(), ExitingBlock)) {
1953           // Conservatively assume there may be reuse if the quotient of their
1954           // strides could be a legal scale.
1955           const SCEV *A = IU.getStride(*CondUse, L);
1956           const SCEV *B = IU.getStride(*UI, L);
1957           if (!A || !B) continue;
1958           if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) !=
1959               SE.getTypeSizeInBits(B->getType())) {
1960             if (SE.getTypeSizeInBits(A->getType()) >
1961                 SE.getTypeSizeInBits(B->getType()))
1962               B = SE.getSignExtendExpr(B, A->getType());
1963             else
1964               A = SE.getSignExtendExpr(A, B->getType());
1965           }
1966           if (const SCEVConstant *D =
1967                 dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(B, A, SE))) {
1968             const ConstantInt *C = D->getValue();
1969             // Stride of one or negative one can have reuse with non-addresses.
1970             if (C->isOne() || C->isAllOnesValue())
1971               goto decline_post_inc;
1972             // Avoid weird situations.
1973             if (C->getValue().getMinSignedBits() >= 64 ||
1974                 C->getValue().isMinSignedValue())
1975               goto decline_post_inc;
1976             // Without TLI, assume that any stride might be valid, and so any
1977             // use might be shared.
1978             if (!TLI)
1979               goto decline_post_inc;
1980             // Check for possible scaled-address reuse.
1981             Type *AccessTy = getAccessType(UI->getUser());
1982             TargetLowering::AddrMode AM;
1983             AM.Scale = C->getSExtValue();
1984             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
1985               goto decline_post_inc;
1986             AM.Scale = -AM.Scale;
1987             if (TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
1988               goto decline_post_inc;
1989           }
1990         }
1991
1992     DEBUG(dbgs() << "  Change loop exiting icmp to use postinc iv: "
1993                  << *Cond << '\n');
1994
1995     // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
1996     // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
1997     // the exiting block branch, move it.
1998     if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != TermBr) {
1999       if (Cond->hasOneUse()) {
2000         Cond->moveBefore(TermBr);
2001       } else {
2002         // Clone the terminating condition and insert into the loopend.
2003         ICmpInst *OldCond = Cond;
2004         Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2005         Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2006         ExitingBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
2007
2008         // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2009         CondUse = &IU.AddUser(Cond, CondUse->getOperandValToReplace());
2010         TermBr->replaceUsesOfWith(OldCond, Cond);
2011       }
2012     }
2013
2014     // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2015     // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2016     // live ranges for the IV correctly.
2017     CondUse->transformToPostInc(L);
2018     Changed = true;
2019
2020     PostIncs.insert(Cond);
2021   decline_post_inc:;
2022   }
2023
2024   // Determine an insertion point for the loop induction variable increment. It
2025   // must dominate all the post-inc comparisons we just set up, and it must
2026   // dominate the loop latch edge.
2027   IVIncInsertPos = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2028   for (SmallPtrSet<Instruction *, 4>::const_iterator I = PostIncs.begin(),
2029        E = PostIncs.end(); I != E; ++I) {
2030     BasicBlock *BB =
2031       DT.findNearestCommonDominator(IVIncInsertPos->getParent(),
2032                                     (*I)->getParent());
2033     if (BB == (*I)->getParent())
2034       IVIncInsertPos = *I;
2035     else if (BB != IVIncInsertPos->getParent())
2036       IVIncInsertPos = BB->getTerminator();
2037   }
2038 }
2039
2040 /// reconcileNewOffset - Determine if the given use can accommodate a fixup
2041 /// at the given offset and other details. If so, update the use and
2042 /// return true.
2043 bool
2044 LSRInstance::reconcileNewOffset(LSRUse &LU, int64_t NewOffset, bool HasBaseReg,
2045                                 LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy) {
2046   int64_t NewMinOffset = LU.MinOffset;
2047   int64_t NewMaxOffset = LU.MaxOffset;
2048   Type *NewAccessTy = AccessTy;
2049
2050   // Check for a mismatched kind. It's tempting to collapse mismatched kinds to
2051   // something conservative, however this can pessimize in the case that one of
2052   // the uses will have all its uses outside the loop, for example.
2053   if (LU.Kind != Kind)
2054     return false;
2055   // Conservatively assume HasBaseReg is true for now.
2056   if (NewOffset < LU.MinOffset) {
2057     if (!isAlwaysFoldable(LU.MaxOffset - NewOffset, 0, HasBaseReg,
2058                           Kind, AccessTy, TLI))
2059       return false;
2060     NewMinOffset = NewOffset;
2061   } else if (NewOffset > LU.MaxOffset) {
2062     if (!isAlwaysFoldable(NewOffset - LU.MinOffset, 0, HasBaseReg,
2063                           Kind, AccessTy, TLI))
2064       return false;
2065     NewMaxOffset = NewOffset;
2066   }
2067   // Check for a mismatched access type, and fall back conservatively as needed.
2068   // TODO: Be less conservative when the type is similar and can use the same
2069   // addressing modes.
2070   if (Kind == LSRUse::Address && AccessTy != LU.AccessTy)
2071     NewAccessTy = Type::getVoidTy(AccessTy->getContext());
2072
2073   // Update the use.
2074   LU.MinOffset = NewMinOffset;
2075   LU.MaxOffset = NewMaxOffset;
2076   LU.AccessTy = NewAccessTy;
2077   if (NewOffset != LU.Offsets.back())
2078     LU.Offsets.push_back(NewOffset);
2079   return true;
2080 }
2081
2082 /// getUse - Return an LSRUse index and an offset value for a fixup which
2083 /// needs the given expression, with the given kind and optional access type.
2084 /// Either reuse an existing use or create a new one, as needed.
2085 std::pair<size_t, int64_t>
2086 LSRInstance::getUse(const SCEV *&Expr,
2087                     LSRUse::KindType Kind, Type *AccessTy) {
2088   const SCEV *Copy = Expr;
2089   int64_t Offset = ExtractImmediate(Expr, SE);
2090
2091   // Basic uses can't accept any offset, for example.
2092   if (!isAlwaysFoldable(Offset, 0, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy, TLI)) {
2093     Expr = Copy;
2094     Offset = 0;
2095   }
2096
2097   std::pair<UseMapTy::iterator, bool> P =
2098     UseMap.insert(std::make_pair(std::make_pair(Expr, Kind), 0));
2099   if (!P.second) {
2100     // A use already existed with this base.
2101     size_t LUIdx = P.first->second;
2102     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2103     if (reconcileNewOffset(LU, Offset, /*HasBaseReg=*/true, Kind, AccessTy))
2104       // Reuse this use.
2105       return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2106   }
2107
2108   // Create a new use.
2109   size_t LUIdx = Uses.size();
2110   P.first->second = LUIdx;
2111   Uses.push_back(LSRUse(Kind, AccessTy));
2112   LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2113
2114   // We don't need to track redundant offsets, but we don't need to go out
2115   // of our way here to avoid them.
2116   if (LU.Offsets.empty() || Offset != LU.Offsets.back())
2117     LU.Offsets.push_back(Offset);
2118
2119   LU.MinOffset = Offset;
2120   LU.MaxOffset = Offset;
2121   return std::make_pair(LUIdx, Offset);
2122 }
2123
2124 /// DeleteUse - Delete the given use from the Uses list.
2125 void LSRInstance::DeleteUse(LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2126   if (&LU != &Uses.back())
2127     std::swap(LU, Uses.back());
2128   Uses.pop_back();
2129
2130   // Update RegUses.
2131   RegUses.SwapAndDropUse(LUIdx, Uses.size());
2132 }
2133
2134 /// FindUseWithFormula - Look for a use distinct from OrigLU which is has
2135 /// a formula that has the same registers as the given formula.
2136 LSRUse *
2137 LSRInstance::FindUseWithSimilarFormula(const Formula &OrigF,
2138                                        const LSRUse &OrigLU) {
2139   // Search all uses for the formula. This could be more clever.
2140   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
2141     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
2142     // Check whether this use is close enough to OrigLU, to see whether it's
2143     // worthwhile looking through its formulae.
2144     // Ignore ICmpZero uses because they may contain formulae generated by
2145     // GenerateICmpZeroScales, in which case adding fixup offsets may
2146     // be invalid.
2147     if (&LU != &OrigLU &&
2148         LU.Kind != LSRUse::ICmpZero &&
2149         LU.Kind == OrigLU.Kind && OrigLU.AccessTy == LU.AccessTy &&
2150         LU.WidestFixupType == OrigLU.WidestFixupType &&
2151         LU.HasFormulaWithSameRegs(OrigF)) {
2152       // Scan through this use's formulae.
2153       for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
2154            E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
2155         const Formula &F = *I;
2156         // Check to see if this formula has the same registers and symbols
2157         // as OrigF.
2158         if (F.BaseRegs == OrigF.BaseRegs &&
2159             F.ScaledReg == OrigF.ScaledReg &&
2160             F.AM.BaseGV == OrigF.AM.BaseGV &&
2161             F.AM.Scale == OrigF.AM.Scale &&
2162             F.UnfoldedOffset == OrigF.UnfoldedOffset) {
2163           if (F.AM.BaseOffs == 0)
2164             return &LU;
2165           // This is the formula where all the registers and symbols matched;
2166           // there aren't going to be any others. Since we declined it, we
2167           // can skip the rest of the formulae and procede to the next LSRUse.
2168           break;
2169         }
2170       }
2171     }
2172   }
2173
2174   // Nothing looked good.
2175   return 0;
2176 }
2177
2178 void LSRInstance::CollectInterestingTypesAndFactors() {
2179   SmallSetVector<const SCEV *, 4> Strides;
2180
2181   // Collect interesting types and strides.
2182   SmallVector<const SCEV *, 4> Worklist;
2183   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
2184     const SCEV *Expr = IU.getExpr(*UI);
2185
2186     // Collect interesting types.
2187     Types.insert(SE.getEffectiveSCEVType(Expr->getType()));
2188
2189     // Add strides for mentioned loops.
2190     Worklist.push_back(Expr);
2191     do {
2192       const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2193       if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2194         if (EnableNested || AR->getLoop() == L)
2195           Strides.insert(AR->getStepRecurrence(SE));
2196         Worklist.push_back(AR->getStart());
2197       } else if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2198         Worklist.append(Add->op_begin(), Add->op_end());
2199       }
2200     } while (!Worklist.empty());
2201   }
2202
2203   // Compute interesting factors from the set of interesting strides.
2204   for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator
2205        I = Strides.begin(), E = Strides.end(); I != E; ++I)
2206     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator NewStrideIter =
2207          llvm::next(I); NewStrideIter != E; ++NewStrideIter) {
2208       const SCEV *OldStride = *I;
2209       const SCEV *NewStride = *NewStrideIter;
2210
2211       if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) !=
2212           SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType())) {
2213         if (SE.getTypeSizeInBits(OldStride->getType()) >
2214             SE.getTypeSizeInBits(NewStride->getType()))
2215           NewStride = SE.getSignExtendExpr(NewStride, OldStride->getType());
2216         else
2217           OldStride = SE.getSignExtendExpr(OldStride, NewStride->getType());
2218       }
2219       if (const SCEVConstant *Factor =
2220             dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(NewStride, OldStride,
2221                                                         SE, true))) {
2222         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2223           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2224       } else if (const SCEVConstant *Factor =
2225                    dyn_cast_or_null<SCEVConstant>(getExactSDiv(OldStride,
2226                                                                NewStride,
2227                                                                SE, true))) {
2228         if (Factor->getValue()->getValue().getMinSignedBits() <= 64)
2229           Factors.insert(Factor->getValue()->getValue().getSExtValue());
2230       }
2231     }
2232
2233   // If all uses use the same type, don't bother looking for truncation-based
2234   // reuse.
2235   if (Types.size() == 1)
2236     Types.clear();
2237
2238   DEBUG(print_factors_and_types(dbgs()));
2239 }
2240
2241 /// findIVOperand - Helper for CollectChains that finds an IV operand (computed
2242 /// by an AddRec in this loop) within [OI,OE) or returns OE. If IVUsers mapped
2243 /// Instructions to IVStrideUses, we could partially skip this.
2244 static User::op_iterator
2245 findIVOperand(User::op_iterator OI, User::op_iterator OE,
2246               Loop *L, ScalarEvolution &SE) {
2247   for(; OI != OE; ++OI) {
2248     if (Instruction *Oper = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
2249       if (!SE.isSCEVable(Oper->getType()))
2250         continue;
2251
2252       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
2253           dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Oper))) {
2254         if (AR->getLoop() == L)
2255           break;
2256       }
2257     }
2258   }
2259   return OI;
2260 }
2261
2262 /// getWideOperand - IVChain logic must consistenctly peek base TruncInst
2263 /// operands, so wrap it in a convenient helper.
2264 static Value *getWideOperand(Value *Oper) {
2265   if (TruncInst *Trunc = dyn_cast<TruncInst>(Oper))
2266     return Trunc->getOperand(0);
2267   return Oper;
2268 }
2269
2270 /// isCompatibleIVType - Return true if we allow an IV chain to include both
2271 /// types.
2272 static bool isCompatibleIVType(Value *LVal, Value *RVal) {
2273   Type *LType = LVal->getType();
2274   Type *RType = RVal->getType();
2275   return (LType == RType) || (LType->isPointerTy() && RType->isPointerTy());
2276 }
2277
2278 /// getExprBase - Return an approximation of this SCEV expression's "base", or
2279 /// NULL for any constant. Returning the expression itself is
2280 /// conservative. Returning a deeper subexpression is more precise and valid as
2281 /// long as it isn't less complex than another subexpression. For expressions
2282 /// involving multiple unscaled values, we need to return the pointer-type
2283 /// SCEVUnknown. This avoids forming chains across objects, such as:
2284 /// PrevOper==a[i], IVOper==b[i], IVInc==b-a.
2285 ///
2286 /// Since SCEVUnknown is the rightmost type, and pointers are the rightmost
2287 /// SCEVUnknown, we simply return the rightmost SCEV operand.
2288 static const SCEV *getExprBase(const SCEV *S) {
2289   switch (S->getSCEVType()) {
2290   default: // uncluding scUnknown.
2291     return S;
2292   case scConstant:
2293     return 0;
2294   case scTruncate:
2295     return getExprBase(cast<SCEVTruncateExpr>(S)->getOperand());
2296   case scZeroExtend:
2297     return getExprBase(cast<SCEVZeroExtendExpr>(S)->getOperand());
2298   case scSignExtend:
2299     return getExprBase(cast<SCEVSignExtendExpr>(S)->getOperand());
2300   case scAddExpr: {
2301     // Skip over scaled operands (scMulExpr) to follow add operands as long as
2302     // there's nothing more complex.
