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[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / LoopStrengthReduce.cpp
1 //===- LoopStrengthReduce.cpp - Strength Reduce IVs in Loops --------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This transformation analyzes and transforms the induction variables (and
11 // computations derived from them) into forms suitable for efficient execution
12 // on the target.
13 //
14 // This pass performs a strength reduction on array references inside loops that
15 // have as one or more of their components the loop induction variable, it
16 // rewrites expressions to take advantage of scaled-index addressing modes
17 // available on the target, and it performs a variety of other optimizations
18 // related to loop induction variables.
19 //
20 //===----------------------------------------------------------------------===//
21
22 #define DEBUG_TYPE "loop-reduce"
23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/Constants.h"
25 #include "llvm/Instructions.h"
26 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
27 #include "llvm/Type.h"
28 #include "llvm/DerivedTypes.h"
29 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
30 #include "llvm/Analysis/IVUsers.h"
31 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
32 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
33 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
34 #include "llvm/Transforms/Utils/AddrModeMatcher.h"
35 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
36 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
37 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
38 #include "llvm/Support/CFG.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/Compiler.h"
41 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
42 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
43 #include "llvm/Target/TargetLowering.h"
44 #include <algorithm>
45 using namespace llvm;
46
47 STATISTIC(NumReduced ,    "Number of IV uses strength reduced");
48 STATISTIC(NumInserted,    "Number of PHIs inserted");
49 STATISTIC(NumVariable,    "Number of PHIs with variable strides");
50 STATISTIC(NumEliminated,  "Number of strides eliminated");
51 STATISTIC(NumShadow,      "Number of Shadow IVs optimized");
52 STATISTIC(NumImmSunk,     "Number of common expr immediates sunk into uses");
53 STATISTIC(NumLoopCond,    "Number of loop terminating conds optimized");
54
55 static cl::opt<bool> EnableFullLSRMode("enable-full-lsr",
56                                        cl::init(false),
57                                        cl::Hidden);
58
59 namespace {
60
61   struct BasedUser;
62
63   /// IVInfo - This structure keeps track of one IV expression inserted during
64   /// StrengthReduceStridedIVUsers. It contains the stride, the common base, as
65   /// well as the PHI node and increment value created for rewrite.
66   struct VISIBILITY_HIDDEN IVExpr {
67     SCEVHandle  Stride;
68     SCEVHandle  Base;
69     PHINode    *PHI;
70
71     IVExpr(const SCEVHandle &stride, const SCEVHandle &base, PHINode *phi)
72       : Stride(stride), Base(base), PHI(phi) {}
73   };
74
75   /// IVsOfOneStride - This structure keeps track of all IV expression inserted
76   /// during StrengthReduceStridedIVUsers for a particular stride of the IV.
77   struct VISIBILITY_HIDDEN IVsOfOneStride {
78     std::vector<IVExpr> IVs;
79
80     void addIV(const SCEVHandle &Stride, const SCEVHandle &Base, PHINode *PHI) {
81       IVs.push_back(IVExpr(Stride, Base, PHI));
82     }
83   };
84
85   class VISIBILITY_HIDDEN LoopStrengthReduce : public LoopPass {
86     IVUsers *IU;
87     LoopInfo *LI;
88     DominatorTree *DT;
89     ScalarEvolution *SE;
90     bool Changed;
91
92     /// IVsByStride - Keep track of all IVs that have been inserted for a
93     /// particular stride.
94     std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride> IVsByStride;
95
96     /// StrideNoReuse - Keep track of all the strides whose ivs cannot be
97     /// reused (nor should they be rewritten to reuse other strides).
98     SmallSet<SCEVHandle, 4> StrideNoReuse;
99
100     /// DeadInsts - Keep track of instructions we may have made dead, so that
101     /// we can remove them after we are done working.
102     SmallVector<WeakVH, 16> DeadInsts;
103
104     /// TLI - Keep a pointer of a TargetLowering to consult for determining
105     /// transformation profitability.
106     const TargetLowering *TLI;
107
108   public:
109     static char ID; // Pass ID, replacement for typeid
110     explicit LoopStrengthReduce(const TargetLowering *tli = NULL) : 
111       LoopPass(&ID), TLI(tli) {
112     }
113
114     bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM);
115
116     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
117       // We split critical edges, so we change the CFG.  However, we do update
118       // many analyses if they are around.
119       AU.addPreservedID(LoopSimplifyID);
120       AU.addPreserved<LoopInfo>();
121       AU.addPreserved<DominanceFrontier>();
122       AU.addPreserved<DominatorTree>();
123
124       AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
125       AU.addRequired<LoopInfo>();
126       AU.addRequired<DominatorTree>();
127       AU.addRequired<ScalarEvolution>();
128       AU.addPreserved<ScalarEvolution>();
129       AU.addRequired<IVUsers>();
130       AU.addPreserved<IVUsers>();
131     }
132
133   private:
134     ICmpInst *ChangeCompareStride(Loop *L, ICmpInst *Cond,
135                                   IVStrideUse* &CondUse,
136                                   const SCEVHandle* &CondStride);
137
138     void OptimizeIndvars(Loop *L);
139     void OptimizeLoopCountIV(Loop *L);
140     void OptimizeLoopTermCond(Loop *L);
141
142     /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
143     /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
144     void OptimizeShadowIV(Loop *L);
145
146     /// OptimizeSMax - Rewrite the loop's terminating condition
147     /// if it uses an smax computation.
148     ICmpInst *OptimizeSMax(Loop *L, ICmpInst *Cond,
149                            IVStrideUse* &CondUse);
150
151     bool FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
152                            const SCEVHandle *&CondStride);
153     bool RequiresTypeConversion(const Type *Ty, const Type *NewTy);
154     SCEVHandle CheckForIVReuse(bool, bool, bool, const SCEVHandle&,
155                              IVExpr&, const Type*,
156                              const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
157     bool ValidScale(bool, int64_t,
158                     const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
159     bool ValidOffset(bool, int64_t, int64_t,
160                      const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess);
161     SCEVHandle CollectIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
162                               IVUsersOfOneStride &Uses,
163                               Loop *L,
164                               bool &AllUsesAreAddresses,
165                               bool &AllUsesAreOutsideLoop,
166                               std::vector<BasedUser> &UsersToProcess);
167     bool ShouldUseFullStrengthReductionMode(
168                                 const std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
169                                 const Loop *L,
170                                 bool AllUsesAreAddresses,
171                                 SCEVHandle Stride);
172     void PrepareToStrengthReduceFully(
173                              std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
174                              SCEVHandle Stride,
175                              SCEVHandle CommonExprs,
176                              const Loop *L,
177                              SCEVExpander &PreheaderRewriter);
178     void PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(
179                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
180                                          Value *CommonBaseV,
181                                          const IVExpr &ReuseIV,
182                                          Instruction *PreInsertPt);
183     void PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(
184                                   std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
185                                   SCEVHandle Stride,
186                                   SCEVHandle CommonExprs,
187                                   Value *CommonBaseV,
188                                   Instruction *IVIncInsertPt,
189                                   const Loop *L,
190                                   SCEVExpander &PreheaderRewriter);
191     void StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
192                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
193                                       Loop *L);
194     void DeleteTriviallyDeadInstructions();
195   };
196 }
197
198 char LoopStrengthReduce::ID = 0;
199 static RegisterPass<LoopStrengthReduce>
200 X("loop-reduce", "Loop Strength Reduction");
201
202 Pass *llvm::createLoopStrengthReducePass(const TargetLowering *TLI) {
203   return new LoopStrengthReduce(TLI);
204 }
205
206 /// DeleteTriviallyDeadInstructions - If any of the instructions is the
207 /// specified set are trivially dead, delete them and see if this makes any of
208 /// their operands subsequently dead.
209 void LoopStrengthReduce::DeleteTriviallyDeadInstructions() {
210   if (DeadInsts.empty()) return;
211   
212   while (!DeadInsts.empty()) {
213     Instruction *I = dyn_cast_or_null<Instruction>(DeadInsts.back());
214     DeadInsts.pop_back();
215     
216     if (I == 0 || !isInstructionTriviallyDead(I))
217       continue;
218
219     for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), E = I->op_end(); OI != E; ++OI) {
220       if (Instruction *U = dyn_cast<Instruction>(*OI)) {
221         *OI = 0;
222         if (U->use_empty())
223           DeadInsts.push_back(U);
224       }
225     }
226     
227     I->eraseFromParent();
228     Changed = true;
229   }
230 }
231
232 /// containsAddRecFromDifferentLoop - Determine whether expression S involves a 
233 /// subexpression that is an AddRec from a loop other than L.  An outer loop 
234 /// of L is OK, but not an inner loop nor a disjoint loop.
235 static bool containsAddRecFromDifferentLoop(SCEVHandle S, Loop *L) {
236   // This is very common, put it first.
237   if (isa<SCEVConstant>(S))
238     return false;
239   if (const SCEVCommutativeExpr *AE = dyn_cast<SCEVCommutativeExpr>(S)) {
240     for (unsigned int i=0; i< AE->getNumOperands(); i++)
241       if (containsAddRecFromDifferentLoop(AE->getOperand(i), L))
242         return true;
243     return false;
244   }
245   if (const SCEVAddRecExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(S)) {
246     if (const Loop *newLoop = AE->getLoop()) {
247       if (newLoop == L)
248         return false;
249       // if newLoop is an outer loop of L, this is OK.
250       if (!LoopInfoBase<BasicBlock>::isNotAlreadyContainedIn(L, newLoop))
251         return false;
252     }
253     return true;
254   }
255   if (const SCEVUDivExpr *DE = dyn_cast<SCEVUDivExpr>(S))
256     return containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getLHS(), L) ||
257            containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getRHS(), L);
258 #if 0
259   // SCEVSDivExpr has been backed out temporarily, but will be back; we'll 
260   // need this when it is.
261   if (const SCEVSDivExpr *DE = dyn_cast<SCEVSDivExpr>(S))
262     return containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getLHS(), L) ||
263            containsAddRecFromDifferentLoop(DE->getRHS(), L);
264 #endif
265   if (const SCEVCastExpr *CE = dyn_cast<SCEVCastExpr>(S))
266     return containsAddRecFromDifferentLoop(CE->getOperand(), L);
267   return false;
268 }
269
270 /// isAddressUse - Returns true if the specified instruction is using the
271 /// specified value as an address.
272 static bool isAddressUse(Instruction *Inst, Value *OperandVal) {
273   bool isAddress = isa<LoadInst>(Inst);
274   if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst)) {
275     if (SI->getOperand(1) == OperandVal)
276       isAddress = true;
277   } else if (IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
278     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
279     // of intrinsics.
280     switch (II->getIntrinsicID()) {
281       default: break;
282       case Intrinsic::prefetch:
283       case Intrinsic::x86_sse2_loadu_dq:
284       case Intrinsic::x86_sse2_loadu_pd:
285       case Intrinsic::x86_sse_loadu_ps:
286       case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
287       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
288       case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
289       case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
290         if (II->getOperand(1) == OperandVal)
291           isAddress = true;
292         break;
293     }
294   }
295   return isAddress;
296 }
297
298 /// getAccessType - Return the type of the memory being accessed.
299 static const Type *getAccessType(const Instruction *Inst) {
300   const Type *AccessTy = Inst->getType();
301   if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
302     AccessTy = SI->getOperand(0)->getType();
303   else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(Inst)) {
304     // Addressing modes can also be folded into prefetches and a variety
305     // of intrinsics.
306     switch (II->getIntrinsicID()) {
307     default: break;
308     case Intrinsic::x86_sse_storeu_ps:
309     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_pd:
310     case Intrinsic::x86_sse2_storeu_dq:
311     case Intrinsic::x86_sse2_storel_dq:
312       AccessTy = II->getOperand(1)->getType();
313       break;
314     }
315   }
316   return AccessTy;
317 }
318
319 namespace {
320   /// BasedUser - For a particular base value, keep information about how we've
321   /// partitioned the expression so far.
322   struct BasedUser {
323     /// SE - The current ScalarEvolution object.
324     ScalarEvolution *SE;
325
326     /// Base - The Base value for the PHI node that needs to be inserted for
327     /// this use.  As the use is processed, information gets moved from this
328     /// field to the Imm field (below).  BasedUser values are sorted by this
329     /// field.
330     SCEVHandle Base;
331     
332     /// Inst - The instruction using the induction variable.
333     Instruction *Inst;
334
335     /// OperandValToReplace - The operand value of Inst to replace with the
336     /// EmittedBase.
337     Value *OperandValToReplace;
338
339     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
340     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
341     /// instruction.  This is also sometimes used for loop-variant values that
342     /// must be added inside the loop.
343     SCEVHandle Imm;
344
345     /// Phi - The induction variable that performs the striding that
346     /// should be used for this user.
347     PHINode *Phi;
348
349     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
350     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
351     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
352     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
353     // the loop.
354     bool isUseOfPostIncrementedValue;
355     
356     BasedUser(IVStrideUse &IVSU, ScalarEvolution *se)
357       : SE(se), Base(IVSU.getOffset()), Inst(IVSU.getUser()),
358         OperandValToReplace(IVSU.getOperandValToReplace()),
359         Imm(SE->getIntegerSCEV(0, Base->getType())), 
360         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue()) {}
361
362     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
363     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
364     // to it.
365     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
366                                         Instruction *InsertPt,
367                                        SCEVExpander &Rewriter, Loop *L, Pass *P,
368                                         LoopInfo &LI,
369                                         SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
370     
371     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
372                                        const Type *Ty,
373                                        SCEVExpander &Rewriter,
374                                        Instruction *IP, Loop *L,
375                                        LoopInfo &LI);
376     void dump() const;
377   };
378 }
379
380 void BasedUser::dump() const {
381   cerr << " Base=" << *Base;
382   cerr << " Imm=" << *Imm;
383   cerr << "   Inst: " << *Inst;
384 }
385
386 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
387                                               const Type *Ty,
388                                               SCEVExpander &Rewriter,
389                                               Instruction *IP, Loop *L,
390                                               LoopInfo &LI) {
391   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
392   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
393   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
394   // many loops as possible.
395   Instruction *BaseInsertPt = IP;
396   
397   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
398   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
399   
400   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
401   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
402   if (L->contains(IP->getParent()))
403     while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
404       BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
405       InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
406     }
407   
408   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, 0, BaseInsertPt);
409
410   SCEVHandle NewValSCEV = SE->getUnknown(Base);
411
412   // If there is no immediate value, skip the next part.
413   if (!Imm->isZero()) {
414     // If we are inserting the base and imm values in the same block, make sure
415     // to adjust the IP position if insertion reused a result.
416     if (IP == BaseInsertPt)
417       IP = Rewriter.getInsertionPoint();
418
419     // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
420     NewValSCEV = SE->getAddExpr(NewValSCEV, Imm);
421   }
422
423   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, Ty, IP);
424 }
425
426
427 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
428 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
429 // to it. NewBasePt is the last instruction which contributes to the
430 // value of NewBase in the case that it's a diffferent instruction from
431 // the PHI that NewBase is computed from, or null otherwise.
432 //
433 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
434                                                Instruction *NewBasePt,
435                                       SCEVExpander &Rewriter, Loop *L, Pass *P,
436                                       LoopInfo &LI,
437                                       SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
438   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
439     // By default, insert code at the user instruction.
440     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
441     
442     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
443     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
444     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
445     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
446     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
447     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
448     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
449     // In this case, we have to back off.
450     //
451     // If this is a use outside the loop (which means after, since it is based
452     // on a loop indvar) we use the post-incremented value, so that we don't
453     // artificially make the preinc value live out the bottom of the loop. 
454     if (!isUseOfPostIncrementedValue && L->contains(Inst->getParent())) {
455       if (NewBasePt && isa<PHINode>(OperandValToReplace)) {
456         InsertPt = NewBasePt;
457         ++InsertPt;
458       } else if (Instruction *OpInst
459                  = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) {
460         InsertPt = OpInst;
461         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
462       }
463     }
464     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase,
465                                                 OperandValToReplace->getType(),
466                                                 Rewriter, InsertPt, L, LI);
467     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
468     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
469
470     DOUT << "      Replacing with ";
471     DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, NewVal, /*PrintType=*/false));
472     DOUT << ", which has value " << *NewBase << " plus IMM " << *Imm << "\n";
473     return;
474   }
475
476   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
477   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
478   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
479   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
480   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
481   DenseMap<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
482   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
483   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
484     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
485       // If the original expression is outside the loop, put the replacement
486       // code in the same place as the original expression,
487       // which need not be an immediate predecessor of this PHI.  This way we 
488       // need only one copy of it even if it is referenced multiple times in
489       // the PHI.  We don't do this when the original expression is inside the
490       // loop because multiple copies sometimes do useful sinking of code in
491       // that case(?).
492       Instruction *OldLoc = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace);
493       if (L->contains(OldLoc->getParent())) {
494         // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
495         // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
496         // is the canonical backedge for this loop, as this can make some
497         // inserted code be in an illegal position.
498         BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
499         if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
500             (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
501
502           // First step, split the critical edge.
503           SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, false);
504
505           // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
506           // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
507           // move the block to be immediately before the PHI block, not
508           // immediately after PredTI.
509           if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
510             BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
511             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
512           }
513
514           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
515           e = PN->getNumIncomingValues();
516         }
517       }
518       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
519       if (!Code) {
520         // Insert the code into the end of the predecessor block.
521         Instruction *InsertPt = (L->contains(OldLoc->getParent())) ?
522                                 PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator() :
523                                 OldLoc->getParent()->getTerminator();
524         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, PN->getType(),
525                                            Rewriter, InsertPt, L, LI);
526
527         DOUT << "      Changing PHI use to ";
528         DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, Code, /*PrintType=*/false));
529         DOUT << ", which has value " << *NewBase << " plus IMM " << *Imm << "\n";
530       }
531
532       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
533       PN->setIncomingValue(i, Code);
534       Rewriter.clear();
535     }
536   }
537
538   // PHI node might have become a constant value after SplitCriticalEdge.