2303     // FIXME: not sure if we want to recognize negation.
2304     const SCEVAddExpr *Add = cast<SCEVAddExpr>(S);
2305     for (std::reverse_iterator<SCEVAddExpr::op_iterator> I(Add->op_end()),
2306            E(Add->op_begin()); I != E; ++I) {
2307       const SCEV *SubExpr = *I;
2308       if (SubExpr->getSCEVType() == scAddExpr)
2309         return getExprBase(SubExpr);
2310
2311       if (SubExpr->getSCEVType() != scMulExpr)
2312         return SubExpr;
2313     }
2314     return S; // all operands are scaled, be conservative.
2315   }
2316   case scAddRecExpr:
2317     return getExprBase(cast<SCEVAddRecExpr>(S)->getStart());
2318   }
2319 }
2320
2321 /// Return true if the chain increment is profitable to expand into a loop
2322 /// invariant value, which may require its own register. A profitable chain
2323 /// increment will be an offset relative to the same base. We allow such offsets
2324 /// to potentially be used as chain increment as long as it's not obviously
2325 /// expensive to expand using real instructions.
2326 static const SCEV *
2327 getProfitableChainIncrement(Value *NextIV, Value *PrevIV,
2328                             const IVChain &Chain, Loop *L,
2329                             ScalarEvolution &SE, const TargetLowering *TLI) {
2330   // Prune the solution space aggressively by checking that both IV operands
2331   // are expressions that operate on the same unscaled SCEVUnknown. This
2332   // "base" will be canceled by the subsequent getMinusSCEV call. Checking first
2333   // avoids creating extra SCEV expressions.
2334   const SCEV *OperExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2335   const SCEV *PrevExpr = SE.getSCEV(PrevIV);
2336   if (getExprBase(OperExpr) != getExprBase(PrevExpr) && !StressIVChain)
2337     return 0;
2338
2339   const SCEV *IncExpr = SE.getMinusSCEV(OperExpr, PrevExpr);
2340   if (!SE.isLoopInvariant(IncExpr, L))
2341     return 0;
2342
2343   // We are not able to expand an increment unless it is loop invariant,
2344   // however, the following checks are purely for profitability.
2345   if (StressIVChain)
2346     return IncExpr;
2347
2348   // Do not replace a constant offset from IV head with a nonconstant IV
2349   // increment.
2350   if (!isa<SCEVConstant>(IncExpr)) {
2351     const SCEV *HeadExpr = SE.getSCEV(getWideOperand(Chain[0].IVOperand));
2352     if (isa<SCEVConstant>(SE.getMinusSCEV(OperExpr, HeadExpr)))
2353       return 0;
2354   }
2355
2356   SmallPtrSet<const SCEV*, 8> Processed;
2357   if (isHighCostExpansion(IncExpr, Processed, SE))
2358     return 0;
2359
2360   return IncExpr;
2361 }
2362
2363 /// Return true if the number of registers needed for the chain is estimated to
2364 /// be less than the number required for the individual IV users. First prohibit
2365 /// any IV users that keep the IV live across increments (the Users set should
2366 /// be empty). Next count the number and type of increments in the chain.
2367 ///
2368 /// Chaining IVs can lead to considerable code bloat if ISEL doesn't
2369 /// effectively use postinc addressing modes. Only consider it profitable it the
2370 /// increments can be computed in fewer registers when chained.
2371 ///
2372 /// TODO: Consider IVInc free if it's already used in another chains.
2373 static bool
2374 isProfitableChain(IVChain &Chain, SmallPtrSet<Instruction*, 4> &Users,
2375                   ScalarEvolution &SE, const TargetLowering *TLI) {
2376   if (StressIVChain)
2377     return true;
2378
2379   if (Chain.size() <= 2)
2380     return false;
2381
2382   if (!Users.empty()) {
2383     DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain[0].UserInst << " users:\n";
2384           for (SmallPtrSet<Instruction*, 4>::const_iterator I = Users.begin(),
2385                  E = Users.end(); I != E; ++I) {
2386             dbgs() << "  " << **I << "\n";
2387           });
2388     return false;
2389   }
2390   assert(!Chain.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2391
2392   // The chain itself may require a register, so intialize cost to 1.
2393   int cost = 1;
2394
2395   // A complete chain likely eliminates the need for keeping the original IV in
2396   // a register. LSR does not currently know how to form a complete chain unless
2397   // the header phi already exists.
2398   if (isa<PHINode>(Chain.back().UserInst)
2399       && SE.getSCEV(Chain.back().UserInst) == Chain[0].IncExpr) {
2400     --cost;
2401   }
2402   const SCEV *LastIncExpr = 0;
2403   unsigned NumConstIncrements = 0;
2404   unsigned NumVarIncrements = 0;
2405   unsigned NumReusedIncrements = 0;
2406   for (IVChain::const_iterator I = llvm::next(Chain.begin()), E = Chain.end();
2407        I != E; ++I) {
2408
2409     if (I->IncExpr->isZero())
2410       continue;
2411
2412     // Incrementing by zero or some constant is neutral. We assume constants can
2413     // be folded into an addressing mode or an add's immediate operand.
2414     if (isa<SCEVConstant>(I->IncExpr)) {
2415       ++NumConstIncrements;
2416       continue;
2417     }
2418
2419     if (I->IncExpr == LastIncExpr)
2420       ++NumReusedIncrements;
2421     else
2422       ++NumVarIncrements;
2423
2424     LastIncExpr = I->IncExpr;
2425   }
2426   // An IV chain with a single increment is handled by LSR's postinc
2427   // uses. However, a chain with multiple increments requires keeping the IV's
2428   // value live longer than it needs to be if chained.
2429   if (NumConstIncrements > 1)
2430     --cost;
2431
2432   // Materializing increment expressions in the preheader that didn't exist in
2433   // the original code may cost a register. For example, sign-extended array
2434   // indices can produce ridiculous increments like this:
2435   // IV + ((sext i32 (2 * %s) to i64) + (-1 * (sext i32 %s to i64)))
2436   cost += NumVarIncrements;
2437
2438   // Reusing variable increments likely saves a register to hold the multiple of
2439   // the stride.
2440   cost -= NumReusedIncrements;
2441
2442   DEBUG(dbgs() << "Chain: " << *Chain[0].UserInst << " Cost: " << cost << "\n");
2443
2444   return cost < 0;
2445 }
2446
2447 /// ChainInstruction - Add this IV user to an existing chain or make it the head
2448 /// of a new chain.
2449 void LSRInstance::ChainInstruction(Instruction *UserInst, Instruction *IVOper,
2450                                    SmallVectorImpl<ChainUsers> &ChainUsersVec) {
2451   // When IVs are used as types of varying widths, they are generally converted
2452   // to a wider type with some uses remaining narrow under a (free) trunc.
2453   Value *NextIV = getWideOperand(IVOper);
2454
2455   // Visit all existing chains. Check if its IVOper can be computed as a
2456   // profitable loop invariant increment from the last link in the Chain.
2457   unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2458   const SCEV *LastIncExpr = 0;
2459   for (; ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2460     Value *PrevIV = getWideOperand(IVChainVec[ChainIdx].back().IVOperand);
2461     if (!isCompatibleIVType(PrevIV, NextIV))
2462       continue;
2463
2464     // A phi nodes terminates a chain.
2465     if (isa<PHINode>(UserInst)
2466         && isa<PHINode>(IVChainVec[ChainIdx].back().UserInst))
2467       continue;
2468
2469     if (const SCEV *IncExpr =
2470         getProfitableChainIncrement(NextIV, PrevIV, IVChainVec[ChainIdx],
2471                                     L, SE, TLI)) {
2472       LastIncExpr = IncExpr;
2473       break;
2474     }
2475   }
2476   // If we haven't found a chain, create a new one, unless we hit the max. Don't
2477   // bother for phi nodes, because they must be last in the chain.
2478   if (ChainIdx == NChains) {
2479     if (isa<PHINode>(UserInst))
2480       return;
2481     if (NChains >= MaxChains && !StressIVChain) {
2482       DEBUG(dbgs() << "IV Chain Limit\n");
2483       return;
2484     }
2485     ++NChains;
2486     IVChainVec.resize(NChains);
2487     ChainUsersVec.resize(NChains);
2488     LastIncExpr = SE.getSCEV(NextIV);
2489     assert(isa<SCEVAddRecExpr>(LastIncExpr) && "expect recurrence at IV user");
2490     DEBUG(dbgs() << "IV Head: (" << *UserInst << ") IV=" << *LastIncExpr
2491           << "\n");
2492   }
2493   else
2494     DEBUG(dbgs() << "IV  Inc: (" << *UserInst << ") IV+" << *LastIncExpr
2495           << "\n");
2496
2497   // Add this IV user to the end of the chain.
2498   IVChainVec[ChainIdx].push_back(IVInc(UserInst, IVOper, LastIncExpr));
2499
2500   SmallPtrSet<Instruction*,4> &NearUsers = ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers;
2501   // This chain's NearUsers become FarUsers.
2502   if (!LastIncExpr->isZero()) {
2503     ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.insert(NearUsers.begin(),
2504                                             NearUsers.end());
2505     NearUsers.clear();
2506   }
2507
2508   // All other uses of IVOperand become near uses of the chain.
2509   // We currently ignore intermediate values within SCEV expressions, assuming
2510   // they will eventually be used be the current chain, or can be computed
2511   // from one of the chain increments. To be more precise we could
2512   // transitively follow its user and only add leaf IV users to the set.
2513   for (Value::use_iterator UseIter = IVOper->use_begin(),
2514          UseEnd = IVOper->use_end(); UseIter != UseEnd; ++UseIter) {
2515     Instruction *OtherUse = dyn_cast<Instruction>(*UseIter);
2516     if (SE.isSCEVable(OtherUse->getType())
2517         && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(OtherUse))
2518         && IU.isIVUserOrOperand(OtherUse)) {
2519       continue;
2520     }
2521     if (OtherUse && OtherUse != UserInst)
2522       NearUsers.insert(OtherUse);
2523   }
2524
2525   // Since this user is part of the chain, it's no longer considered a use
2526   // of the chain.
2527   ChainUsersVec[ChainIdx].FarUsers.erase(UserInst);
2528 }
2529
2530 /// CollectChains - Populate the vector of Chains.
2531 ///
2532 /// This decreases ILP at the architecture level. Targets with ample registers,
2533 /// multiple memory ports, and no register renaming probably don't want
2534 /// this. However, such targets should probably disable LSR altogether.
2535 ///
2536 /// The job of LSR is to make a reasonable choice of induction variables across
2537 /// the loop. Subsequent passes can easily "unchain" computation exposing more
2538 /// ILP *within the loop* if the target wants it.
2539 ///
2540 /// Finding the best IV chain is potentially a scheduling problem. Since LSR
2541 /// will not reorder memory operations, it will recognize this as a chain, but
2542 /// will generate redundant IV increments. Ideally this would be corrected later
2543 /// by a smart scheduler:
2544 ///        = A[i]
2545 ///        = A[i+x]
2546 /// A[i]   =
2547 /// A[i+x] =
2548 ///
2549 /// TODO: Walk the entire domtree within this loop, not just the path to the
2550 /// loop latch. This will discover chains on side paths, but requires
2551 /// maintaining multiple copies of the Chains state.
2552 void LSRInstance::CollectChains() {
2553   SmallVector<ChainUsers, 8> ChainUsersVec;
2554
2555   SmallVector<BasicBlock *,8> LatchPath;
2556   BasicBlock *LoopHeader = L->getHeader();
2557   for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(L->getLoopLatch());
2558        Rung->getBlock() != LoopHeader; Rung = Rung->getIDom()) {
2559     LatchPath.push_back(Rung->getBlock());
2560   }
2561   LatchPath.push_back(LoopHeader);
2562
2563   // Walk the instruction stream from the loop header to the loop latch.
2564   for (SmallVectorImpl<BasicBlock *>::reverse_iterator
2565          BBIter = LatchPath.rbegin(), BBEnd = LatchPath.rend();
2566        BBIter != BBEnd; ++BBIter) {
2567     for (BasicBlock::iterator I = (*BBIter)->begin(), E = (*BBIter)->end();
2568          I != E; ++I) {
2569       // Skip instructions that weren't seen by IVUsers analysis.
2570       if (isa<PHINode>(I) || !IU.isIVUserOrOperand(I))
2571         continue;
2572
2573       // Ignore users that are part of a SCEV expression. This way we only
2574       // consider leaf IV Users. This effectively rediscovers a portion of
2575       // IVUsers analysis but in program order this time.
2576       if (SE.isSCEVable(I->getType()) && !isa<SCEVUnknown>(SE.getSCEV(I)))
2577         continue;
2578
2579       // Remove this instruction from any NearUsers set it may be in.
2580       for (unsigned ChainIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2581            ChainIdx < NChains; ++ChainIdx) {
2582         ChainUsersVec[ChainIdx].NearUsers.erase(I);
2583       }
2584       // Search for operands that can be chained.
2585       SmallPtrSet<Instruction*, 4> UniqueOperands;
2586       User::op_iterator IVOpEnd = I->op_end();
2587       User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(I->op_begin(), IVOpEnd, L, SE);
2588       while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2589         Instruction *IVOpInst = cast<Instruction>(*IVOpIter);
2590         if (UniqueOperands.insert(IVOpInst))
2591           ChainInstruction(I, IVOpInst, ChainUsersVec);
2592         IVOpIter = findIVOperand(llvm::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2593       }
2594     } // Continue walking down the instructions.
2595   } // Continue walking down the domtree.
2596   // Visit phi backedges to determine if the chain can generate the IV postinc.
2597   for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2598        PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2599     if (!SE.isSCEVable(PN->getType()))
2600       continue;
2601
2602     Instruction *IncV =
2603       dyn_cast<Instruction>(PN->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2604     if (IncV)
2605       ChainInstruction(PN, IncV, ChainUsersVec);
2606   }
2607   // Remove any unprofitable chains.
2608   unsigned ChainIdx = 0;
2609   for (unsigned UsersIdx = 0, NChains = IVChainVec.size();
2610        UsersIdx < NChains; ++UsersIdx) {
2611     if (!isProfitableChain(IVChainVec[UsersIdx],
2612                            ChainUsersVec[UsersIdx].FarUsers, SE, TLI))
2613       continue;
2614     // Preserve the chain at UsesIdx.