539   DeadInsts.push_back(Inst);
540 }
541
542
543 /// fitsInAddressMode - Return true if V can be subsumed within an addressing
544 /// mode, and does not need to be put in a register first.
545 static bool fitsInAddressMode(const SCEVHandle &V, const Type *AccessTy,
546                              const TargetLowering *TLI, bool HasBaseReg) {
547   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
548     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
549     if (TLI) {
550       TargetLowering::AddrMode AM;
551       AM.BaseOffs = VC;
552       AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
553       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
554     } else {
555       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
556       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
557     }
558   }
559
560   if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
561     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(SU->getValue())) {
562       if (TLI) {
563         TargetLowering::AddrMode AM;
564         AM.BaseGV = GV;
565         AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
566         return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
567       } else {
568         // Default: assume global addresses are not legal.
569       }
570     }
571
572   return false;
573 }
574
575 /// MoveLoopVariantsToImmediateField - Move any subexpressions from Val that are
576 /// loop varying to the Imm operand.
577 static void MoveLoopVariantsToImmediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
578                                              Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
579   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
580   
581   if (const SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
582     SmallVector<SCEVHandle, 4> NewOps;
583     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
584     
585     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
586       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
587         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
588         // field of the expression.
589         Imm = SE->getAddExpr(Imm, SAE->getOperand(i));
590       } else {
591         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
592       }
593
594     if (NewOps.empty())
595       Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
596     else
597       Val = SE->getAddExpr(NewOps);
598   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
599     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
600     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
601     MoveLoopVariantsToImmediateField(Start, Imm, L, SE);
602     
603     SmallVector<SCEVHandle, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
604     Ops[0] = Start;
605     Val = SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop());
606   } else {
607     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
608     Imm = SE->getAddExpr(Imm, Val);
609     Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
610   }
611 }
612
613
614 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
615 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
616 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
617 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
618                                 const Type *AccessTy,
619                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
620                                 bool isAddress, Loop *L,
621                                 ScalarEvolution *SE) {
622   if (const SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
623     SmallVector<SCEVHandle, 4> NewOps;
624     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
625     
626     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
627       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
628       MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, NewOp, Imm, isAddress, L, SE);
629       
630       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
631         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
632         // field of the expression.
633         Imm = SE->getAddExpr(Imm, NewOp);
634       } else {
635         NewOps.push_back(NewOp);
636       }
637     }
638
639     if (NewOps.empty())
640       Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
641     else
642       Val = SE->getAddExpr(NewOps);
643     return;
644   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
645     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
646     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
647     MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, Start, Imm, isAddress, L, SE);
648     
649     if (Start != SARE->getStart()) {
650       SmallVector<SCEVHandle, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
651       Ops[0] = Start;
652       Val = SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop());
653     }
654     return;
655   } else if (const SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
656     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
657     if (isAddress &&
658         fitsInAddressMode(SME->getOperand(0), AccessTy, TLI, false) &&
659         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
660
661       SCEVHandle SubImm = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
662       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
663       MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, NewOp, SubImm, isAddress, L, SE);
664       
665       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
666       // simplify this!
667       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
668         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
669         // good.
670         SubImm = SE->getMulExpr(SubImm, SME->getOperand(0));
671         if (fitsInAddressMode(SubImm, AccessTy, TLI, false)) {
672           // Accumulate the immediate.
673           Imm = SE->getAddExpr(Imm, SubImm);
674           
675           // Update what is left of 'Val'.
676           Val = SE->getMulExpr(SME->getOperand(0), NewOp);
677           return;
678         }
679       }
680     }
681   }
682
683   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
684   // expression.
685   if ((isAddress && fitsInAddressMode(Val, AccessTy, TLI, false)) ||
686       !Val->isLoopInvariant(L)) {
687     Imm = SE->getAddExpr(Imm, Val);
688     Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
689     return;
690   }
691
692   // Otherwise, no immediates to move.
693 }
694
695 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
696                                 Instruction *User,
697                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
698                                 bool isAddress, Loop *L,
699                                 ScalarEvolution *SE) {
700   const Type *AccessTy = getAccessType(User);
701   MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, Val, Imm, isAddress, L, SE);
702 }
703
704 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
705 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
706 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
707 static void SeparateSubExprs(SmallVector<SCEVHandle, 16> &SubExprs,
708                              SCEVHandle Expr,
709                              ScalarEvolution *SE) {
710   if (const SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
711     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
712       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j), SE);
713   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
714     SCEVHandle Zero = SE->getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
715     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
716       SubExprs.push_back(Expr);
717     } else {
718       // Compute the addrec with zero as its base.
719       SmallVector<SCEVHandle, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
720       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
721       SubExprs.push_back(SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop()));
722       
723
724       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0), SE);
725     }
726   } else if (!Expr->isZero()) {
727     // Do not add zero.
728     SubExprs.push_back(Expr);
729   }
730 }
731
732 // This is logically local to the following function, but C++ says we have 
733 // to make it file scope.
734 struct SubExprUseData { unsigned Count; bool notAllUsesAreFree; };
735
736 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the Bases of all
737 /// the Uses, removing any common subexpressions, except that if all such
738 /// subexpressions can be folded into an addressing mode for all uses inside
739 /// the loop (this case is referred to as "free" in comments herein) we do
740 /// not remove anything.  This looks for things like (a+b+c) and
741 /// (a+c+d) and computes the common (a+c) subexpression.  The common expression
742 /// is *removed* from the Bases and returned.
743 static SCEVHandle 
744 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses,
745                                     ScalarEvolution *SE, Loop *L,
746                                     const TargetLowering *TLI) {
747   unsigned NumUses = Uses.size();
748
749   // Only one use?  This is a very common case, so we handle it specially and
750   // cheaply.
751   SCEVHandle Zero = SE->getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
752   SCEVHandle Result = Zero;
753   SCEVHandle FreeResult = Zero;
754   if (NumUses == 1) {
755     // If the use is inside the loop, use its base, regardless of what it is:
756     // it is clearly shared across all the IV's.  If the use is outside the loop
757     // (which means after it) we don't want to factor anything *into* the loop,
758     // so just use 0 as the base.
759     if (L->contains(Uses[0].Inst->getParent()))
760       std::swap(Result, Uses[0].Base);
761     return Result;
762   }
763
764   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
765   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
766   // Also track whether all uses of each expression can be moved into an
767   // an addressing mode "for free"; such expressions are left within the loop.
768   // struct SubExprUseData { unsigned Count; bool notAllUsesAreFree; };
769   std::map<SCEVHandle, SubExprUseData> SubExpressionUseData;
770   
771   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
772   // order we see them.
773   SmallVector<SCEVHandle, 16> UniqueSubExprs;
774
775   SmallVector<SCEVHandle, 16> SubExprs;
776   unsigned NumUsesInsideLoop = 0;
777   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
778     // If the user is outside the loop, just ignore it for base computation.
779     // Since the user is outside the loop, it must be *after* the loop (if it
780     // were before, it could not be based on the loop IV).  We don't want users
781     // after the loop to affect base computation of values *inside* the loop,
782     // because we can always add their offsets to the result IV after the loop
783     // is done, ensuring we get good code inside the loop.
784     if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent()))
785       continue;
786     NumUsesInsideLoop++;
787     
788     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
789     // CSEs we can find.
790     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
791
792     // If this use is as an address we may be able to put CSEs in the addressing
793     // mode rather than hoisting them.
794     bool isAddrUse = isAddressUse(Uses[i].Inst, Uses[i].OperandValToReplace);
795     // We may need the AccessTy below, but only when isAddrUse, so compute it
796     // only in that case.
797     const Type *AccessTy = 0;
798     if (isAddrUse)
799       AccessTy = getAccessType(Uses[i].Inst);
800
801     // Split the expression into subexprs.
802     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base, SE);
803     // Add one to SubExpressionUseData.Count for each subexpr present, and
804     // if the subexpr is not a valid immediate within an addressing mode use,
805     // set SubExpressionUseData.notAllUsesAreFree.  We definitely want to
806     // hoist these out of the loop (if they are common to all uses).
807     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j) {
808       if (++SubExpressionUseData[SubExprs[j]].Count == 1)
809         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
810       if (!isAddrUse || !fitsInAddressMode(SubExprs[j], AccessTy, TLI, false))
811         SubExpressionUseData[SubExprs[j]].notAllUsesAreFree = true;
812     }
813     SubExprs.clear();
814   }
815
816   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
817   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
818   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
819     std::map<SCEVHandle, SubExprUseData>::iterator I = 
820        SubExpressionUseData.find(UniqueSubExprs[i]);
821     assert(I != SubExpressionUseData.end() && "Entry not found?");
822     if (I->second.Count == NumUsesInsideLoop) { // Found CSE! 
823       if (I->second.notAllUsesAreFree)
824         Result = SE->getAddExpr(Result, I->first);
825       else 
826         FreeResult = SE->getAddExpr(FreeResult, I->first);
827     } else
828       // Remove non-cse's from SubExpressionUseData.
829       SubExpressionUseData.erase(I);
830   }
831
832   if (FreeResult != Zero) {
833     // We have some subexpressions that can be subsumed into addressing
834     // modes in every use inside the loop.  However, it's possible that
835     // there are so many of them that the combined FreeResult cannot
836     // be subsumed, or that the target cannot handle both a FreeResult
837     // and a Result in the same instruction (for example because it would
838     // require too many registers).  Check this.
839     for (unsigned i=0; i<NumUses; ++i) {
840       if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent()))
841         continue;
842       // We know this is an addressing mode use; if there are any uses that
843       // are not, FreeResult would be Zero.
844       const Type *AccessTy = getAccessType(Uses[i].Inst);
845       if (!fitsInAddressMode(FreeResult, AccessTy, TLI, Result!=Zero)) {
846         // FIXME:  could split up FreeResult into pieces here, some hoisted
847         // and some not.  There is no obvious advantage to this.
848         Result = SE->getAddExpr(Result, FreeResult);
849         FreeResult = Zero;
850         break;
851       }
852     }
853   }
854
855   // If we found no CSE's, return now.
856   if (Result == Zero) return Result;
857   
858   // If we still have a FreeResult, remove its subexpressions from
859   // SubExpressionUseData.  This means they will remain in the use Bases.
860   if (FreeResult != Zero) {
861     SeparateSubExprs(SubExprs, FreeResult, SE);
862     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j) {
863       std::map<SCEVHandle, SubExprUseData>::iterator I = 
864          SubExpressionUseData.find(SubExprs[j]);
865       SubExpressionUseData.erase(I);
866     }
867     SubExprs.clear();
868   }
869
870   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
871   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
872     // Uses outside the loop don't necessarily include the common base, but
873     // the final IV value coming into those uses does.  Instead of trying to
874     // remove the pieces of the common base, which might not be there,
875     // subtract off the base to compensate for this.
876     if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent())) {
877       Uses[i].Base = SE->getMinusSCEV(Uses[i].Base, Result);
878       continue;
879     }
880
881     // Split the expression into subexprs.
882     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base, SE);
883
884     // Remove any common subexpressions.
885     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
886       if (SubExpressionUseData.count(SubExprs[j])) {
887         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
888         --j; --e;
889       }
890     
891     // Finally, add the non-shared expressions together.
892     if (SubExprs.empty())
893       Uses[i].Base = Zero;
894     else
895       Uses[i].Base = SE->getAddExpr(SubExprs);
896     SubExprs.clear();
897   }
898  
899   return Result;
900 }
901
902 /// ValidScale - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
903 /// stores in UsersToProcess.
904 ///
905 bool LoopStrengthReduce::ValidScale(bool HasBaseReg, int64_t Scale,
906                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
907   if (!TLI)
908     return true;
909
910   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
911     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
912     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
913     if (isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
914                      UsersToProcess[i].OperandValToReplace))
915       AccessTy = getAccessType(UsersToProcess[i].Inst);
916     else if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst))
917       continue;
918     
919     TargetLowering::AddrMode AM;
920     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
921       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
922     AM.HasBaseReg = HasBaseReg || !UsersToProcess[i].Base->isZero();
923     AM.Scale = Scale;
924
925     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
926     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
927       return false;
928   }
929   return true;
930 }
931
932 /// ValidOffset - Check whether the given Offset is valid for all loads and
933 /// stores in UsersToProcess.
934 ///
935 bool LoopStrengthReduce::ValidOffset(bool HasBaseReg,
936                                int64_t Offset,
937                                int64_t Scale,
938                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
939   if (!TLI)
940     return true;
941
942   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
943     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
944     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
945     if (isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
946                      UsersToProcess[i].OperandValToReplace))
947       AccessTy = getAccessType(UsersToProcess[i].Inst);
948     else if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst))
949       continue;
950
951     TargetLowering::AddrMode AM;
952     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
953       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
954     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + (uint64_t)Offset;
955     AM.HasBaseReg = HasBaseReg || !UsersToProcess[i].Base->isZero();
956     AM.Scale = Scale;
957
958     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
959     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
960       return false;
961   }
962   return true;
963 }
964
965 /// RequiresTypeConversion - Returns true if converting Ty1 to Ty2 is not
966 /// a nop.
967 bool LoopStrengthReduce::RequiresTypeConversion(const Type *Ty1,
968                                                 const Type *Ty2) {
969   if (Ty1 == Ty2)
970     return false;
971   Ty1 = SE->getEffectiveSCEVType(Ty1);
972   Ty2 = SE->getEffectiveSCEVType(Ty2);
973   if (Ty1 == Ty2)
974     return false;
975   if (Ty1->canLosslesslyBitCastTo(Ty2))
976     return false;
977   if (TLI && TLI->isTruncateFree(Ty1, Ty2))
978     return false;
979   return true;
980 }
981
982 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
983 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
984 /// mode scale component and optional base reg. This allows the users of
985 /// this stride to be rewritten as prev iv * factor. It returns 0 if no
986 /// reuse is possible.  Factors can be negative on same targets, e.g. ARM.
987 ///
988 /// If all uses are outside the loop, we don't require that all multiplies
989 /// be folded into the addressing mode, nor even that the factor be constant; 
990 /// a multiply (executed once) outside the loop is better than another IV 
991 /// within.  Well, usually.
992 SCEVHandle LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(bool HasBaseReg,
993                                 bool AllUsesAreAddresses,
994                                 bool AllUsesAreOutsideLoop,
995                                 const SCEVHandle &Stride, 
996                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
997                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
998   if (StrideNoReuse.count(Stride))
999     return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1000
1001   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
1002     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
1003     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1004          NewStride != e; ++NewStride) {
1005       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1006                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1007       if (SI == IVsByStride.end() || !isa<SCEVConstant>(SI->first) ||
1008           StrideNoReuse.count(SI->first))
1009         continue;
1010       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1011       if (SI->first != Stride &&
1012           (unsigned(abs64(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
1013         continue;
1014       int64_t Scale = SInt / SSInt;
1015       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
1016       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
1017       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
1018       // anyway. If the scale is 1, then we don't need to worry about folding
1019       // multiplications.
1020       if (Scale == 1 ||
1021           (AllUsesAreAddresses &&
1022            ValidScale(HasBaseReg, Scale, UsersToProcess))) {
1023         // Prefer to reuse an IV with a base of zero.
1024         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1025                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1026           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion
1027           // and if the base difference can be folded.
1028           if (II->Base->isZero() &&
1029               !RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1030             IV = *II;
1031             return SE->getIntegerSCEV(Scale, Stride->getType());
1032           }
1033         // Otherwise, settle for an IV with a foldable base.
1034         if (AllUsesAreAddresses)
1035           for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1036                  IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1037             // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion
1038             // and if the base difference can be folded.
1039             if (SE->getEffectiveSCEVType(II->Base->getType()) ==
1040                 SE->getEffectiveSCEVType(Ty) &&
1041                 isa<SCEVConstant>(II->Base)) {
1042               int64_t Base =
1043                 cast<SCEVConstant>(II->Base)->getValue()->getSExtValue();
1044               if (Base > INT32_MIN && Base <= INT32_MAX &&
1045                   ValidOffset(HasBaseReg, -Base * Scale,
1046                               Scale, UsersToProcess)) {
1047                 IV = *II;
1048                 return SE->getIntegerSCEV(Scale, Stride->getType());
1049               }
1050             }
1051       }
1052     }
1053   } else if (AllUsesAreOutsideLoop) {
1054     // Accept nonconstant strides here; it is really really right to substitute
1055     // an existing IV if we can.
1056     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1057          NewStride != e; ++NewStride) {
1058       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1059                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1060       if (SI == IVsByStride.end() || !isa<SCEVConstant>(SI->first))
1061         continue;
1062       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1063       if (SI->first != Stride && SSInt != 1)
1064         continue;
1065       for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1066              IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1067         // Accept nonzero base here.
1068         // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
1069         if (!RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1070           IV = *II;
1071           return Stride;
1072         }
1073     }
1074     // Special case, old IV is -1*x and this one is x.  Can treat this one as
1075     // -1*old.
1076     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1077          NewStride != e; ++NewStride) {
1078       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1079                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1080       if (SI == IVsByStride.end()) 
1081         continue;
1082       if (const SCEVMulExpr *ME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(SI->first))
1083         if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ME->getOperand(0)))
1084           if (Stride == ME->getOperand(1) &&
1085               SC->getValue()->getSExtValue() == -1LL)
1086             for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1087                    IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1088               // Accept nonzero base here.
1089               // Only reuse previous IV if it would not require type conversion.
1090               if (!RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1091                 IV = *II;
1092                 return SE->getIntegerSCEV(-1LL, Stride->getType());
1093               }
1094     }
1095   }
1096   return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1097 }
1098
1099 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
1100 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
1101 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
1102   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
1103 }
1104
1105 /// isNonConstantNegative - Return true if the specified scev is negated, but
1106 /// not a constant.
1107 static bool isNonConstantNegative(const SCEVHandle &Expr) {
1108   const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Expr);
1109   if (!Mul) return false;
1110   
1111   // If there is a constant factor, it will be first.
1112   const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0));
1113   if (!SC) return false;
1114   
1115   // Return true if the value is negative, this matches things like (-42 * V).