2615     if (ChainIdx != UsersIdx)
2616       IVChainVec[ChainIdx] = IVChainVec[UsersIdx];
2617     FinalizeChain(IVChainVec[ChainIdx]);
2618     ++ChainIdx;
2619   }
2620   IVChainVec.resize(ChainIdx);
2621 }
2622
2623 void LSRInstance::FinalizeChain(IVChain &Chain) {
2624   assert(!Chain.empty() && "empty IV chains are not allowed");
2625   DEBUG(dbgs() << "Final Chain: " << *Chain[0].UserInst << "\n");
2626
2627   for (IVChain::const_iterator I = llvm::next(Chain.begin()), E = Chain.end();
2628        I != E; ++I) {
2629     DEBUG(dbgs() << "        Inc: " << *I->UserInst << "\n");
2630     User::op_iterator UseI =
2631       std::find(I->UserInst->op_begin(), I->UserInst->op_end(), I->IVOperand);
2632     assert(UseI != I->UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2633     IVIncSet.insert(UseI);
2634   }
2635 }
2636
2637 /// Return true if the IVInc can be folded into an addressing mode.
2638 static bool canFoldIVIncExpr(const SCEV *IncExpr, Instruction *UserInst,
2639                              Value *Operand, const TargetLowering *TLI) {
2640   const SCEVConstant *IncConst = dyn_cast<SCEVConstant>(IncExpr);
2641   if (!IncConst || !isAddressUse(UserInst, Operand))
2642     return false;
2643
2644   if (IncConst->getValue()->getValue().getMinSignedBits() > 64)
2645     return false;
2646
2647   int64_t IncOffset = IncConst->getValue()->getSExtValue();
2648   if (!isAlwaysFoldable(IncOffset, /*BaseGV=*/0, /*HaseBaseReg=*/false,
2649                        LSRUse::Address, getAccessType(UserInst), TLI))
2650     return false;
2651
2652   return true;
2653 }
2654
2655 /// GenerateIVChains - Generate an add or subtract for each IVInc in a chain to
2656 /// materialize the IV user's operand from the previous IV user's operand.
2657 void LSRInstance::GenerateIVChain(const IVChain &Chain, SCEVExpander &Rewriter,
2658                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
2659   // Find the new IVOperand for the head of the chain. It may have been replaced
2660   // by LSR.
2661   const IVInc &Head = Chain[0];
2662   User::op_iterator IVOpEnd = Head.UserInst->op_end();
2663   User::op_iterator IVOpIter = findIVOperand(Head.UserInst->op_begin(),
2664                                              IVOpEnd, L, SE);
2665   Value *IVSrc = 0;
2666   while (IVOpIter != IVOpEnd) {
2667     IVSrc = getWideOperand(*IVOpIter);
2668
2669     // If this operand computes the expression that the chain needs, we may use
2670     // it. (Check this after setting IVSrc which is used below.)
2671     //
2672     // Note that if Head.IncExpr is wider than IVSrc, then this phi is too
2673     // narrow for the chain, so we can no longer use it. We do allow using a
2674     // wider phi, assuming the LSR checked for free truncation. In that case we
2675     // should already have a truncate on this operand such that
2676     // getSCEV(IVSrc) == IncExpr.
2677     if (SE.getSCEV(*IVOpIter) == Head.IncExpr
2678         || SE.getSCEV(IVSrc) == Head.IncExpr) {
2679       break;
2680     }
2681     IVOpIter = findIVOperand(llvm::next(IVOpIter), IVOpEnd, L, SE);
2682   }
2683   if (IVOpIter == IVOpEnd) {
2684     // Gracefully give up on this chain.
2685     DEBUG(dbgs() << "Concealed chain head: " << *Head.UserInst << "\n");
2686     return;
2687   }
2688
2689   DEBUG(dbgs() << "Generate chain at: " << *IVSrc << "\n");
2690   Type *IVTy = IVSrc->getType();
2691   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(IVTy);
2692   const SCEV *LeftOverExpr = 0;
2693   for (IVChain::const_iterator IncI = llvm::next(Chain.begin()),
2694          IncE = Chain.end(); IncI != IncE; ++IncI) {
2695
2696     Instruction *InsertPt = IncI->UserInst;
2697     if (isa<PHINode>(InsertPt))
2698       InsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
2699
2700     // IVOper will replace the current IV User's operand. IVSrc is the IV
2701     // value currently held in a register.
2702     Value *IVOper = IVSrc;
2703     if (!IncI->IncExpr->isZero()) {
2704       // IncExpr was the result of subtraction of two narrow values, so must
2705       // be signed.
2706       const SCEV *IncExpr = SE.getNoopOrSignExtend(IncI->IncExpr, IntTy);
2707       LeftOverExpr = LeftOverExpr ?
2708         SE.getAddExpr(LeftOverExpr, IncExpr) : IncExpr;
2709     }
2710     if (LeftOverExpr && !LeftOverExpr->isZero()) {
2711       // Expand the IV increment.
2712       Rewriter.clearPostInc();
2713       Value *IncV = Rewriter.expandCodeFor(LeftOverExpr, IntTy, InsertPt);
2714       const SCEV *IVOperExpr = SE.getAddExpr(SE.getUnknown(IVSrc),
2715                                              SE.getUnknown(IncV));
2716       IVOper = Rewriter.expandCodeFor(IVOperExpr, IVTy, InsertPt);
2717
2718       // If an IV increment can't be folded, use it as the next IV value.
2719       if (!canFoldIVIncExpr(LeftOverExpr, IncI->UserInst, IncI->IVOperand,
2720                             TLI)) {
2721         assert(IVTy == IVOper->getType() && "inconsistent IV increment type");
2722         IVSrc = IVOper;
2723         LeftOverExpr = 0;
2724       }
2725     }
2726     Type *OperTy = IncI->IVOperand->getType();
2727     if (IVTy != OperTy) {
2728       assert(SE.getTypeSizeInBits(IVTy) >= SE.getTypeSizeInBits(OperTy) &&
2729              "cannot extend a chained IV");
2730       IRBuilder<> Builder(InsertPt);
2731       IVOper = Builder.CreateTruncOrBitCast(IVOper, OperTy, "lsr.chain");
2732     }
2733     IncI->UserInst->replaceUsesOfWith(IncI->IVOperand, IVOper);
2734     DeadInsts.push_back(IncI->IVOperand);
2735   }
2736   // If LSR created a new, wider phi, we may also replace its postinc. We only
2737   // do this if we also found a wide value for the head of the chain.
2738   if (isa<PHINode>(Chain.back().UserInst)) {
2739     for (BasicBlock::iterator I = L->getHeader()->begin();
2740          PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I); ++I) {
2741       if (!isCompatibleIVType(Phi, IVSrc))
2742         continue;
2743       Instruction *PostIncV = dyn_cast<Instruction>(
2744         Phi->getIncomingValueForBlock(L->getLoopLatch()));
2745       if (!PostIncV || (SE.getSCEV(PostIncV) != SE.getSCEV(IVSrc)))
2746         continue;
2747       Value *IVOper = IVSrc;
2748       Type *PostIncTy = PostIncV->getType();
2749       if (IVTy != PostIncTy) {
2750         assert(PostIncTy->isPointerTy() && "mixing int/ptr IV types");
2751         IRBuilder<> Builder(L->getLoopLatch()->getTerminator());
2752         Builder.SetCurrentDebugLocation(PostIncV->getDebugLoc());
2753         IVOper = Builder.CreatePointerCast(IVSrc, PostIncTy, "lsr.chain");
2754       }
2755       Phi->replaceUsesOfWith(PostIncV, IVOper);
2756       DeadInsts.push_back(PostIncV);
2757     }
2758   }
2759 }
2760
2761 void LSRInstance::CollectFixupsAndInitialFormulae() {
2762   for (IVUsers::const_iterator UI = IU.begin(), E = IU.end(); UI != E; ++UI) {
2763     Instruction *UserInst = UI->getUser();
2764     // Skip IV users that are part of profitable IV Chains.
2765     User::op_iterator UseI = std::find(UserInst->op_begin(), UserInst->op_end(),
2766                                        UI->getOperandValToReplace());
2767     assert(UseI != UserInst->op_end() && "cannot find IV operand");
2768     if (IVIncSet.count(UseI))
2769       continue;
2770
2771     // Record the uses.
2772     LSRFixup &LF = getNewFixup();
2773     LF.UserInst = UserInst;
2774     LF.OperandValToReplace = UI->getOperandValToReplace();
2775     LF.PostIncLoops = UI->getPostIncLoops();
2776
2777     LSRUse::KindType Kind = LSRUse::Basic;
2778     Type *AccessTy = 0;
2779     if (isAddressUse(LF.UserInst, LF.OperandValToReplace)) {
2780       Kind = LSRUse::Address;
2781       AccessTy = getAccessType(LF.UserInst);
2782     }
2783
2784     const SCEV *S = IU.getExpr(*UI);
2785
2786     // Equality (== and !=) ICmps are special. We can rewrite (i == N) as
2787     // (N - i == 0), and this allows (N - i) to be the expression that we work
2788     // with rather than just N or i, so we can consider the register
2789     // requirements for both N and i at the same time. Limiting this code to
2790     // equality icmps is not a problem because all interesting loops use
2791     // equality icmps, thanks to IndVarSimplify.
2792     if (ICmpInst *CI = dyn_cast<ICmpInst>(LF.UserInst))
2793       if (CI->isEquality()) {
2794         // Swap the operands if needed to put the OperandValToReplace on the
2795         // left, for consistency.
2796         Value *NV = CI->getOperand(1);
2797         if (NV == LF.OperandValToReplace) {
2798           CI->setOperand(1, CI->getOperand(0));
2799           CI->setOperand(0, NV);
2800           NV = CI->getOperand(1);
2801           Changed = true;
2802         }
2803
2804         // x == y  -->  x - y == 0
2805         const SCEV *N = SE.getSCEV(NV);
2806         if (SE.isLoopInvariant(N, L)) {
2807           // S is normalized, so normalize N before folding it into S
2808           // to keep the result normalized.
2809           N = TransformForPostIncUse(Normalize, N, CI, 0,
2810                                      LF.PostIncLoops, SE, DT);
2811           Kind = LSRUse::ICmpZero;
2812           S = SE.getMinusSCEV(N, S);
2813         }
2814
2815         // -1 and the negations of all interesting strides (except the negation
2816         // of -1) are now also interesting.
2817         for (size_t i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
2818           if (Factors[i] != -1)
2819             Factors.insert(-(uint64_t)Factors[i]);
2820         Factors.insert(-1);
2821       }
2822
2823     // Set up the initial formula for this use.
2824     std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, Kind, AccessTy);
2825     LF.LUIdx = P.first;
2826     LF.Offset = P.second;
2827     LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2828     LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
2829     if (!LU.WidestFixupType ||
2830         SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
2831         SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
2832       LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
2833
2834     // If this is the first use of this LSRUse, give it a formula.
2835     if (LU.Formulae.empty()) {
2836       InsertInitialFormula(S, LU, LF.LUIdx);
2837       CountRegisters(LU.Formulae.back(), LF.LUIdx);
2838     }
2839   }
2840
2841   DEBUG(print_fixups(dbgs()));
2842 }
2843
2844 /// InsertInitialFormula - Insert a formula for the given expression into
2845 /// the given use, separating out loop-variant portions from loop-invariant
2846 /// and loop-computable portions.
2847 void
2848 LSRInstance::InsertInitialFormula(const SCEV *S, LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2849   Formula F;
2850   F.InitialMatch(S, L, SE);
2851   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2852   assert(Inserted && "Initial formula already exists!"); (void)Inserted;
2853 }
2854
2855 /// InsertSupplementalFormula - Insert a simple single-register formula for
2856 /// the given expression into the given use.
2857 void
2858 LSRInstance::InsertSupplementalFormula(const SCEV *S,
2859                                        LSRUse &LU, size_t LUIdx) {
2860   Formula F;
2861   F.BaseRegs.push_back(S);
2862   F.AM.HasBaseReg = true;
2863   bool Inserted = InsertFormula(LU, LUIdx, F);
2864   assert(Inserted && "Supplemental formula already exists!"); (void)Inserted;
2865 }
2866
2867 /// CountRegisters - Note which registers are used by the given formula,
2868 /// updating RegUses.
2869 void LSRInstance::CountRegisters(const Formula &F, size_t LUIdx) {
2870   if (F.ScaledReg)
2871     RegUses.CountRegister(F.ScaledReg, LUIdx);
2872   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
2873        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I)
2874     RegUses.CountRegister(*I, LUIdx);
2875 }
2876
2877 /// InsertFormula - If the given formula has not yet been inserted, add it to
2878 /// the list, and return true. Return false otherwise.
2879 bool LSRInstance::InsertFormula(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, const Formula &F) {
2880   if (!LU.InsertFormula(F))
2881     return false;
2882
2883   CountRegisters(F, LUIdx);
2884   return true;
2885 }
2886
2887 /// CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae - Check for other uses of
2888 /// loop-invariant values which we're tracking. These other uses will pin these
2889 /// values in registers, making them less profitable for elimination.
2890 /// TODO: This currently misses non-constant addrec step registers.
2891 /// TODO: Should this give more weight to users inside the loop?
2892 void
2893 LSRInstance::CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae() {
2894   SmallVector<const SCEV *, 8> Worklist(RegUses.begin(), RegUses.end());
2895   SmallPtrSet<const SCEV *, 8> Inserted;
2896
2897   while (!Worklist.empty()) {
2898     const SCEV *S = Worklist.pop_back_val();
2899
2900     if (const SCEVNAryExpr *N = dyn_cast<SCEVNAryExpr>(S))
2901       Worklist.append(N->op_begin(), N->op_end());
2902     else if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
2903       Worklist.push_back(C->getOperand());
2904     else if (const SCEVUDivExpr *D = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S)) {
2905       Worklist.push_back(D->getLHS());
2906       Worklist.push_back(D->getRHS());
2907     } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(S)) {
2908       if (!Inserted.insert(U)) continue;
2909       const Value *V = U->getValue();
2910       if (const Instruction *Inst = dyn_cast<Instruction>(V)) {
2911         // Look for instructions defined outside the loop.
2912         if (L->contains(Inst)) continue;
2913       } else if (isa<UndefValue>(V))
2914         // Undef doesn't have a live range, so it doesn't matter.
2915         continue;
2916       for (Value::const_use_iterator UI = V->use_begin(), UE = V->use_end();
2917            UI != UE; ++UI) {
2918         const Instruction *UserInst = dyn_cast<Instruction>(*UI);
2919         // Ignore non-instructions.