1116   return SC->getValue()->getValue().isNegative();
1117 }
1118
1119 /// CollectIVUsers - Transform our list of users and offsets to a bit more
1120 /// complex table. In this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base', the base
1121 /// of the strided accesses, as well as the old information from Uses. We
1122 /// progressively move information from the Base field to the Imm field, until
1123 /// we eventually have the full access expression to rewrite the use.
1124 SCEVHandle LoopStrengthReduce::CollectIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
1125                                               IVUsersOfOneStride &Uses,
1126                                               Loop *L,
1127                                               bool &AllUsesAreAddresses,
1128                                               bool &AllUsesAreOutsideLoop,
1129                                        std::vector<BasedUser> &UsersToProcess) {
1130   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
1131   if (!Stride->isLoopInvariant(L))
1132     return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1133
1134   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
1135   for (ilist<IVStrideUse>::iterator I = Uses.Users.begin(),
1136        E = Uses.Users.end(); I != E; ++I) {
1137     UsersToProcess.push_back(BasedUser(*I, SE));
1138
1139     // Move any loop variant operands from the offset field to the immediate
1140     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1141     // computed.
1142     MoveLoopVariantsToImmediateField(UsersToProcess.back().Base,
1143                                      UsersToProcess.back().Imm, L, SE);
1144     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1145            "Base value is not loop invariant!");
1146   }
1147
1148   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1149   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1150   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1151   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1152   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1153   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1154   // UsersToProcess base values.
1155   SCEVHandle CommonExprs =
1156     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess, SE, L, TLI);
1157
1158   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1159   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1160   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1161   // of the remaining uses.
1162   unsigned NumPHI = 0;
1163   bool HasAddress = false;
1164   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1165     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1166     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1167     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1168     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1169       UsersToProcess[i].Imm = SE->getAddExpr(UsersToProcess[i].Imm,
1170                                              UsersToProcess[i].Base);
1171       UsersToProcess[i].Base = 
1172         SE->getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1173     } else {
1174       // Not all uses are outside the loop.
1175       AllUsesAreOutsideLoop = false; 
1176
1177       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1178       // the store is through the expression, not of the expression though.
1179       bool isPHI = false;
1180       bool isAddress = isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
1181                                     UsersToProcess[i].OperandValToReplace);
1182       if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1183         isPHI = true;
1184         ++NumPHI;
1185       }
1186
1187       if (isAddress)
1188         HasAddress = true;
1189      
1190       // If this use isn't an address, then not all uses are addresses.
1191       if (!isAddress && !isPHI)
1192         AllUsesAreAddresses = false;
1193       
1194       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1195                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L, SE);
1196     }
1197   }
1198
1199   // If one of the use is a PHI node and all other uses are addresses, still
1200   // allow iv reuse. Essentially we are trading one constant multiplication
1201   // for one fewer iv.
1202   if (NumPHI > 1)
1203     AllUsesAreAddresses = false;
1204     
1205   // There are no in-loop address uses.
1206   if (AllUsesAreAddresses && (!HasAddress && !AllUsesAreOutsideLoop))
1207     AllUsesAreAddresses = false;
1208
1209   return CommonExprs;
1210 }
1211
1212 /// ShouldUseFullStrengthReductionMode - Test whether full strength-reduction
1213 /// is valid and profitable for the given set of users of a stride. In
1214 /// full strength-reduction mode, all addresses at the current stride are
1215 /// strength-reduced all the way down to pointer arithmetic.
1216 ///
1217 bool LoopStrengthReduce::ShouldUseFullStrengthReductionMode(
1218                                    const std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1219                                    const Loop *L,
1220                                    bool AllUsesAreAddresses,
1221                                    SCEVHandle Stride) {
1222   if (!EnableFullLSRMode)
1223     return false;
1224
1225   // The heuristics below aim to avoid increasing register pressure, but
1226   // fully strength-reducing all the addresses increases the number of
1227   // add instructions, so don't do this when optimizing for size.
1228   // TODO: If the loop is large, the savings due to simpler addresses
1229   // may oughtweight the costs of the extra increment instructions.
1230   if (L->getHeader()->getParent()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
1231     return false;
1232
1233   // TODO: For now, don't do full strength reduction if there could
1234   // potentially be greater-stride multiples of the current stride
1235   // which could reuse the current stride IV.
1236   if (IU->StrideOrder.back() != Stride)
1237     return false;
1238
1239   // Iterate through the uses to find conditions that automatically rule out
1240   // full-lsr mode.
1241   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ) {
1242     const SCEV *Base = UsersToProcess[i].Base;
1243     const SCEV *Imm = UsersToProcess[i].Imm;
1244     // If any users have a loop-variant component, they can't be fully
1245     // strength-reduced.
1246     if (Imm && !Imm->isLoopInvariant(L))
1247       return false;
1248     // If there are to users with the same base and the difference between
1249     // the two Imm values can't be folded into the address, full
1250     // strength reduction would increase register pressure.
1251     do {
1252       const SCEV *CurImm = UsersToProcess[i].Imm;
1253       if ((CurImm || Imm) && CurImm != Imm) {
1254         if (!CurImm) CurImm = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1255         if (!Imm)       Imm = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1256         const Instruction *Inst = UsersToProcess[i].Inst;
1257         const Type *AccessTy = getAccessType(Inst);
1258         SCEVHandle Diff = SE->getMinusSCEV(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1259         if (!Diff->isZero() &&
1260             (!AllUsesAreAddresses ||
1261              !fitsInAddressMode(Diff, AccessTy, TLI, /*HasBaseReg=*/true)))
1262           return false;
1263       }
1264     } while (++i != e && Base == UsersToProcess[i].Base);
1265   }
1266
1267   // If there's exactly one user in this stride, fully strength-reducing it
1268   // won't increase register pressure. If it's starting from a non-zero base,
1269   // it'll be simpler this way.
1270   if (UsersToProcess.size() == 1 && !UsersToProcess[0].Base->isZero())
1271     return true;
1272
1273   // Otherwise, if there are any users in this stride that don't require
1274   // a register for their base, full strength-reduction will increase
1275   // register pressure.
1276   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1277     if (UsersToProcess[i].Base->isZero())
1278       return false;
1279
1280   // Otherwise, go for it.
1281   return true;
1282 }
1283
1284 /// InsertAffinePhi Create and insert a PHI node for an induction variable
1285 /// with the specified start and step values in the specified loop.
1286 ///
1287 /// If NegateStride is true, the stride should be negated by using a
1288 /// subtract instead of an add.
1289 ///
1290 /// Return the created phi node.
1291 ///
1292 static PHINode *InsertAffinePhi(SCEVHandle Start, SCEVHandle Step,
1293                                 Instruction *IVIncInsertPt,
1294                                 const Loop *L,
1295                                 SCEVExpander &Rewriter) {
1296   assert(Start->isLoopInvariant(L) && "New PHI start is not loop invariant!");
1297   assert(Step->isLoopInvariant(L) && "New PHI stride is not loop invariant!");
1298
1299   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1300   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1301   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1302   const Type *Ty = Start->getType();
1303   Ty = Rewriter.SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1304
1305   PHINode *PN = PHINode::Create(Ty, "lsr.iv", Header->begin());
1306   PN->addIncoming(Rewriter.expandCodeFor(Start, Ty, Preheader->getTerminator()),
1307                   Preheader);
1308
1309   // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the
1310   // increment.
1311   bool isNegative = isNonConstantNegative(Step);
1312   SCEVHandle IncAmount = Step;
1313   if (isNegative)
1314     IncAmount = Rewriter.SE.getNegativeSCEV(Step);
1315
1316   // Insert an add instruction right before the terminator corresponding
1317   // to the back-edge or just before the only use. The location is determined
1318   // by the caller and passed in as IVIncInsertPt.
1319   Value *StepV = Rewriter.expandCodeFor(IncAmount, Ty,
1320                                         Preheader->getTerminator());
1321   Instruction *IncV;
1322   if (isNegative) {
1323     IncV = BinaryOperator::CreateSub(PN, StepV, "lsr.iv.next",
1324                                      IVIncInsertPt);
1325   } else {
1326     IncV = BinaryOperator::CreateAdd(PN, StepV, "lsr.iv.next",
1327                                      IVIncInsertPt);
1328   }
1329   if (!isa<ConstantInt>(StepV)) ++NumVariable;
1330
1331   PN->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1332
1333   ++NumInserted;
1334   return PN;
1335 }
1336
1337 static void SortUsersToProcess(std::vector<BasedUser> &UsersToProcess) {
1338   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1339   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1340   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1341   // vector (so we handle them first).
1342   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1343                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1344
1345   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1346   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1347   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1348   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1349   //
1350   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1351   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1352   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1353   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1354   // ==.
1355   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1356     // Get a base value.
1357     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1358
1359     // Compact everything with this base to be consecutive with this one.
1360     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1361       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1362         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1363         ++i;
1364       }
1365     }
1366   }
1367 }
1368
1369 /// PrepareToStrengthReduceFully - Prepare to fully strength-reduce
1370 /// UsersToProcess, meaning lowering addresses all the way down to direct
1371 /// pointer arithmetic.
1372 ///
1373 void
1374 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceFully(
1375                                         std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1376                                         SCEVHandle Stride,
1377                                         SCEVHandle CommonExprs,
1378                                         const Loop *L,
1379                                         SCEVExpander &PreheaderRewriter) {
1380   DOUT << "  Fully reducing all users\n";
1381
1382   // Rewrite the UsersToProcess records, creating a separate PHI for each
1383   // unique Base value.
1384   Instruction *IVIncInsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
1385   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ) {
1386     // TODO: The uses are grouped by base, but not sorted. We arbitrarily
1387     // pick the first Imm value here to start with, and adjust it for the
1388     // other uses.
1389     SCEVHandle Imm = UsersToProcess[i].Imm;
1390     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1391     SCEVHandle Start = SE->getAddExpr(CommonExprs, Base, Imm);
1392     PHINode *Phi = InsertAffinePhi(Start, Stride, IVIncInsertPt, L,
1393                                    PreheaderRewriter);
1394     // Loop over all the users with the same base.
1395     do {
1396       UsersToProcess[i].Base = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1397       UsersToProcess[i].Imm = SE->getMinusSCEV(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1398       UsersToProcess[i].Phi = Phi;
1399       assert(UsersToProcess[i].Imm->isLoopInvariant(L) &&
1400              "ShouldUseFullStrengthReductionMode should reject this!");
1401     } while (++i != e && Base == UsersToProcess[i].Base);
1402   }
1403 }
1404
1405 /// FindIVIncInsertPt - Return the location to insert the increment instruction.
1406 /// If the only use if a use of postinc value, (must be the loop termination
1407 /// condition), then insert it just before the use.
1408 static Instruction *FindIVIncInsertPt(std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1409                                       const Loop *L) {
1410   if (UsersToProcess.size() == 1 &&
1411       UsersToProcess[0].isUseOfPostIncrementedValue &&
1412       L->contains(UsersToProcess[0].Inst->getParent()))
1413     return UsersToProcess[0].Inst;
1414   return L->getLoopLatch()->getTerminator();
1415 }
1416
1417 /// PrepareToStrengthReduceWithNewPhi - Insert a new induction variable for the
1418 /// given users to share.
1419 ///
1420 void
1421 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(
1422                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1423                                          SCEVHandle Stride,
1424                                          SCEVHandle CommonExprs,
1425                                          Value *CommonBaseV,
1426                                          Instruction *IVIncInsertPt,
1427                                          const Loop *L,
1428                                          SCEVExpander &PreheaderRewriter) {
1429   DOUT << "  Inserting new PHI:\n";
1430
1431   PHINode *Phi = InsertAffinePhi(SE->getUnknown(CommonBaseV),
1432                                  Stride, IVIncInsertPt, L,
1433                                  PreheaderRewriter);
1434
1435   // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1436   IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, Phi);
1437
1438   // All the users will share this new IV.
1439   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1440     UsersToProcess[i].Phi = Phi;
1441
1442   DOUT << "    IV=";
1443   DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, Phi, /*PrintType=*/false));
1444   DOUT << "\n";
1445 }
1446
1447 /// PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride - Prepare for the given users to
1448 /// reuse an induction variable with a stride that is a factor of the current
1449 /// induction variable.
1450 ///
1451 void
1452 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(
1453                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1454                                          Value *CommonBaseV,
1455                                          const IVExpr &ReuseIV,
1456                                          Instruction *PreInsertPt) {
1457   DOUT << "  Rewriting in terms of existing IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1458        << " and BASE " << *ReuseIV.Base << "\n";
1459
1460   // All the users will share the reused IV.
1461   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1462     UsersToProcess[i].Phi = ReuseIV.PHI;
1463
1464   Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1465   if (C &&
1466       (!C->isNullValue() &&
1467        !fitsInAddressMode(SE->getUnknown(CommonBaseV), CommonBaseV->getType(),
1468                          TLI, false)))
1469     // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1470     // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1471     CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(),
1472                                   "commonbase", PreInsertPt);
1473 }
1474
1475 static bool IsImmFoldedIntoAddrMode(GlobalValue *GV, int64_t Offset,
1476                                     const Type *AccessTy,
1477                                    std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1478                                    const TargetLowering *TLI) {
1479   SmallVector<Instruction*, 16> AddrModeInsts;
1480   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1481     if (UsersToProcess[i].isUseOfPostIncrementedValue)
1482       continue;
1483     ExtAddrMode AddrMode =
1484       AddressingModeMatcher::Match(UsersToProcess[i].OperandValToReplace,
1485                                    AccessTy, UsersToProcess[i].Inst,
1486                                    AddrModeInsts, *TLI);
1487     if (GV && GV != AddrMode.BaseGV)
1488       return false;
1489     if (Offset && !AddrMode.BaseOffs)
1490       // FIXME: How to accurate check it's immediate offset is folded.
1491       return false;
1492     AddrModeInsts.clear();
1493   }
1494   return true;
1495 }
1496
1497 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
1498 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
1499 /// may not be the only stride.
1500 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
1501                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
1502                                                       Loop *L) {
1503   // If all the users are moved to another stride, then there is nothing to do.
1504   if (Uses.Users.empty())
1505     return;
1506
1507   // Keep track if every use in UsersToProcess is an address. If they all are,
1508   // we may be able to rewrite the entire collection of them in terms of a
1509   // smaller-stride IV.
1510   bool AllUsesAreAddresses = true;
1511
1512   // Keep track if every use of a single stride is outside the loop.  If so,
1513   // we want to be more aggressive about reusing a smaller-stride IV; a
1514   // multiply outside the loop is better than another IV inside.  Well, usually.
1515   bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
1516
1517   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
1518   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
1519   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
1520   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
1521   // have the full access expression to rewrite the use.
1522   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1523   SCEVHandle CommonExprs = CollectIVUsers(Stride, Uses, L, AllUsesAreAddresses,
1524                                           AllUsesAreOutsideLoop,
1525                                           UsersToProcess);
1526
1527   // Sort the UsersToProcess array so that users with common bases are
1528   // next to each other.
1529   SortUsersToProcess(UsersToProcess);
1530
1531   // If we managed to find some expressions in common, we'll need to carry
1532   // their value in a register and add it in for each use. This will take up
1533   // a register operand, which potentially restricts what stride values are
1534   // valid.
1535   bool HaveCommonExprs = !CommonExprs->isZero();
1536   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1537
1538   // If all uses are addresses, consider sinking the immediate part of the
1539   // common expression back into uses if they can fit in the immediate fields.
1540   if (TLI && HaveCommonExprs && AllUsesAreAddresses) {
1541     SCEVHandle NewCommon = CommonExprs;
1542     SCEVHandle Imm = SE->getIntegerSCEV(0, ReplacedTy);
1543     MoveImmediateValues(TLI, Type::VoidTy, NewCommon, Imm, true, L, SE);
1544     if (!Imm->isZero()) {
1545       bool DoSink = true;
1546
1547       // If the immediate part of the common expression is a GV, check if it's
1548       // possible to fold it into the target addressing mode.
1549       GlobalValue *GV = 0;
1550       if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(Imm))
1551         GV = dyn_cast<GlobalValue>(SU->getValue());
1552       int64_t Offset = 0;
1553       if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
1554         Offset = SC->getValue()->getSExtValue();
1555       if (GV || Offset)
1556         // Pass VoidTy as the AccessTy to be conservative, because
1557         // there could be multiple access types among all the uses.
1558         DoSink = IsImmFoldedIntoAddrMode(GV, Offset, Type::VoidTy,
1559                                          UsersToProcess, TLI);
1560
1561       if (DoSink) {
1562         DOUT << "  Sinking " << *Imm << " back down into uses\n";
1563         for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1564           UsersToProcess[i].Imm = SE->getAddExpr(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1565         CommonExprs = NewCommon;
1566         HaveCommonExprs = !CommonExprs->isZero();
1567         ++NumImmSunk;
1568       }
1569     }
1570   }
1571
1572   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1573   //
1574   DOUT << "LSR: Examining IVs of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1575        << *Stride << ":\n"
1576        << "  Common base: " << *CommonExprs << "\n";
1577
1578   SCEVExpander Rewriter(*SE);
1579   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE);
1580
1581   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1582   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1583   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1584   Instruction *IVIncInsertPt = LatchBlock->getTerminator();
1585
1586   Value *CommonBaseV = Constant::getNullValue(ReplacedTy);
1587
1588   SCEVHandle RewriteFactor = SE->getIntegerSCEV(0, ReplacedTy);
1589   IVExpr   ReuseIV(SE->getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty),
1590                    SE->getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty),
1591                    0);
1592
1593   /// Choose a strength-reduction strategy and prepare for it by creating
1594   /// the necessary PHIs and adjusting the bookkeeping.
1595   if (ShouldUseFullStrengthReductionMode(UsersToProcess, L,
1596                                          AllUsesAreAddresses, Stride)) {
1597     PrepareToStrengthReduceFully(UsersToProcess, Stride, CommonExprs, L,
1598                                  PreheaderRewriter);
1599   } else {
1600     // Emit the initial base value into the loop preheader.
1601     CommonBaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, ReplacedTy,
1602                                                   PreInsertPt);
1603
1604     // If all uses are addresses, check if it is possible to reuse an IV.  The
1605     // new IV must have a stride that is a multiple of the old stride; the
1606     // multiple must be a number that can be encoded in the scale field of the
1607     // target addressing mode; and we must have a valid instruction after this 
1608     // substitution, including the immediate field, if any.