2920         if (!UserInst)
2921           continue;
2922         // Ignore instructions in other functions (as can happen with
2923         // Constants).
2924         if (UserInst->getParent()->getParent() != L->getHeader()->getParent())
2925           continue;
2926         // Ignore instructions not dominated by the loop.
2927         const BasicBlock *UseBB = !isa<PHINode>(UserInst) ?
2928           UserInst->getParent() :
2929           cast<PHINode>(UserInst)->getIncomingBlock(
2930             PHINode::getIncomingValueNumForOperand(UI.getOperandNo()));
2931         if (!DT.dominates(L->getHeader(), UseBB))
2932           continue;
2933         // Ignore uses which are part of other SCEV expressions, to avoid
2934         // analyzing them multiple times.
2935         if (SE.isSCEVable(UserInst->getType())) {
2936           const SCEV *UserS = SE.getSCEV(const_cast<Instruction *>(UserInst));
2937           // If the user is a no-op, look through to its uses.
2938           if (!isa<SCEVUnknown>(UserS))
2939             continue;
2940           if (UserS == U) {
2941             Worklist.push_back(
2942               SE.getUnknown(const_cast<Instruction *>(UserInst)));
2943             continue;
2944           }
2945         }
2946         // Ignore icmp instructions which are already being analyzed.
2947         if (const ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(UserInst)) {
2948           unsigned OtherIdx = !UI.getOperandNo();
2949           Value *OtherOp = const_cast<Value *>(ICI->getOperand(OtherIdx));
2950           if (SE.hasComputableLoopEvolution(SE.getSCEV(OtherOp), L))
2951             continue;
2952         }
2953
2954         LSRFixup &LF = getNewFixup();
2955         LF.UserInst = const_cast<Instruction *>(UserInst);
2956         LF.OperandValToReplace = UI.getUse();
2957         std::pair<size_t, int64_t> P = getUse(S, LSRUse::Basic, 0);
2958         LF.LUIdx = P.first;
2959         LF.Offset = P.second;
2960         LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
2961         LU.AllFixupsOutsideLoop &= LF.isUseFullyOutsideLoop(L);
2962         if (!LU.WidestFixupType ||
2963             SE.getTypeSizeInBits(LU.WidestFixupType) <
2964             SE.getTypeSizeInBits(LF.OperandValToReplace->getType()))
2965           LU.WidestFixupType = LF.OperandValToReplace->getType();
2966         InsertSupplementalFormula(U, LU, LF.LUIdx);
2967         CountRegisters(LU.Formulae.back(), Uses.size() - 1);
2968         break;
2969       }
2970     }
2971   }
2972 }
2973
2974 /// CollectSubexprs - Split S into subexpressions which can be pulled out into
2975 /// separate registers. If C is non-null, multiply each subexpression by C.
2976 static void CollectSubexprs(const SCEV *S, const SCEVConstant *C,
2977                             SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
2978                             const Loop *L,
2979                             ScalarEvolution &SE) {
2980   if (const SCEVAddExpr *Add = dyn_cast<SCEVAddExpr>(S)) {
2981     // Break out add operands.
2982     for (SCEVAddExpr::op_iterator I = Add->op_begin(), E = Add->op_end();
2983          I != E; ++I)
2984       CollectSubexprs(*I, C, Ops, L, SE);
2985     return;
2986   } else if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
2987     // Split a non-zero base out of an addrec.
2988     if (!AR->getStart()->isZero()) {
2989       CollectSubexprs(SE.getAddRecExpr(SE.getConstant(AR->getType(), 0),
2990                                        AR->getStepRecurrence(SE),
2991                                        AR->getLoop(),
2992                                        //FIXME: AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNW)
2993                                        SCEV::FlagAnyWrap),
2994                       C, Ops, L, SE);
2995       CollectSubexprs(AR->getStart(), C, Ops, L, SE);
2996       return;
2997     }
2998   } else if (const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(S)) {
2999     // Break (C * (a + b + c)) into C*a + C*b + C*c.
3000     if (Mul->getNumOperands() == 2)
3001       if (const SCEVConstant *Op0 =
3002             dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0))) {
3003         CollectSubexprs(Mul->getOperand(1),
3004                         C ? cast<SCEVConstant>(SE.getMulExpr(C, Op0)) : Op0,
3005                         Ops, L, SE);
3006         return;
3007       }
3008   }
3009
3010   // Otherwise use the value itself, optionally with a scale applied.
3011   Ops.push_back(C ? SE.getMulExpr(C, S) : S);
3012 }
3013
3014 /// GenerateReassociations - Split out subexpressions from adds and the bases of
3015 /// addrecs.
3016 void LSRInstance::GenerateReassociations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3017                                          Formula Base,
3018                                          unsigned Depth) {
3019   // Arbitrarily cap recursion to protect compile time.
3020   if (Depth >= 3) return;
3021
3022   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3023     const SCEV *BaseReg = Base.BaseRegs[i];
3024
3025     SmallVector<const SCEV *, 8> AddOps;
3026     CollectSubexprs(BaseReg, 0, AddOps, L, SE);
3027
3028     if (AddOps.size() == 1) continue;
3029
3030     for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = AddOps.begin(),
3031          JE = AddOps.end(); J != JE; ++J) {
3032
3033       // Loop-variant "unknown" values are uninteresting; we won't be able to
3034       // do anything meaningful with them.
3035       if (isa<SCEVUnknown>(*J) && !SE.isLoopInvariant(*J, L))
3036         continue;
3037
3038       // Don't pull a constant into a register if the constant could be folded
3039       // into an immediate field.
3040       if (isAlwaysFoldable(*J, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3041                            Base.getNumRegs() > 1,
3042                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
3043         continue;
3044
3045       // Collect all operands except *J.
3046       SmallVector<const SCEV *, 8> InnerAddOps
3047         (((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).begin(), J);
3048       InnerAddOps.append
3049         (llvm::next(J), ((const SmallVector<const SCEV *, 8> &)AddOps).end());
3050
3051       // Don't leave just a constant behind in a register if the constant could
3052       // be folded into an immediate field.
3053       if (InnerAddOps.size() == 1 &&
3054           isAlwaysFoldable(InnerAddOps[0], LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3055                            Base.getNumRegs() > 1,
3056                            LU.Kind, LU.AccessTy, TLI, SE))
3057         continue;
3058
3059       const SCEV *InnerSum = SE.getAddExpr(InnerAddOps);
3060       if (InnerSum->isZero())
3061         continue;
3062       Formula F = Base;
3063
3064       // Add the remaining pieces of the add back into the new formula.
3065       const SCEVConstant *InnerSumSC = dyn_cast<SCEVConstant>(InnerSum);
3066       if (TLI && InnerSumSC &&
3067           SE.getTypeSizeInBits(InnerSumSC->getType()) <= 64 &&
3068           TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3069                                    InnerSumSC->getValue()->getZExtValue())) {
3070         F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3071                            InnerSumSC->getValue()->getZExtValue();
3072         F.BaseRegs.erase(F.BaseRegs.begin() + i);
3073       } else
3074         F.BaseRegs[i] = InnerSum;
3075
3076       // Add J as its own register, or an unfolded immediate.
3077       const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*J);
3078       if (TLI && SC && SE.getTypeSizeInBits(SC->getType()) <= 64 &&
3079           TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3080                                    SC->getValue()->getZExtValue()))
3081         F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset +
3082                            SC->getValue()->getZExtValue();
3083       else
3084         F.BaseRegs.push_back(*J);
3085
3086       if (InsertFormula(LU, LUIdx, F))
3087         // If that formula hadn't been seen before, recurse to find more like
3088         // it.
3089         GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae.back(), Depth+1);
3090     }
3091   }
3092 }
3093
3094 /// GenerateCombinations - Generate a formula consisting of all of the
3095 /// loop-dominating registers added into a single register.
3096 void LSRInstance::GenerateCombinations(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3097                                        Formula Base) {
3098   // This method is only interesting on a plurality of registers.
3099   if (Base.BaseRegs.size() <= 1) return;
3100
3101   Formula F = Base;
3102   F.BaseRegs.clear();
3103   SmallVector<const SCEV *, 4> Ops;
3104   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3105        I = Base.BaseRegs.begin(), E = Base.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
3106     const SCEV *BaseReg = *I;
3107     if (SE.properlyDominates(BaseReg, L->getHeader()) &&
3108         !SE.hasComputableLoopEvolution(BaseReg, L))
3109       Ops.push_back(BaseReg);
3110     else
3111       F.BaseRegs.push_back(BaseReg);
3112   }
3113   if (Ops.size() > 1) {
3114     const SCEV *Sum = SE.getAddExpr(Ops);
3115     // TODO: If Sum is zero, it probably means ScalarEvolution missed an
3116     // opportunity to fold something. For now, just ignore such cases
3117     // rather than proceed with zero in a register.
3118     if (!Sum->isZero()) {
3119       F.BaseRegs.push_back(Sum);
3120       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3121     }
3122   }
3123 }
3124
3125 /// GenerateSymbolicOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3126 void LSRInstance::GenerateSymbolicOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3127                                           Formula Base) {
3128   // We can't add a symbolic offset if the address already contains one.
3129   if (Base.AM.BaseGV) return;
3130
3131   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3132     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
3133     GlobalValue *GV = ExtractSymbol(G, SE);
3134     if (G->isZero() || !GV)
3135       continue;
3136     Formula F = Base;
3137     F.AM.BaseGV = GV;
3138     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3139                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3140       continue;
3141     F.BaseRegs[i] = G;
3142     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3143   }
3144 }
3145
3146 /// GenerateConstantOffsets - Generate reuse formulae using symbolic offsets.
3147 void LSRInstance::GenerateConstantOffsets(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3148                                           Formula Base) {
3149   // TODO: For now, just add the min and max offset, because it usually isn't
3150   // worthwhile looking at everything inbetween.
3151   SmallVector<int64_t, 2> Worklist;
3152   Worklist.push_back(LU.MinOffset);
3153   if (LU.MaxOffset != LU.MinOffset)
3154     Worklist.push_back(LU.MaxOffset);
3155
3156   for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3157     const SCEV *G = Base.BaseRegs[i];
3158
3159     for (SmallVectorImpl<int64_t>::const_iterator I = Worklist.begin(),
3160          E = Worklist.end(); I != E; ++I) {
3161       Formula F = Base;
3162       F.AM.BaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs - *I;
3163       if (isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset - *I, LU.MaxOffset - *I,
3164                      LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3165         // Add the offset to the base register.
3166         const SCEV *NewG = SE.getAddExpr(SE.getConstant(G->getType(), *I), G);
3167         // If it cancelled out, drop the base register, otherwise update it.
3168         if (NewG->isZero()) {
3169           std::swap(F.BaseRegs[i], F.BaseRegs.back());
3170           F.BaseRegs.pop_back();
3171         } else
3172           F.BaseRegs[i] = NewG;
3173
3174         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3175       }
3176     }
3177
3178     int64_t Imm = ExtractImmediate(G, SE);
3179     if (G->isZero() || Imm == 0)
3180       continue;
3181     Formula F = Base;
3182     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Imm;
3183     if (!isLegalUse(F.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3184                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3185       continue;
3186     F.BaseRegs[i] = G;
3187     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3188   }
3189 }
3190
3191 /// GenerateICmpZeroScales - For ICmpZero, check to see if we can scale up
3192 /// the comparison. For example, x == y -> x*c == y*c.
3193 void LSRInstance::GenerateICmpZeroScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx,
3194                                          Formula Base) {
3195   if (LU.Kind != LSRUse::ICmpZero) return;
3196
3197   // Determine the integer type for the base formula.
3198   Type *IntTy = Base.getType();
3199   if (!IntTy) return;
3200   if (SE.getTypeSizeInBits(IntTy) > 64) return;
3201
3202   // Don't do this if there is more than one offset.
3203   if (LU.MinOffset != LU.MaxOffset) return;
3204
3205   assert(!Base.AM.BaseGV && "ICmpZero use is not legal!");
3206
3207   // Check each interesting stride.
3208   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3209        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3210     int64_t Factor = *I;
3211
3212     // Check that the multiplication doesn't overflow.
3213     if (Base.AM.BaseOffs == INT64_MIN && Factor == -1)
3214       continue;
3215     int64_t NewBaseOffs = (uint64_t)Base.AM.BaseOffs * Factor;
3216     if (NewBaseOffs / Factor != Base.AM.BaseOffs)
3217       continue;
3218
3219     // Check that multiplying with the use offset doesn't overflow.
3220     int64_t Offset = LU.MinOffset;
3221     if (Offset == INT64_MIN && Factor == -1)
3222       continue;
3223     Offset = (uint64_t)Offset * Factor;
3224     if (Offset / Factor != LU.MinOffset)
3225       continue;
3226
3227     Formula F = Base;
3228     F.AM.BaseOffs = NewBaseOffs;
3229
3230     // Check that this scale is legal.
3231     if (!isLegalUse(F.AM, Offset, Offset, LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3232       continue;
3233
3234     // Compensate for the use having MinOffset built into it.
3235     F.AM.BaseOffs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + Offset - LU.MinOffset;
3236
3237     const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3238
3239     // Check that multiplying with each base register doesn't overflow.
3240     for (size_t i = 0, e = F.BaseRegs.size(); i != e; ++i) {
3241       F.BaseRegs[i] = SE.getMulExpr(F.BaseRegs[i], FactorS);
3242       if (getExactSDiv(F.BaseRegs[i], FactorS, SE) != Base.BaseRegs[i])
3243         goto next;
3244     }
3245
3246     // Check that multiplying with the scaled register doesn't overflow.
3247     if (F.ScaledReg) {
3248       F.ScaledReg = SE.getMulExpr(F.ScaledReg, FactorS);
3249       if (getExactSDiv(F.ScaledReg, FactorS, SE) != Base.ScaledReg)
3250         continue;
3251     }
3252
3253     // Check that multiplying with the unfolded offset doesn't overflow.
3254     if (F.UnfoldedOffset != 0) {
3255       if (F.UnfoldedOffset == INT64_MIN && Factor == -1)
3256         continue;
3257       F.UnfoldedOffset = (uint64_t)F.UnfoldedOffset * Factor;
3258       if (F.UnfoldedOffset / Factor != Base.UnfoldedOffset)
3259         continue;
3260     }
3261
3262     // If we make it here and it's legal, add it.
3263     (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3264   next:;
3265   }
3266 }
3267
3268 /// GenerateScales - Generate stride factor reuse formulae by making use of
3269 /// scaled-offset address modes, for example.
3270 void LSRInstance::GenerateScales(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3271   // Determine the integer type for the base formula.