1609     RewriteFactor = CheckForIVReuse(HaveCommonExprs, AllUsesAreAddresses,
1610                                     AllUsesAreOutsideLoop,
1611                                     Stride, ReuseIV, ReplacedTy,
1612                                     UsersToProcess);
1613     if (!RewriteFactor->isZero())
1614       PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(UsersToProcess, CommonBaseV,
1615                                                ReuseIV, PreInsertPt);
1616     else {
1617       IVIncInsertPt = FindIVIncInsertPt(UsersToProcess, L);
1618       PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(UsersToProcess, Stride, CommonExprs,
1619                                         CommonBaseV, IVIncInsertPt,
1620                                         L, PreheaderRewriter);
1621     }
1622   }
1623
1624   // Process all the users now, replacing their strided uses with
1625   // strength-reduced forms.  This outer loop handles all bases, the inner
1626   // loop handles all users of a particular base.
1627   while (!UsersToProcess.empty()) {
1628     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1629     Instruction *Inst = UsersToProcess.back().Inst;
1630
1631     // Emit the code for Base into the preheader.
1632     Value *BaseV = 0;
1633     if (!Base->isZero()) {
1634       BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, 0, PreInsertPt);
1635
1636       DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":";
1637       if (BaseV->hasName())
1638         DOUT << " Result value name = %" << BaseV->getNameStr();
1639       DOUT << "\n";
1640
1641       // If BaseV is a non-zero constant, make sure that it gets inserted into
1642       // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We
1643       // do this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the
1644       // preheader in this case.
1645       if (!fitsInAddressMode(Base, getAccessType(Inst), TLI, false)) {
1646         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1647         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1648         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1649                                 PreInsertPt);       
1650       }
1651     }
1652
1653     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1654     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1655     do {
1656       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1657       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1658
1659       DOUT << "    Examining ";
1660       if (User.isUseOfPostIncrementedValue)
1661         DOUT << "postinc";
1662       else
1663         DOUT << "preinc";
1664       DOUT << " use ";
1665       DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, UsersToProcess.back().OperandValToReplace,
1666                            /*PrintType=*/false));
1667       DOUT << " in Inst: " << *(User.Inst);
1668
1669       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1670       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1671       Value *RewriteOp = User.Phi;
1672       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1673         RewriteOp = User.Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
1674         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1675         // loop to ensure it is dominated by the increment. In case it's the
1676         // only use of the iv, the increment instruction is already before the
1677         // use.
1678         if (L->contains(User.Inst->getParent()) && User.Inst != IVIncInsertPt)
1679           User.Inst->moveBefore(IVIncInsertPt);
1680       }
1681
1682       SCEVHandle RewriteExpr = SE->getUnknown(RewriteOp);
1683
1684       if (SE->getEffectiveSCEVType(RewriteOp->getType()) !=
1685           SE->getEffectiveSCEVType(ReplacedTy)) {
1686         assert(SE->getTypeSizeInBits(RewriteOp->getType()) >
1687                SE->getTypeSizeInBits(ReplacedTy) &&
1688                "Unexpected widening cast!");
1689         RewriteExpr = SE->getTruncateExpr(RewriteExpr, ReplacedTy);
1690       }
1691
1692       // If we had to insert new instructions for RewriteOp, we have to
1693       // consider that they may not have been able to end up immediately
1694       // next to RewriteOp, because non-PHI instructions may never precede
1695       // PHI instructions in a block. In this case, remember where the last
1696       // instruction was inserted so that if we're replacing a different
1697       // PHI node, we can use the later point to expand the final
1698       // RewriteExpr.
1699       Instruction *NewBasePt = dyn_cast<Instruction>(RewriteOp);
1700       if (RewriteOp == User.Phi) NewBasePt = 0;
1701
1702       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1703       // to have the code emitted where we expect it.
1704       Rewriter.clear();
1705
1706       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1707       // factor to take advantage of the addressing mode scale component.
1708       if (!RewriteFactor->isZero()) {
1709         // If we're reusing an IV with a nonzero base (currently this happens
1710         // only when all reuses are outside the loop) subtract that base here.
1711         // The base has been used to initialize the PHI node but we don't want
1712         // it here.
1713         if (!ReuseIV.Base->isZero()) {
1714           SCEVHandle typedBase = ReuseIV.Base;
1715           if (SE->getEffectiveSCEVType(RewriteExpr->getType()) !=
1716               SE->getEffectiveSCEVType(ReuseIV.Base->getType())) {
1717             // It's possible the original IV is a larger type than the new IV,
1718             // in which case we have to truncate the Base.  We checked in
1719             // RequiresTypeConversion that this is valid.
1720             assert(SE->getTypeSizeInBits(RewriteExpr->getType()) <
1721                    SE->getTypeSizeInBits(ReuseIV.Base->getType()) &&
1722                    "Unexpected lengthening conversion!");
1723             typedBase = SE->getTruncateExpr(ReuseIV.Base, 
1724                                             RewriteExpr->getType());
1725           }
1726           RewriteExpr = SE->getMinusSCEV(RewriteExpr, typedBase);
1727         }
1728
1729         // Multiply old variable, with base removed, by new scale factor.
1730         RewriteExpr = SE->getMulExpr(RewriteFactor,
1731                                      RewriteExpr);
1732
1733         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1734         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1735         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1736         // When this use is outside the loop, we earlier subtracted the
1737         // common base, and are adding it back here.  Use the same expression
1738         // as before, rather than CommonBaseV, so DAGCombiner will zap it.
1739         if (!CommonExprs->isZero()) {
1740           if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1741             RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr,
1742                                        SE->getUnknown(CommonBaseV));
1743           else
1744             RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr, CommonExprs);
1745         }
1746       }
1747
1748       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1749       // immediate and any loop-variant expressions.
1750       if (BaseV)
1751         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1752         RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr, SE->getUnknown(BaseV));
1753
1754       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, NewBasePt,
1755                                           Rewriter, L, this, *LI,
1756                                           DeadInsts);
1757
1758       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is eliminated
1759       // if we just replaced the last use of that value.
1760       DeadInsts.push_back(User.OperandValToReplace);
1761
1762       UsersToProcess.pop_back();
1763       ++NumReduced;
1764
1765       // If there are any more users to process with the same base, process them
1766       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1767     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1768     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1769   }
1770
1771   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1772   // different starting values, into different PHIs.
1773 }
1774
1775 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1776 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1777 /// false.
1778 bool LoopStrengthReduce::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1779                                        const SCEVHandle *&CondStride) {
1780   for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1781        Stride != e && !CondUse; ++Stride) {
1782     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
1783       IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
1784     assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1785
1786     for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
1787          E = SI->second->Users.end(); UI != E; ++UI)
1788       if (UI->getUser() == Cond) {
1789         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1790         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1791         // occurs enough in real life to handle.
1792         CondUse = UI;
1793         CondStride = &SI->first;
1794         return true;
1795       }
1796   }
1797   return false;
1798 }    
1799
1800 namespace {
1801   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1802   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1803   // e.g.
1804   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1805   struct StrideCompare {
1806     const ScalarEvolution *SE;
1807     explicit StrideCompare(const ScalarEvolution *se) : SE(se) {}
1808
1809     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1810       const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1811       const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1812       if (LHSC && RHSC) {
1813         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1814         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1815         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1816         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1817         if (ALV == ARV) {
1818           if (LV != RV)
1819             return LV > RV;
1820         } else {
1821           return ALV < ARV;
1822         }
1823
1824         // If it's the same value but different type, sort by bit width so
1825         // that we emit larger induction variables before smaller
1826         // ones, letting the smaller be re-written in terms of larger ones.
1827         return SE->getTypeSizeInBits(RHS->getType()) <
1828                SE->getTypeSizeInBits(LHS->getType());
1829       }
1830       return LHSC && !RHSC;
1831     }
1832   };
1833 }
1834
1835 /// ChangeCompareStride - If a loop termination compare instruction is the
1836 /// only use of its stride, and the compaison is against a constant value,
1837 /// try eliminate the stride by moving the compare instruction to another
1838 /// stride and change its constant operand accordingly. e.g.
1839 ///
1840 /// loop:
1841 /// ...
1842 /// v1 = v1 + 3
1843 /// v2 = v2 + 1
1844 /// if (v2 < 10) goto loop
1845 /// =>
1846 /// loop:
1847 /// ...
1848 /// v1 = v1 + 3
1849 /// if (v1 < 30) goto loop
1850 ICmpInst *LoopStrengthReduce::ChangeCompareStride(Loop *L, ICmpInst *Cond,
1851                                                 IVStrideUse* &CondUse,
1852                                                 const SCEVHandle* &CondStride) {
1853   // If there's only one stride in the loop, there's nothing to do here.
1854   if (IU->StrideOrder.size() < 2)
1855     return Cond;
1856   // If there are other users of the condition's stride, don't bother
1857   // trying to change the condition because the stride will still
1858   // remain.