3272   Type *IntTy = Base.getType();
3273   if (!IntTy) return;
3274
3275   // If this Formula already has a scaled register, we can't add another one.
3276   if (Base.AM.Scale != 0) return;
3277
3278   // Check each interesting stride.
3279   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
3280        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
3281     int64_t Factor = *I;
3282
3283     Base.AM.Scale = Factor;
3284     Base.AM.HasBaseReg = Base.BaseRegs.size() > 1;
3285     // Check whether this scale is going to be legal.
3286     if (!isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3287                     LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3288       // As a special-case, handle special out-of-loop Basic users specially.
3289       // TODO: Reconsider this special case.
3290       if (LU.Kind == LSRUse::Basic &&
3291           isLegalUse(Base.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3292                      LSRUse::Special, LU.AccessTy, TLI) &&
3293           LU.AllFixupsOutsideLoop)
3294         LU.Kind = LSRUse::Special;
3295       else
3296         continue;
3297     }
3298     // For an ICmpZero, negating a solitary base register won't lead to
3299     // new solutions.
3300     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero &&
3301         !Base.AM.HasBaseReg && Base.AM.BaseOffs == 0 && !Base.AM.BaseGV)
3302       continue;
3303     // For each addrec base reg, apply the scale, if possible.
3304     for (size_t i = 0, e = Base.BaseRegs.size(); i != e; ++i)
3305       if (const SCEVAddRecExpr *AR =
3306             dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Base.BaseRegs[i])) {
3307         const SCEV *FactorS = SE.getConstant(IntTy, Factor);
3308         if (FactorS->isZero())
3309           continue;
3310         // Divide out the factor, ignoring high bits, since we'll be
3311         // scaling the value back up in the end.
3312         if (const SCEV *Quotient = getExactSDiv(AR, FactorS, SE, true)) {
3313           // TODO: This could be optimized to avoid all the copying.
3314           Formula F = Base;
3315           F.ScaledReg = Quotient;
3316           F.DeleteBaseReg(F.BaseRegs[i]);
3317           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3318         }
3319       }
3320   }
3321 }
3322
3323 /// GenerateTruncates - Generate reuse formulae from different IV types.
3324 void LSRInstance::GenerateTruncates(LSRUse &LU, unsigned LUIdx, Formula Base) {
3325   // This requires TargetLowering to tell us which truncates are free.
3326   if (!TLI) return;
3327
3328   // Don't bother truncating symbolic values.
3329   if (Base.AM.BaseGV) return;
3330
3331   // Determine the integer type for the base formula.
3332   Type *DstTy = Base.getType();
3333   if (!DstTy) return;
3334   DstTy = SE.getEffectiveSCEVType(DstTy);
3335
3336   for (SmallSetVector<Type *, 4>::const_iterator
3337        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
3338     Type *SrcTy = *I;
3339     if (SrcTy != DstTy && TLI->isTruncateFree(SrcTy, DstTy)) {
3340       Formula F = Base;
3341
3342       if (F.ScaledReg) F.ScaledReg = SE.getAnyExtendExpr(F.ScaledReg, *I);
3343       for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::iterator J = F.BaseRegs.begin(),
3344            JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J)
3345         *J = SE.getAnyExtendExpr(*J, SrcTy);
3346
3347       // TODO: This assumes we've done basic processing on all uses and
3348       // have an idea what the register usage is.
3349       if (!F.hasRegsUsedByUsesOtherThan(LUIdx, RegUses))
3350         continue;
3351
3352       (void)InsertFormula(LU, LUIdx, F);
3353     }
3354   }
3355 }
3356
3357 namespace {
3358
3359 /// WorkItem - Helper class for GenerateCrossUseConstantOffsets. It's used to
3360 /// defer modifications so that the search phase doesn't have to worry about
3361 /// the data structures moving underneath it.
3362 struct WorkItem {
3363   size_t LUIdx;
3364   int64_t Imm;
3365   const SCEV *OrigReg;
3366
3367   WorkItem(size_t LI, int64_t I, const SCEV *R)
3368     : LUIdx(LI), Imm(I), OrigReg(R) {}
3369
3370   void print(raw_ostream &OS) const;
3371   void dump() const;
3372 };
3373
3374 }
3375
3376 void WorkItem::print(raw_ostream &OS) const {
3377   OS << "in formulae referencing " << *OrigReg << " in use " << LUIdx
3378      << " , add offset " << Imm;
3379 }
3380
3381 void WorkItem::dump() const {
3382   print(errs()); errs() << '\n';
3383 }
3384
3385 /// GenerateCrossUseConstantOffsets - Look for registers which are a constant
3386 /// distance apart and try to form reuse opportunities between them.
3387 void LSRInstance::GenerateCrossUseConstantOffsets() {
3388   // Group the registers by their value without any added constant offset.
3389   typedef std::map<int64_t, const SCEV *> ImmMapTy;
3390   typedef DenseMap<const SCEV *, ImmMapTy> RegMapTy;
3391   RegMapTy Map;
3392   DenseMap<const SCEV *, SmallBitVector> UsedByIndicesMap;
3393   SmallVector<const SCEV *, 8> Sequence;
3394   for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
3395        I != E; ++I) {
3396     const SCEV *Reg = *I;
3397     int64_t Imm = ExtractImmediate(Reg, SE);
3398     std::pair<RegMapTy::iterator, bool> Pair =
3399       Map.insert(std::make_pair(Reg, ImmMapTy()));
3400     if (Pair.second)
3401       Sequence.push_back(Reg);
3402     Pair.first->second.insert(std::make_pair(Imm, *I));
3403     UsedByIndicesMap[Reg] |= RegUses.getUsedByIndices(*I);
3404   }
3405
3406   // Now examine each set of registers with the same base value. Build up
3407   // a list of work to do and do the work in a separate step so that we're
3408   // not adding formulae and register counts while we're searching.
3409   SmallVector<WorkItem, 32> WorkItems;
3410   SmallSet<std::pair<size_t, int64_t>, 32> UniqueItems;
3411   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = Sequence.begin(),
3412        E = Sequence.end(); I != E; ++I) {
3413     const SCEV *Reg = *I;
3414     const ImmMapTy &Imms = Map.find(Reg)->second;
3415
3416     // It's not worthwhile looking for reuse if there's only one offset.
3417     if (Imms.size() == 1)
3418       continue;
3419
3420     DEBUG(dbgs() << "Generating cross-use offsets for " << *Reg << ':';
3421           for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3422                J != JE; ++J)
3423             dbgs() << ' ' << J->first;
3424           dbgs() << '\n');
3425
3426     // Examine each offset.
3427     for (ImmMapTy::const_iterator J = Imms.begin(), JE = Imms.end();
3428          J != JE; ++J) {
3429       const SCEV *OrigReg = J->second;
3430
3431       int64_t JImm = J->first;
3432       const SmallBitVector &UsedByIndices = RegUses.getUsedByIndices(OrigReg);
3433
3434       if (!isa<SCEVConstant>(OrigReg) &&
3435           UsedByIndicesMap[Reg].count() == 1) {
3436         DEBUG(dbgs() << "Skipping cross-use reuse for " << *OrigReg << '\n');
3437         continue;
3438       }
3439
3440       // Conservatively examine offsets between this orig reg a few selected
3441       // other orig regs.
3442       ImmMapTy::const_iterator OtherImms[] = {
3443         Imms.begin(), prior(Imms.end()),
3444         Imms.lower_bound((Imms.begin()->first + prior(Imms.end())->first) / 2)
3445       };
3446       for (size_t i = 0, e = array_lengthof(OtherImms); i != e; ++i) {
3447         ImmMapTy::const_iterator M = OtherImms[i];
3448         if (M == J || M == JE) continue;
3449
3450         // Compute the difference between the two.
3451         int64_t Imm = (uint64_t)JImm - M->first;
3452         for (int LUIdx = UsedByIndices.find_first(); LUIdx != -1;
3453              LUIdx = UsedByIndices.find_next(LUIdx))
3454           // Make a memo of this use, offset, and register tuple.
3455           if (UniqueItems.insert(std::make_pair(LUIdx, Imm)))
3456             WorkItems.push_back(WorkItem(LUIdx, Imm, OrigReg));
3457       }
3458     }
3459   }
3460
3461   Map.clear();
3462   Sequence.clear();
3463   UsedByIndicesMap.clear();
3464   UniqueItems.clear();
3465
3466   // Now iterate through the worklist and add new formulae.
3467   for (SmallVectorImpl<WorkItem>::const_iterator I = WorkItems.begin(),
3468        E = WorkItems.end(); I != E; ++I) {
3469     const WorkItem &WI = *I;
3470     size_t LUIdx = WI.LUIdx;
3471     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3472     int64_t Imm = WI.Imm;
3473     const SCEV *OrigReg = WI.OrigReg;
3474
3475     Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(OrigReg->getType());
3476     const SCEV *NegImmS = SE.getSCEV(ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Imm));
3477     unsigned BitWidth = SE.getTypeSizeInBits(IntTy);
3478
3479     // TODO: Use a more targeted data structure.
3480     for (size_t L = 0, LE = LU.Formulae.size(); L != LE; ++L) {
3481       const Formula &F = LU.Formulae[L];
3482       // Use the immediate in the scaled register.
3483       if (F.ScaledReg == OrigReg) {
3484         int64_t Offs = (uint64_t)F.AM.BaseOffs +
3485                        Imm * (uint64_t)F.AM.Scale;
3486         // Don't create 50 + reg(-50).
3487         if (F.referencesReg(SE.getSCEV(
3488                    ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offs))))
3489           continue;
3490         Formula NewF = F;
3491         NewF.AM.BaseOffs = Offs;
3492         if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3493                         LU.Kind, LU.AccessTy, TLI))
3494           continue;
3495         NewF.ScaledReg = SE.getAddExpr(NegImmS, NewF.ScaledReg);
3496
3497         // If the new scale is a constant in a register, and adding the constant
3498         // value to the immediate would produce a value closer to zero than the
3499         // immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3500         if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(NewF.ScaledReg))
3501           if (C->getValue()->isNegative() !=
3502                 (NewF.AM.BaseOffs < 0) &&
3503               (C->getValue()->getValue().abs() * APInt(BitWidth, F.AM.Scale))
3504                 .ule(abs64(NewF.AM.BaseOffs)))
3505             continue;
3506
3507         // OK, looks good.
3508         (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3509       } else {
3510         // Use the immediate in a base register.
3511         for (size_t N = 0, NE = F.BaseRegs.size(); N != NE; ++N) {
3512           const SCEV *BaseReg = F.BaseRegs[N];
3513           if (BaseReg != OrigReg)
3514             continue;
3515           Formula NewF = F;
3516           NewF.AM.BaseOffs = (uint64_t)NewF.AM.BaseOffs + Imm;
3517           if (!isLegalUse(NewF.AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
3518                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI)) {
3519             if (!TLI ||
3520                 !TLI->isLegalAddImmediate((uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm))
3521               continue;
3522             NewF = F;
3523             NewF.UnfoldedOffset = (uint64_t)NewF.UnfoldedOffset + Imm;
3524           }
3525           NewF.BaseRegs[N] = SE.getAddExpr(NegImmS, BaseReg);
3526
3527           // If the new formula has a constant in a register, and adding the
3528           // constant value to the immediate would produce a value closer to
3529           // zero than the immediate itself, then the formula isn't worthwhile.
3530           for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3531                J = NewF.BaseRegs.begin(), JE = NewF.BaseRegs.end();
3532                J != JE; ++J)
3533             if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*J))
3534               if ((C->getValue()->getValue() + NewF.AM.BaseOffs).abs().slt(
3535                    abs64(NewF.AM.BaseOffs)) &&
3536                   (C->getValue()->getValue() +
3537                    NewF.AM.BaseOffs).countTrailingZeros() >=
3538                    CountTrailingZeros_64(NewF.AM.BaseOffs))
3539                 goto skip_formula;
3540
3541           // Ok, looks good.
3542           (void)InsertFormula(LU, LUIdx, NewF);
3543           break;
3544         skip_formula:;
3545         }
3546       }
3547     }
3548   }
3549 }
3550
3551 /// GenerateAllReuseFormulae - Generate formulae for each use.
3552 void
3553 LSRInstance::GenerateAllReuseFormulae() {
3554   // This is split into multiple loops so that hasRegsUsedByUsesOtherThan
3555   // queries are more precise.
3556   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3557     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3558     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3559       GenerateReassociations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3560     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3561       GenerateCombinations(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3562   }
3563   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3564     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3565     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3566       GenerateSymbolicOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3567     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3568       GenerateConstantOffsets(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3569     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3570       GenerateICmpZeroScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3571     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3572       GenerateScales(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3573   }
3574   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3575     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3576     for (size_t i = 0, f = LU.Formulae.size(); i != f; ++i)
3577       GenerateTruncates(LU, LUIdx, LU.Formulae[i]);
3578   }
3579
3580   GenerateCrossUseConstantOffsets();
3581
3582   DEBUG(dbgs() << "\n"
3583                   "After generating reuse formulae:\n";
3584         print_uses(dbgs()));
3585 }
3586
3587 /// If there are multiple formulae with the same set of registers used
3588 /// by other uses, pick the best one and delete the others.
3589 void LSRInstance::FilterOutUndesirableDedicatedRegisters() {
3590   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
3591   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> Regs;
3592   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> LoserRegs;
3593 #ifndef NDEBUG
3594   bool ChangedFormulae = false;
3595 #endif
3596
3597   // Collect the best formula for each unique set of shared registers. This
3598   // is reset for each use.
3599   typedef DenseMap<SmallVector<const SCEV *, 2>, size_t, UniquifierDenseMapInfo>
3600     BestFormulaeTy;
3601   BestFormulaeTy BestFormulae;
3602
3603   for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3604     LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3605     DEBUG(dbgs() << "Filtering for use "; LU.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3606
3607     bool Any = false;
3608     for (size_t FIdx = 0, NumForms = LU.Formulae.size();
3609          FIdx != NumForms; ++FIdx) {
3610       Formula &F = LU.Formulae[FIdx];
3611
3612       // Some formulas are instant losers. For example, they may depend on
3613       // nonexistent AddRecs from other loops. These need to be filtered
3614       // immediately, otherwise heuristics could choose them over others leading
3615       // to an unsatisfactory solution. Passing LoserRegs into RateFormula here
3616       // avoids the need to recompute this information across formulae using the
3617       // same bad AddRec. Passing LoserRegs is also essential unless we remove
3618       // the corresponding bad register from the Regs set.
3619       Cost CostF;
3620       Regs.clear();
3621       CostF.RateFormula(F, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT,
3622                         &LoserRegs);
3623       if (CostF.isLoser()) {
3624         // During initial formula generation, undesirable formulae are generated
3625         // by uses within other loops that have some non-trivial address mode or
3626         // use the postinc form of the IV. LSR needs to provide these formulae
3627         // as the basis of rediscovering the desired formula that uses an AddRec
3628         // corresponding to the existing phi. Once all formulae have been
3629         // generated, these initial losers may be pruned.
3630         DEBUG(dbgs() << "  Filtering loser "; F.print(dbgs());
3631               dbgs() << "\n");
3632       }
3633       else {
3634         SmallVector<const SCEV *, 2> Key;
3635         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator J = F.BaseRegs.begin(),
3636                JE = F.BaseRegs.end(); J != JE; ++J) {
3637           const SCEV *Reg = *J;
3638           if (RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(Reg, LUIdx))
3639             Key.push_back(Reg);
3640         }
3641         if (F.ScaledReg &&
3642             RegUses.isRegUsedByUsesOtherThan(F.ScaledReg, LUIdx))
3643           Key.push_back(F.ScaledReg);
3644         // Unstable sort by host order ok, because this is only used for
3645         // uniquifying.
3646         std::sort(Key.begin(), Key.end());
3647
3648         std::pair<BestFormulaeTy::const_iterator, bool> P =
3649           BestFormulae.insert(std::make_pair(Key, FIdx));
3650         if (P.second)
3651           continue;
3652
3653         Formula &Best = LU.Formulae[P.first->second];
3654
3655         Cost CostBest;
3656         Regs.clear();
3657         CostBest.RateFormula(Best, Regs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
3658         if (CostF < CostBest)
3659           std::swap(F, Best);
3660         DEBUG(dbgs() << "  Filtering out formula "; F.print(dbgs());
3661               dbgs() << "\n"
3662                         "    in favor of formula "; Best.print(dbgs());
3663               dbgs() << '\n');
3664       }
3665 #ifndef NDEBUG
3666       ChangedFormulae = true;
3667 #endif
3668       LU.DeleteFormula(F);
3669       --FIdx;
3670       --NumForms;
3671       Any = true;
3672     }
3673
3674     // Now that we've filtered out some formulae, recompute the Regs set.
3675     if (Any)
3676       LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3677
3678     // Reset this to prepare for the next use.
3679     BestFormulae.clear();
3680   }
3681
3682   DEBUG(if (ChangedFormulae) {
3683           dbgs() << "\n"
3684                     "After filtering out undesirable candidates:\n";
3685           print_uses(dbgs());
3686         });
3687 }
3688
3689 // This is a rough guess that seems to work fairly well.
3690 static const size_t ComplexityLimit = UINT16_MAX;
3691
3692 /// EstimateSearchSpaceComplexity - Estimate the worst-case number of
3693 /// solutions the solver might have to consider. It almost never considers
3694 /// this many solutions because it prune the search space, but the pruning
3695 /// isn't always sufficient.
3696 size_t LSRInstance::EstimateSearchSpaceComplexity() const {
3697   size_t Power = 1;
3698   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
3699        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
3700     size_t FSize = I->Formulae.size();
3701     if (FSize >= ComplexityLimit) {
3702       Power = ComplexityLimit;
3703       break;
3704     }
3705     Power *= FSize;
3706     if (Power >= ComplexityLimit)
3707       break;
3708   }
3709   return Power;
3710 }
3711
3712 /// NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets - When one formula uses a superset
3713 /// of the registers of another formula, it won't help reduce register
3714 /// pressure (though it may not necessarily hurt register pressure); remove
3715 /// it to simplify the system.
3716 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets() {
3717   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3718     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3719
3720     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by eliminating formulae "
3721                     "which use a superset of registers used by other "
3722                     "formulae.\n");
3723
3724     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3725       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3726       bool Any = false;
3727       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
3728         Formula &F = LU.Formulae[i];
3729         // Look for a formula with a constant or GV in a register. If the use
3730         // also has a formula with that same value in an immediate field,
3731         // delete the one that uses a register.
3732         for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator
3733              I = F.BaseRegs.begin(), E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
3734           if (const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(*I)) {
3735             Formula NewF = F;
3736             NewF.AM.BaseOffs += C->getValue()->getSExtValue();
3737             NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
3738                                 (I - F.BaseRegs.begin()));
3739             if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
3740               DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3741               LU.DeleteFormula(F);
3742               --i;
3743               --e;
3744               Any = true;
3745               break;
3746             }
3747           } else if (const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(*I)) {
3748             if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(U->getValue()))
3749               if (!F.AM.BaseGV) {
3750                 Formula NewF = F;
3751                 NewF.AM.BaseGV = GV;
3752                 NewF.BaseRegs.erase(NewF.BaseRegs.begin() +
3753                                     (I - F.BaseRegs.begin()));
3754                 if (LU.HasFormulaWithSameRegs(NewF)) {
3755                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
3756                         dbgs() << '\n');
3757                   LU.DeleteFormula(F);
3758                   --i;
3759                   --e;
3760                   Any = true;
3761                   break;
3762                 }
3763               }
3764           }
3765         }
3766       }
3767       if (Any)
3768         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3769     }
3770
3771     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3772           print_uses(dbgs()));
3773   }
3774 }
3775
3776 /// NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode - When there are many registers
3777 /// for expressions like A, A+1, A+2, etc., allocate a single register for
3778 /// them.
3779 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode() {
3780   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3781     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3782
3783     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming that uses "
3784                     "separated by a constant offset will use the same "
3785                     "registers.\n");
3786
3787     // This is especially useful for unrolled loops.
3788
3789     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3790       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3791       for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
3792            E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
3793         const Formula &F = *I;
3794         if (F.AM.BaseOffs != 0 && F.AM.Scale == 0) {
3795           if (LSRUse *LUThatHas = FindUseWithSimilarFormula(F, LU)) {
3796             if (reconcileNewOffset(*LUThatHas, F.AM.BaseOffs,
3797                                    /*HasBaseReg=*/false,
3798                                    LU.Kind, LU.AccessTy)) {
3799               DEBUG(dbgs() << "  Deleting use "; LU.print(dbgs());
3800                     dbgs() << '\n');
3801
3802               LUThatHas->AllFixupsOutsideLoop &= LU.AllFixupsOutsideLoop;
3803
3804               // Update the relocs to reference the new use.
3805               for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::iterator I = Fixups.begin(),
3806                    E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
3807                 LSRFixup &Fixup = *I;
3808                 if (Fixup.LUIdx == LUIdx) {
3809                   Fixup.LUIdx = LUThatHas - &Uses.front();
3810                   Fixup.Offset += F.AM.BaseOffs;
3811                   // Add the new offset to LUThatHas' offset list.
3812                   if (LUThatHas->Offsets.back() != Fixup.Offset) {
3813                     LUThatHas->Offsets.push_back(Fixup.Offset);
3814                     if (Fixup.Offset > LUThatHas->MaxOffset)
3815                       LUThatHas->MaxOffset = Fixup.Offset;
3816                     if (Fixup.Offset < LUThatHas->MinOffset)
3817                       LUThatHas->MinOffset = Fixup.Offset;
3818                   }
3819                   DEBUG(dbgs() << "New fixup has offset "
3820                                << Fixup.Offset << '\n');
3821                 }
3822                 if (Fixup.LUIdx == NumUses-1)
3823                   Fixup.LUIdx = LUIdx;
3824               }
3825
3826               // Delete formulae from the new use which are no longer legal.
3827               bool Any = false;
3828               for (size_t i = 0, e = LUThatHas->Formulae.size(); i != e; ++i) {
3829                 Formula &F = LUThatHas->Formulae[i];
3830                 if (!isLegalUse(F.AM,
3831                                 LUThatHas->MinOffset, LUThatHas->MaxOffset,
3832                                 LUThatHas->Kind, LUThatHas->AccessTy, TLI)) {
3833                   DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs());
3834                         dbgs() << '\n');
3835                   LUThatHas->DeleteFormula(F);
3836                   --i;
3837                   --e;
3838                   Any = true;
3839                 }
3840               }
3841               if (Any)
3842                 LUThatHas->RecomputeRegs(LUThatHas - &Uses.front(), RegUses);
3843
3844               // Delete the old use.
3845               DeleteUse(LU, LUIdx);
3846               --LUIdx;
3847               --NumUses;
3848               break;
3849             }
3850           }
3851         }
3852       }
3853     }
3854
3855     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3856           print_uses(dbgs()));
3857   }
3858 }
3859
3860 /// NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters - Call
3861 /// FilterOutUndesirableDedicatedRegisters again, if necessary, now that
3862 /// we've done more filtering, as it may be able to find more formulae to
3863 /// eliminate.
3864 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters(){
3865   if (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3866     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3867
3868     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by re-filtering out "
3869                     "undesirable dedicated registers.\n");
3870
3871     FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
3872
3873     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3874           print_uses(dbgs()));
3875   }
3876 }
3877
3878 /// NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs - Pick a register which seems likely
3879 /// to be profitable, and then in any use which has any reference to that
3880 /// register, delete all formulae which do not reference that register.
3881 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs() {
3882   // With all other options exhausted, loop until the system is simple
3883   // enough to handle.
3884   SmallPtrSet<const SCEV *, 4> Taken;
3885   while (EstimateSearchSpaceComplexity() >= ComplexityLimit) {
3886     // Ok, we have too many of formulae on our hands to conveniently handle.
3887     // Use a rough heuristic to thin out the list.
3888     DEBUG(dbgs() << "The search space is too complex.\n");
3889
3890     // Pick the register which is used by the most LSRUses, which is likely
3891     // to be a good reuse register candidate.
3892     const SCEV *Best = 0;
3893     unsigned BestNum = 0;
3894     for (RegUseTracker::const_iterator I = RegUses.begin(), E = RegUses.end();
3895          I != E; ++I) {
3896       const SCEV *Reg = *I;
3897       if (Taken.count(Reg))
3898         continue;
3899       if (!Best)
3900         Best = Reg;
3901       else {
3902         unsigned Count = RegUses.getUsedByIndices(Reg).count();
3903         if (Count > BestNum) {
3904           Best = Reg;
3905           BestNum = Count;
3906         }
3907       }
3908     }
3909
3910     DEBUG(dbgs() << "Narrowing the search space by assuming " << *Best
3911                  << " will yield profitable reuse.\n");
3912     Taken.insert(Best);
3913
3914     // In any use with formulae which references this register, delete formulae
3915     // which don't reference it.
3916     for (size_t LUIdx = 0, NumUses = Uses.size(); LUIdx != NumUses; ++LUIdx) {
3917       LSRUse &LU = Uses[LUIdx];
3918       if (!LU.Regs.count(Best)) continue;
3919
3920       bool Any = false;
3921       for (size_t i = 0, e = LU.Formulae.size(); i != e; ++i) {
3922         Formula &F = LU.Formulae[i];
3923         if (!F.referencesReg(Best)) {
3924           DEBUG(dbgs() << "  Deleting "; F.print(dbgs()); dbgs() << '\n');
3925           LU.DeleteFormula(F);
3926           --e;
3927           --i;
3928           Any = true;
3929           assert(e != 0 && "Use has no formulae left! Is Regs inconsistent?");
3930           continue;
3931         }
3932       }
3933
3934       if (Any)
3935         LU.RecomputeRegs(LUIdx, RegUses);
3936     }
3937
3938     DEBUG(dbgs() << "After pre-selection:\n";
3939           print_uses(dbgs()));
3940   }
3941 }
3942
3943 /// NarrowSearchSpaceUsingHeuristics - If there are an extraordinary number of
3944 /// formulae to choose from, use some rough heuristics to prune down the number
3945 /// of formulae. This keeps the main solver from taking an extraordinary amount
3946 /// of time in some worst-case scenarios.
3947 void LSRInstance::NarrowSearchSpaceUsingHeuristics() {
3948   NarrowSearchSpaceByDetectingSupersets();
3949   NarrowSearchSpaceByCollapsingUnrolledCode();
3950   NarrowSearchSpaceByRefilteringUndesirableDedicatedRegisters();
3951   NarrowSearchSpaceByPickingWinnerRegs();
3952 }
3953
3954 /// SolveRecurse - This is the recursive solver.
3955 void LSRInstance::SolveRecurse(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
3956                                Cost &SolutionCost,
3957                                SmallVectorImpl<const Formula *> &Workspace,
3958                                const Cost &CurCost,
3959                                const SmallPtrSet<const SCEV *, 16> &CurRegs,
3960                                DenseSet<const SCEV *> &VisitedRegs) const {
3961   // Some ideas:
3962   //  - prune more:
3963   //    - use more aggressive filtering
3964   //    - sort the formula so that the most profitable solutions are found first
3965   //    - sort the uses too
3966   //  - search faster:
3967   //    - don't compute a cost, and then compare. compare while computing a cost
3968   //      and bail early.
3969   //    - track register sets with SmallBitVector
3970
3971   const LSRUse &LU = Uses[Workspace.size()];
3972
3973   // If this use references any register that's already a part of the
3974   // in-progress solution, consider it a requirement that a formula must
3975   // reference that register in order to be considered. This prunes out
3976   // unprofitable searching.
3977   SmallSetVector<const SCEV *, 4> ReqRegs;
3978   for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator I = CurRegs.begin(),
3979        E = CurRegs.end(); I != E; ++I)
3980     if (LU.Regs.count(*I))
3981       ReqRegs.insert(*I);
3982
3983   bool AnySatisfiedReqRegs = false;
3984   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> NewRegs;
3985   Cost NewCost;
3986 retry:
3987   for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator I = LU.Formulae.begin(),
3988        E = LU.Formulae.end(); I != E; ++I) {
3989     const Formula &F = *I;
3990
3991     // Ignore formulae which do not use any of the required registers.
3992     for (SmallSetVector<const SCEV *, 4>::const_iterator J = ReqRegs.begin(),
3993          JE = ReqRegs.end(); J != JE; ++J) {
3994       const SCEV *Reg = *J;
3995       if ((!F.ScaledReg || F.ScaledReg != Reg) &&
3996           std::find(F.BaseRegs.begin(), F.BaseRegs.end(), Reg) ==
3997           F.BaseRegs.end())
3998         goto skip;
3999     }
4000     AnySatisfiedReqRegs = true;
4001
4002     // Evaluate the cost of the current formula. If it's already worse than
4003     // the current best, prune the search at that point.
4004     NewCost = CurCost;
4005     NewRegs = CurRegs;
4006     NewCost.RateFormula(F, NewRegs, VisitedRegs, L, LU.Offsets, SE, DT);
4007     if (NewCost < SolutionCost) {
4008       Workspace.push_back(&F);
4009       if (Workspace.size() != Uses.size()) {
4010         SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, NewCost,
4011                      NewRegs, VisitedRegs);
4012         if (F.getNumRegs() == 1 && Workspace.size() == 1)
4013           VisitedRegs.insert(F.ScaledReg ? F.ScaledReg : F.BaseRegs[0]);
4014       } else {
4015         DEBUG(dbgs() << "New best at "; NewCost.print(dbgs());
4016               dbgs() << ".\n Regs:";
4017               for (SmallPtrSet<const SCEV *, 16>::const_iterator
4018                    I = NewRegs.begin(), E = NewRegs.end(); I != E; ++I)
4019                 dbgs() << ' ' << **I;
4020               dbgs() << '\n');
4021
4022         SolutionCost = NewCost;
4023         Solution = Workspace;
4024       }
4025       Workspace.pop_back();
4026     }
4027   skip:;
4028   }
4029
4030   if (!EnableRetry && !AnySatisfiedReqRegs)
4031     return;
4032
4033   // If none of the formulae had all of the required registers, relax the
4034   // constraint so that we don't exclude all formulae.
4035   if (!AnySatisfiedReqRegs) {
4036     assert(!ReqRegs.empty() && "Solver failed even without required registers");
4037     ReqRegs.clear();
4038     goto retry;
4039   }
4040 }
4041
4042 /// Solve - Choose one formula from each use. Return the results in the given
4043 /// Solution vector.
4044 void LSRInstance::Solve(SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution) const {
4045   SmallVector<const Formula *, 8> Workspace;
4046   Cost SolutionCost;
4047   SolutionCost.Loose();
4048   Cost CurCost;
4049   SmallPtrSet<const SCEV *, 16> CurRegs;
4050   DenseSet<const SCEV *> VisitedRegs;
4051   Workspace.reserve(Uses.size());
4052
4053   // SolveRecurse does all the work.
4054   SolveRecurse(Solution, SolutionCost, Workspace, CurCost,
4055                CurRegs, VisitedRegs);
4056   if (Solution.empty()) {
4057     DEBUG(dbgs() << "\nNo Satisfactory Solution\n");
4058     return;
4059   }
4060
4061   // Ok, we've now made all our decisions.
4062   DEBUG(dbgs() << "\n"
4063                   "The chosen solution requires "; SolutionCost.print(dbgs());
4064         dbgs() << ":\n";
4065         for (size_t i = 0, e = Uses.size(); i != e; ++i) {
4066           dbgs() << "  ";
4067           Uses[i].print(dbgs());
4068           dbgs() << "\n"
4069                     "    ";
4070           Solution[i]->print(dbgs());
4071           dbgs() << '\n';
4072         });
4073
4074   assert(Solution.size() == Uses.size() && "Malformed solution!");
4075 }
4076
4077 /// HoistInsertPosition - Helper for AdjustInsertPositionForExpand. Climb up
4078 /// the dominator tree far as we can go while still being dominated by the
4079 /// input positions. This helps canonicalize the insert position, which
4080 /// encourages sharing.
4081 BasicBlock::iterator
4082 LSRInstance::HoistInsertPosition(BasicBlock::iterator IP,
4083                                  const SmallVectorImpl<Instruction *> &Inputs)
4084                                                                          const {
4085   for (;;) {
4086     const Loop *IPLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
4087     unsigned IPLoopDepth = IPLoop ? IPLoop->getLoopDepth() : 0;
4088
4089     BasicBlock *IDom;
4090     for (DomTreeNode *Rung = DT.getNode(IP->getParent()); ; ) {
4091       if (!Rung) return IP;
4092       Rung = Rung->getIDom();
4093       if (!Rung) return IP;
4094       IDom = Rung->getBlock();
4095
4096       // Don't climb into a loop though.
4097       const Loop *IDomLoop = LI.getLoopFor(IDom);
4098       unsigned IDomDepth = IDomLoop ? IDomLoop->getLoopDepth() : 0;
4099       if (IDomDepth <= IPLoopDepth &&
4100           (IDomDepth != IPLoopDepth || IDomLoop == IPLoop))
4101         break;
4102     }
4103
4104     bool AllDominate = true;
4105     Instruction *BetterPos = 0;
4106     Instruction *Tentative = IDom->getTerminator();
4107     for (SmallVectorImpl<Instruction *>::const_iterator I = Inputs.begin(),
4108          E = Inputs.end(); I != E; ++I) {
4109       Instruction *Inst = *I;
4110       if (Inst == Tentative || !DT.dominates(Inst, Tentative)) {
4111         AllDominate = false;
4112         break;
4113       }
4114       // Attempt to find an insert position in the middle of the block,
4115       // instead of at the end, so that it can be used for other expansions.
4116       if (IDom == Inst->getParent() &&
4117           (!BetterPos || DT.dominates(BetterPos, Inst)))
4118         BetterPos = llvm::next(BasicBlock::iterator(Inst));
4119     }
4120     if (!AllDominate)
4121       break;
4122     if (BetterPos)
4123       IP = BetterPos;
4124     else
4125       IP = Tentative;
4126   }
4127
4128   return IP;
4129 }
4130
4131 /// AdjustInsertPositionForExpand - Determine an input position which will be
4132 /// dominated by the operands and which will dominate the result.
4133 BasicBlock::iterator
4134 LSRInstance::AdjustInsertPositionForExpand(BasicBlock::iterator IP,
4135                                            const LSRFixup &LF,
4136                                            const LSRUse &LU) const {
4137   // Collect some instructions which must be dominated by the
4138   // expanding replacement. These must be dominated by any operands that
4139   // will be required in the expansion.
4140   SmallVector<Instruction *, 4> Inputs;
4141   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(LF.OperandValToReplace))
4142     Inputs.push_back(I);
4143   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero)
4144     if (Instruction *I =
4145           dyn_cast<Instruction>(cast<ICmpInst>(LF.UserInst)->getOperand(1)))
4146       Inputs.push_back(I);
4147   if (LF.PostIncLoops.count(L)) {
4148     if (LF.isUseFullyOutsideLoop(L))
4149       Inputs.push_back(L->getLoopLatch()->getTerminator());
4150     else
4151       Inputs.push_back(IVIncInsertPos);
4152   }
4153   // The expansion must also be dominated by the increment positions of any
4154   // loops it for which it is using post-inc mode.
4155   for (PostIncLoopSet::const_iterator I = LF.PostIncLoops.begin(),
4156        E = LF.PostIncLoops.end(); I != E; ++I) {
4157     const Loop *PIL = *I;
4158     if (PIL == L) continue;
4159
4160     // Be dominated by the loop exit.
4161     SmallVector<BasicBlock *, 4> ExitingBlocks;
4162     PIL->getExitingBlocks(ExitingBlocks);
4163     if (!ExitingBlocks.empty()) {
4164       BasicBlock *BB = ExitingBlocks[0];
4165       for (unsigned i = 1, e = ExitingBlocks.size(); i != e; ++i)
4166         BB = DT.findNearestCommonDominator(BB, ExitingBlocks[i]);
4167       Inputs.push_back(BB->getTerminator());
4168     }
4169   }
4170
4171   // Then, climb up the immediate dominator tree as far as we can go while
4172   // still being dominated by the input positions.
4173   IP = HoistInsertPosition(IP, Inputs);
4174
4175   // Don't insert instructions before PHI nodes.
4176   while (isa<PHINode>(IP)) ++IP;
4177
4178   // Ignore landingpad instructions.
4179   while (isa<LandingPadInst>(IP)) ++IP;
4180
4181   // Ignore debug intrinsics.
4182   while (isa<DbgInfoIntrinsic>(IP)) ++IP;
4183
4184   return IP;
4185 }
4186
4187 /// Expand - Emit instructions for the leading candidate expression for this
4188 /// LSRUse (this is called "expanding").
4189 Value *LSRInstance::Expand(const LSRFixup &LF,
4190                            const Formula &F,
4191                            BasicBlock::iterator IP,
4192                            SCEVExpander &Rewriter,
4193                            SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) const {
4194   const LSRUse &LU = Uses[LF.LUIdx];
4195
4196   // Determine an input position which will be dominated by the operands and
4197   // which will dominate the result.
4198   IP = AdjustInsertPositionForExpand(IP, LF, LU);
4199
4200   // Inform the Rewriter if we have a post-increment use, so that it can
4201   // perform an advantageous expansion.
4202   Rewriter.setPostInc(LF.PostIncLoops);
4203
4204   // This is the type that the user actually needs.
4205   Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4206   // This will be the type that we'll initially expand to.
4207   Type *Ty = F.getType();
4208   if (!Ty)
4209     // No type known; just expand directly to the ultimate type.
4210     Ty = OpTy;
4211   else if (SE.getEffectiveSCEVType(Ty) == SE.getEffectiveSCEVType(OpTy))
4212     // Expand directly to the ultimate type if it's the right size.
4213     Ty = OpTy;
4214   // This is the type to do integer arithmetic in.
4215   Type *IntTy = SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
4216
4217   // Build up a list of operands to add together to form the full base.
4218   SmallVector<const SCEV *, 8> Ops;
4219
4220   // Expand the BaseRegs portion.
4221   for (SmallVectorImpl<const SCEV *>::const_iterator I = F.BaseRegs.begin(),
4222        E = F.BaseRegs.end(); I != E; ++I) {
4223     const SCEV *Reg = *I;
4224     assert(!Reg->isZero() && "Zero allocated in a base register!");
4225
4226     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4227     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4228     Reg = TransformForPostIncUse(Denormalize, Reg,
4229                                  LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4230                                  Loops, SE, DT);
4231
4232     Ops.push_back(SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(Reg, 0, IP)));
4233   }
4234
4235   // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4236   if (!Ops.empty()) {
4237     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4238     Ops.clear();
4239     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4240   }
4241
4242   // Expand the ScaledReg portion.
4243   Value *ICmpScaledV = 0;
4244   if (F.AM.Scale != 0) {
4245     const SCEV *ScaledS = F.ScaledReg;
4246
4247     // If we're expanding for a post-inc user, make the post-inc adjustment.
4248     PostIncLoopSet &Loops = const_cast<PostIncLoopSet &>(LF.PostIncLoops);
4249     ScaledS = TransformForPostIncUse(Denormalize, ScaledS,
4250                                      LF.UserInst, LF.OperandValToReplace,
4251                                      Loops, SE, DT);
4252
4253     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4254       // An interesting way of "folding" with an icmp is to use a negated
4255       // scale, which we'll implement by inserting it into the other operand
4256       // of the icmp.
4257       assert(F.AM.Scale == -1 &&
4258              "The only scale supported by ICmpZero uses is -1!");
4259       ICmpScaledV = Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP);
4260     } else {
4261       // Otherwise just expand the scaled register and an explicit scale,
4262       // which is expected to be matched as part of the address.
4263       ScaledS = SE.getUnknown(Rewriter.expandCodeFor(ScaledS, 0, IP));
4264       ScaledS = SE.getMulExpr(ScaledS,
4265                               SE.getConstant(ScaledS->getType(), F.AM.Scale));
4266       Ops.push_back(ScaledS);
4267
4268       // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4269       Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4270       Ops.clear();
4271       Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4272     }
4273   }
4274
4275   // Expand the GV portion.
4276   if (F.AM.BaseGV) {
4277     Ops.push_back(SE.getUnknown(F.AM.BaseGV));
4278
4279     // Flush the operand list to suppress SCEVExpander hoisting.
4280     Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(SE.getAddExpr(Ops), Ty, IP);
4281     Ops.clear();
4282     Ops.push_back(SE.getUnknown(FullV));
4283   }
4284
4285   // Expand the immediate portion.
4286   int64_t Offset = (uint64_t)F.AM.BaseOffs + LF.Offset;
4287   if (Offset != 0) {
4288     if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4289       // The other interesting way of "folding" with an ICmpZero is to use a
4290       // negated immediate.
4291       if (!ICmpScaledV)
4292         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, -(uint64_t)Offset);
4293       else {
4294         Ops.push_back(SE.getUnknown(ICmpScaledV));
4295         ICmpScaledV = ConstantInt::get(IntTy, Offset);
4296       }
4297     } else {
4298       // Just add the immediate values. These again are expected to be matched
4299       // as part of the address.
4300       Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy, Offset)));
4301     }
4302   }
4303
4304   // Expand the unfolded offset portion.
4305   int64_t UnfoldedOffset = F.UnfoldedOffset;
4306   if (UnfoldedOffset != 0) {
4307     // Just add the immediate values.
4308     Ops.push_back(SE.getUnknown(ConstantInt::getSigned(IntTy,
4309                                                        UnfoldedOffset)));
4310   }
4311
4312   // Emit instructions summing all the operands.
4313   const SCEV *FullS = Ops.empty() ?
4314                       SE.getConstant(IntTy, 0) :
4315                       SE.getAddExpr(Ops);
4316   Value *FullV = Rewriter.expandCodeFor(FullS, Ty, IP);
4317
4318   // We're done expanding now, so reset the rewriter.
4319   Rewriter.clearPostInc();
4320
4321   // An ICmpZero Formula represents an ICmp which we're handling as a
4322   // comparison against zero. Now that we've expanded an expression for that
4323   // form, update the ICmp's other operand.
4324   if (LU.Kind == LSRUse::ICmpZero) {
4325     ICmpInst *CI = cast<ICmpInst>(LF.UserInst);
4326     DeadInsts.push_back(CI->getOperand(1));
4327     assert(!F.AM.BaseGV && "ICmp does not support folding a global value and "
4328                            "a scale at the same time!");
4329     if (F.AM.Scale == -1) {
4330       if (ICmpScaledV->getType() != OpTy) {
4331         Instruction *Cast =
4332           CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(ICmpScaledV, false,
4333                                                    OpTy, false),
4334                            ICmpScaledV, OpTy, "tmp", CI);
4335         ICmpScaledV = Cast;
4336       }
4337       CI->setOperand(1, ICmpScaledV);
4338     } else {
4339       assert(F.AM.Scale == 0 &&
4340              "ICmp does not support folding a global value and "
4341              "a scale at the same time!");
4342       Constant *C = ConstantInt::getSigned(SE.getEffectiveSCEVType(OpTy),
4343                                            -(uint64_t)Offset);
4344       if (C->getType() != OpTy)
4345         C = ConstantExpr::getCast(CastInst::getCastOpcode(C, false,
4346                                                           OpTy, false),
4347                                   C, OpTy);
4348
4349       CI->setOperand(1, C);
4350     }
4351   }
4352
4353   return FullV;
4354 }
4355
4356 /// RewriteForPHI - Helper for Rewrite. PHI nodes are special because the use
4357 /// of their operands effectively happens in their predecessor blocks, so the
4358 /// expression may need to be expanded in multiple places.
4359 void LSRInstance::RewriteForPHI(PHINode *PN,
4360                                 const LSRFixup &LF,
4361                                 const Formula &F,
4362                                 SCEVExpander &Rewriter,
4363                                 SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4364                                 Pass *P) const {
4365   DenseMap<BasicBlock *, Value *> Inserted;
4366   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
4367     if (PN->getIncomingValue(i) == LF.OperandValToReplace) {
4368       BasicBlock *BB = PN->getIncomingBlock(i);
4369
4370       // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
4371       // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
4372       // is the canonical backedge for this loop, which complicates post-inc
4373       // users.
4374       if (e != 1 && BB->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
4375           !isa<IndirectBrInst>(BB->getTerminator())) {
4376         BasicBlock *Parent = PN->getParent();
4377         Loop *PNLoop = LI.getLoopFor(Parent);
4378         if (!PNLoop || Parent != PNLoop->getHeader()) {
4379           // Split the critical edge.
4380           BasicBlock *NewBB = 0;
4381           if (!Parent->isLandingPad()) {
4382             NewBB = SplitCriticalEdge(BB, Parent, P,
4383                                       /*MergeIdenticalEdges=*/true,
4384                                       /*DontDeleteUselessPhis=*/true);
4385           } else {
4386             SmallVector<BasicBlock*, 2> NewBBs;
4387             SplitLandingPadPredecessors(Parent, BB, "", "", P, NewBBs);
4388             NewBB = NewBBs[0];
4389           }
4390
4391           // If PN is outside of the loop and BB is in the loop, we want to
4392           // move the block to be immediately before the PHI block, not
4393           // immediately after BB.
4394           if (L->contains(BB) && !L->contains(PN))
4395             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
4396
4397           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
4398           e = PN->getNumIncomingValues();
4399           BB = NewBB;
4400           i = PN->getBasicBlockIndex(BB);
4401         }
4402       }
4403
4404       std::pair<DenseMap<BasicBlock *, Value *>::iterator, bool> Pair =
4405         Inserted.insert(std::make_pair(BB, static_cast<Value *>(0)));
4406       if (!Pair.second)
4407         PN->setIncomingValue(i, Pair.first->second);
4408       else {
4409         Value *FullV = Expand(LF, F, BB->getTerminator(), Rewriter, DeadInsts);
4410
4411         // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4412         Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4413         if (FullV->getType() != OpTy)
4414           FullV =
4415             CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false,
4416                                                      OpTy, false),
4417                              FullV, LF.OperandValToReplace->getType(),
4418                              "tmp", BB->getTerminator());
4419
4420         PN->setIncomingValue(i, FullV);
4421         Pair.first->second = FullV;
4422       }
4423     }
4424 }
4425
4426 /// Rewrite - Emit instructions for the leading candidate expression for this
4427 /// LSRUse (this is called "expanding"), and update the UserInst to reference
4428 /// the newly expanded value.
4429 void LSRInstance::Rewrite(const LSRFixup &LF,
4430                           const Formula &F,
4431                           SCEVExpander &Rewriter,
4432                           SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts,
4433                           Pass *P) const {
4434   // First, find an insertion point that dominates UserInst. For PHI nodes,
4435   // find the nearest block which dominates all the relevant uses.
4436   if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(LF.UserInst)) {
4437     RewriteForPHI(PN, LF, F, Rewriter, DeadInsts, P);
4438   } else {
4439     Value *FullV = Expand(LF, F, LF.UserInst, Rewriter, DeadInsts);
4440
4441     // If this is reuse-by-noop-cast, insert the noop cast.
4442     Type *OpTy = LF.OperandValToReplace->getType();
4443     if (FullV->getType() != OpTy) {
4444       Instruction *Cast =
4445         CastInst::Create(CastInst::getCastOpcode(FullV, false, OpTy, false),
4446                          FullV, OpTy, "tmp", LF.UserInst);
4447       FullV = Cast;
4448     }
4449
4450     // Update the user. ICmpZero is handled specially here (for now) because
4451     // Expand may have updated one of the operands of the icmp already, and
4452     // its new value may happen to be equal to LF.OperandValToReplace, in
4453     // which case doing replaceUsesOfWith leads to replacing both operands
4454     // with the same value. TODO: Reorganize this.
4455     if (Uses[LF.LUIdx].Kind == LSRUse::ICmpZero)
4456       LF.UserInst->setOperand(0, FullV);
4457     else
4458       LF.UserInst->replaceUsesOfWith(LF.OperandValToReplace, FullV);
4459   }
4460
4461   DeadInsts.push_back(LF.OperandValToReplace);
4462 }
4463
4464 /// ImplementSolution - Rewrite all the fixup locations with new values,
4465 /// following the chosen solution.
4466 void
4467 LSRInstance::ImplementSolution(const SmallVectorImpl<const Formula *> &Solution,
4468                                Pass *P) {
4469   // Keep track of instructions we may have made dead, so that
4470   // we can remove them after we are done working.
4471   SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4472
4473   SCEVExpander Rewriter(SE, "lsr");
4474 #ifndef NDEBUG
4475   Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4476 #endif
4477   Rewriter.disableCanonicalMode();
4478   Rewriter.enableLSRMode();
4479   Rewriter.setIVIncInsertPos(L, IVIncInsertPos);
4480
4481   // Mark phi nodes that terminate chains so the expander tries to reuse them.
4482   for (SmallVectorImpl<IVChain>::const_iterator ChainI = IVChainVec.begin(),
4483          ChainE = IVChainVec.end(); ChainI != ChainE; ++ChainI) {
4484     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(ChainI->back().UserInst))
4485       Rewriter.setChainedPhi(PN);
4486   }
4487
4488   // Expand the new value definitions and update the users.
4489   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
4490        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
4491     const LSRFixup &Fixup = *I;
4492
4493     Rewrite(Fixup, *Solution[Fixup.LUIdx], Rewriter, DeadInsts, P);
4494
4495     Changed = true;
4496   }
4497
4498   for (SmallVectorImpl<IVChain>::const_iterator ChainI = IVChainVec.begin(),
4499          ChainE = IVChainVec.end(); ChainI != ChainE; ++ChainI) {
4500     GenerateIVChain(*ChainI, Rewriter, DeadInsts);
4501     Changed = true;
4502   }
4503   // Clean up after ourselves. This must be done before deleting any
4504   // instructions.
4505   Rewriter.clear();
4506
4507   Changed |= DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4508 }
4509
4510 LSRInstance::LSRInstance(const TargetLowering *tli, Loop *l, Pass *P)
4511   : IU(P->getAnalysis<IVUsers>()),
4512     SE(P->getAnalysis<ScalarEvolution>()),
4513     DT(P->getAnalysis<DominatorTree>()),
4514     LI(P->getAnalysis<LoopInfo>()),
4515     TLI(tli), L(l), Changed(false), IVIncInsertPos(0) {
4516
4517   // If LoopSimplify form is not available, stay out of trouble.
4518   if (!L->isLoopSimplifyForm())
4519     return;
4520
4521   // All outer loops must have preheaders, or SCEVExpander may not be able to
4522   // materialize an AddRecExpr whose Start is an outer AddRecExpr.
4523   for (const Loop *OuterLoop = L; (OuterLoop = OuterLoop->getParentLoop());) {
4524     if (!OuterLoop->getLoopPreheader())
4525       return;
4526   }
4527   // If there's no interesting work to be done, bail early.
4528   if (IU.empty()) return;
4529
4530   DEBUG(dbgs() << "\nLSR on loop ";
4531         WriteAsOperand(dbgs(), L->getHeader(), /*PrintType=*/false);
4532         dbgs() << ":\n");
4533
4534   // First, perform some low-level loop optimizations.
4535   OptimizeShadowIV();
4536   OptimizeLoopTermCond();
4537
4538   // If loop preparation eliminates all interesting IV users, bail.
4539   if (IU.empty()) return;
4540
4541   // Skip nested loops until we can model them better with formulae.
4542   if (!EnableNested && !L->empty()) {
4543     DEBUG(dbgs() << "LSR skipping outer loop " << *L << "\n");
4544     return;
4545   }
4546
4547   // Start collecting data and preparing for the solver.
4548   CollectChains();
4549   CollectInterestingTypesAndFactors();
4550   CollectFixupsAndInitialFormulae();
4551   CollectLoopInvariantFixupsAndFormulae();
4552
4553   assert(!Uses.empty() && "IVUsers reported at least one use");
4554   DEBUG(dbgs() << "LSR found " << Uses.size() << " uses:\n";
4555         print_uses(dbgs()));
4556
4557   // Now use the reuse data to generate a bunch of interesting ways
4558   // to formulate the values needed for the uses.
4559   GenerateAllReuseFormulae();
4560
4561   FilterOutUndesirableDedicatedRegisters();
4562   NarrowSearchSpaceUsingHeuristics();
4563
4564   SmallVector<const Formula *, 8> Solution;
4565   Solve(Solution);
4566
4567   // Release memory that is no longer needed.
4568   Factors.clear();
4569   Types.clear();
4570   RegUses.clear();
4571
4572   if (Solution.empty())
4573     return;
4574
4575 #ifndef NDEBUG
4576   // Formulae should be legal.
4577   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
4578        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
4579      const LSRUse &LU = *I;
4580      for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
4581           JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J)
4582         assert(isLegalUse(J->AM, LU.MinOffset, LU.MaxOffset,
4583                           LU.Kind, LU.AccessTy, TLI) &&
4584                "Illegal formula generated!");
4585   };
4586 #endif
4587
4588   // Now that we've decided what we want, make it so.
4589   ImplementSolution(Solution, P);
4590 }
4591
4592 void LSRInstance::print_factors_and_types(raw_ostream &OS) const {
4593   if (Factors.empty() && Types.empty()) return;
4594
4595   OS << "LSR has identified the following interesting factors and types: ";
4596   bool First = true;
4597
4598   for (SmallSetVector<int64_t, 8>::const_iterator
4599        I = Factors.begin(), E = Factors.end(); I != E; ++I) {
4600     if (!First) OS << ", ";
4601     First = false;
4602     OS << '*' << *I;
4603   }
4604
4605   for (SmallSetVector<Type *, 4>::const_iterator
4606        I = Types.begin(), E = Types.end(); I != E; ++I) {
4607     if (!First) OS << ", ";
4608     First = false;
4609     OS << '(' << **I << ')';
4610   }
4611   OS << '\n';
4612 }
4613
4614 void LSRInstance::print_fixups(raw_ostream &OS) const {
4615   OS << "LSR is examining the following fixup sites:\n";
4616   for (SmallVectorImpl<LSRFixup>::const_iterator I = Fixups.begin(),
4617        E = Fixups.end(); I != E; ++I) {
4618     dbgs() << "  ";
4619     I->print(OS);
4620     OS << '\n';
4621   }
4622 }
4623
4624 void LSRInstance::print_uses(raw_ostream &OS) const {
4625   OS << "LSR is examining the following uses:\n";
4626   for (SmallVectorImpl<LSRUse>::const_iterator I = Uses.begin(),
4627        E = Uses.end(); I != E; ++I) {
4628     const LSRUse &LU = *I;
4629     dbgs() << "  ";
4630     LU.print(OS);
4631     OS << '\n';
4632     for (SmallVectorImpl<Formula>::const_iterator J = LU.Formulae.begin(),
4633          JE = LU.Formulae.end(); J != JE; ++J) {
4634       OS << "    ";
4635       J->print(OS);
4636       OS << '\n';
4637     }
4638   }
4639 }
4640
4641 void LSRInstance::print(raw_ostream &OS) const {
4642   print_factors_and_types(OS);
4643   print_fixups(OS);
4644   print_uses(OS);
4645 }
4646
4647 void LSRInstance::dump() const {
4648   print(errs()); errs() << '\n';
4649 }
4650
4651 namespace {
4652
4653 class LoopStrengthReduce : public LoopPass {
4654   /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
4655   /// transformation profitability.
4656   const TargetLowering *const TLI;
4657
4658 public:
4659   static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
4660   explicit LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = 0);
4661
4662 private:
4663   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
4664   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
4665 };
4666
4667 }
4668
4669 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
4670 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4671                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4672 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTree)
4673 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
4674 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(IVUsers)
4675 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
4676 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
4677 INITIALIZE_PASS_END(LoopStrengthReduce, "loop-reduce",
4678                 "Loop Strength Reduction", false, false)
4679
4680
4681 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
4682   return new LoopStrengthReduce(TLI);
4683 }
4684
4685 LoopStrengthReduce::LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli)
4686   : LoopPass(ID), TLI(tli) {
4687     initializeLoopStrengthReducePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
4688   }
4689
4690 void LoopStrengthReduce::getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
4691   // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
4692   // many analyses if they are around.
4693   AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
4694
4695   AU.addRequired<LoopInfo>();
4696   AU.addPreserved<LoopInfo>();
4697   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4698   AU.addRequired<DominatorTree>();
4699   AU.addPreserved<DominatorTree>();
4700   AU.addRequired<ScalarEvolution>();
4701   AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
4702   // Requiring LoopSimplify a second time here prevents IVUsers from running
4703   // twice, since LoopSimplify was invalidated by running ScalarEvolution.
4704   AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
4705   AU.addRequired<IVUsers>();
4706   AU.addPreserved<IVUsers>();
4707 }
4708
4709 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager & /*LPM*/) {
4710   bool Changed = false;
4711
4712   // Run the main LSR transformation.
4713   Changed |= LSRInstance(TLI, L, this).getChanged();
4714
4715   // Remove any extra phis created by processing inner loops.
4716   Changed |= DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
4717   if (EnablePhiElim) {
4718     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
4719     SCEVExpander Rewriter(getAnalysis<ScalarEvolution>(), "lsr");
4720 #ifndef NDEBUG
4721     Rewriter.setDebugType(DEBUG_TYPE);
4722 #endif
4723     unsigned numFolded = Rewriter.
4724       replaceCongruentIVs(L, &getAnalysis<DominatorTree>(), DeadInsts, TLI);
4725     if (numFolded) {
4726       Changed = true;
4727       DeleteTriviallyDeadInstructions(DeadInsts);
4728       DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
4729     }
4730   }
4731   return Changed;
4732 }