1859   std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator I =
1860     IU->IVUsesByStride.find(*CondStride);
1861   if (I == IU->IVUsesByStride.end() ||
1862       I->second->Users.size() != 1)
1863     return Cond;
1864   // Only handle constant strides for now.
1865   const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*CondStride);
1866   if (!SC) return Cond;
1867
1868   ICmpInst::Predicate Predicate = Cond->getPredicate();
1869   int64_t CmpSSInt = SC->getValue()->getSExtValue();
1870   unsigned BitWidth = SE->getTypeSizeInBits((*CondStride)->getType());
1871   uint64_t SignBit = 1ULL << (BitWidth-1);
1872   const Type *CmpTy = Cond->getOperand(0)->getType();
1873   const Type *NewCmpTy = NULL;
1874   unsigned TyBits = SE->getTypeSizeInBits(CmpTy);
1875   unsigned NewTyBits = 0;
1876   SCEVHandle *NewStride = NULL;
1877   Value *NewCmpLHS = NULL;
1878   Value *NewCmpRHS = NULL;
1879   int64_t Scale = 1;
1880   SCEVHandle NewOffset = SE->getIntegerSCEV(0, CmpTy);
1881
1882   if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1))) {
1883     int64_t CmpVal = C->getValue().getSExtValue();
1884
1885     // Check stride constant and the comparision constant signs to detect
1886     // overflow.
1887     if ((CmpVal & SignBit) != (CmpSSInt & SignBit))
1888       return Cond;
1889
1890     // Look for a suitable stride / iv as replacement.
1891     for (unsigned i = 0, e = IU->StrideOrder.size(); i != e; ++i) {
1892       std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
1893         IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[i]);
1894       if (!isa<SCEVConstant>(SI->first))
1895         continue;
1896       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1897       if (SSInt == CmpSSInt ||
1898           abs64(SSInt) < abs64(CmpSSInt) ||
1899           (SSInt % CmpSSInt) != 0)
1900         continue;
1901
1902       Scale = SSInt / CmpSSInt;
1903       int64_t NewCmpVal = CmpVal * Scale;
1904       APInt Mul = APInt(BitWidth*2, CmpVal, true);
1905       Mul = Mul * APInt(BitWidth*2, Scale, true);
1906       // Check for overflow.
1907       if (!Mul.isSignedIntN(BitWidth))
1908         continue;
1909       // Check for overflow in the stride's type too.
1910       if (!Mul.isSignedIntN(SE->getTypeSizeInBits(SI->first->getType())))
1911         continue;
1912
1913       // Watch out for overflow.
1914       if (ICmpInst::isSignedPredicate(Predicate) &&
1915           (CmpVal & SignBit) != (NewCmpVal & SignBit))
1916         continue;
1917
1918       if (NewCmpVal == CmpVal)
1919         continue;
1920       // Pick the best iv to use trying to avoid a cast.
1921       NewCmpLHS = NULL;
1922       for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
1923              E = SI->second->Users.end(); UI != E; ++UI) {
1924         Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
1925
1926         // If the IVStrideUse implies a cast, check for an actual cast which
1927         // can be used to find the original IV expression.
1928         if (SE->getEffectiveSCEVType(Op->getType()) !=
1929             SE->getEffectiveSCEVType(SI->first->getType())) {
1930           CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Op);
1931           // If it's not a simple cast, it's complicated.
1932           if (!CI)
1933             continue;
1934           // If it's a cast from a type other than the stride type,
1935           // it's complicated.
1936           if (CI->getOperand(0)->getType() != SI->first->getType())
1937             continue;
1938           // Ok, we found the IV expression in the stride's type.
1939           Op = CI->getOperand(0);
1940         }
1941
1942         NewCmpLHS = Op;
1943         if (NewCmpLHS->getType() == CmpTy)
1944           break;
1945       }
1946       if (!NewCmpLHS)
1947         continue;
1948
1949       NewCmpTy = NewCmpLHS->getType();
1950       NewTyBits = SE->getTypeSizeInBits(NewCmpTy);
1951       const Type *NewCmpIntTy = IntegerType::get(NewTyBits);
1952       if (RequiresTypeConversion(NewCmpTy, CmpTy)) {
1953         // Check if it is possible to rewrite it using
1954         // an iv / stride of a smaller integer type.
1955         unsigned Bits = NewTyBits;
1956         if (ICmpInst::isSignedPredicate(Predicate))
1957           --Bits;
1958         uint64_t Mask = (1ULL << Bits) - 1;
1959         if (((uint64_t)NewCmpVal & Mask) != (uint64_t)NewCmpVal)
1960           continue;
1961       }
1962
1963       // Don't rewrite if use offset is non-constant and the new type is
1964       // of a different type.
1965       // FIXME: too conservative?
1966       if (NewTyBits != TyBits && !isa<SCEVConstant>(CondUse->getOffset()))
1967         continue;
1968
1969       bool AllUsesAreAddresses = true;
1970       bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
1971       std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1972       SCEVHandle CommonExprs = CollectIVUsers(SI->first, *SI->second, L,
1973                                               AllUsesAreAddresses,
1974                                               AllUsesAreOutsideLoop,
1975                                               UsersToProcess);
1976       // Avoid rewriting the compare instruction with an iv of new stride
1977       // if it's likely the new stride uses will be rewritten using the
1978       // stride of the compare instruction.
1979       if (AllUsesAreAddresses &&
1980           ValidScale(!CommonExprs->isZero(), Scale, UsersToProcess))
1981         continue;
1982
1983       // Avoid rewriting the compare instruction with an iv which has
1984       // implicit extension or truncation built into it.
1985       // TODO: This is over-conservative.
1986       if (SE->getTypeSizeInBits(CondUse->getOffset()->getType()) != TyBits)
1987         continue;
1988
1989       // If scale is negative, use swapped predicate unless it's testing
1990       // for equality.
1991       if (Scale < 0 && !Cond->isEquality())
1992         Predicate = ICmpInst::getSwappedPredicate(Predicate);
1993
1994       NewStride = &IU->StrideOrder[i];
1995       if (!isa<PointerType>(NewCmpTy))
1996         NewCmpRHS = ConstantInt::get(NewCmpTy, NewCmpVal);
1997       else {
1998         Constant *CI = ConstantInt::get(NewCmpIntTy, NewCmpVal);
1999         NewCmpRHS = ConstantExpr::getIntToPtr(CI, NewCmpTy);
2000       }
2001       NewOffset = TyBits == NewTyBits
2002         ? SE->getMulExpr(CondUse->getOffset(),
2003                          SE->getConstant(CmpTy, Scale))
2004         : SE->getConstant(NewCmpIntTy,
2005           cast<SCEVConstant>(CondUse->getOffset())->getValue()
2006             ->getSExtValue()*Scale);
2007       break;
2008     }
2009   }
2010
2011   // Forgo this transformation if it the increment happens to be
2012   // unfortunately positioned after the condition, and the condition
2013   // has multiple uses which prevent it from being moved immediately
2014   // before the branch. See
2015   // test/Transforms/LoopStrengthReduce/change-compare-stride-trickiness-*.ll
2016   // for an example of this situation.
2017   if (!Cond->hasOneUse()) {
2018     for (BasicBlock::iterator I = Cond, E = Cond->getParent()->end();
2019          I != E; ++I)
2020       if (I == NewCmpLHS)
2021         return Cond;
2022   }
2023
2024   if (NewCmpRHS) {
2025     // Create a new compare instruction using new stride / iv.
2026     ICmpInst *OldCond = Cond;
2027     // Insert new compare instruction.
2028     Cond = new ICmpInst(Predicate, NewCmpLHS, NewCmpRHS,
2029                         L->getHeader()->getName() + ".termcond",
2030                         OldCond);
2031
2032     // Remove the old compare instruction. The old indvar is probably dead too.
2033     DeadInsts.push_back(CondUse->getOperandValToReplace());
2034     OldCond->replaceAllUsesWith(Cond);
2035     OldCond->eraseFromParent();
2036
2037     IU->IVUsesByStride[*NewStride]->addUser(NewOffset, Cond, NewCmpLHS);
2038     CondUse = &IU->IVUsesByStride[*NewStride]->Users.back();
2039     CondStride = NewStride;
2040     ++NumEliminated;
2041     Changed = true;
2042   }
2043
2044   return Cond;
2045 }
2046
2047 /// OptimizeSMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
2048 /// an smax computation.
2049 ///
2050 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
2051 /// like this:
2052 ///
2053 ///   i = 0;
2054 ///   do {
2055 ///     p[i] = 0.0;
2056 ///   } while (++i < n);
2057 ///
2058 /// where the comparison is signed, the trip count isn't just 'n', because
2059 /// 'n' could be negative. And unfortunately this can come up even for loops
2060 /// where the user didn't use a C do-while loop. For example, seemingly
2061 /// well-behaved top-test loops will commonly be lowered like this:
2062 //
2063 ///   if (n > 0) {
2064 ///     i = 0;
2065 ///     do {
2066 ///       p[i] = 0.0;
2067 ///     } while (++i < n);
2068 ///   }
2069 ///
2070 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
2071 /// test in such a way that indvars can't find it.
2072 ///
2073 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
2074 /// signed-max expression, which allows it to give the loop a canonical
2075 /// induction variable:
2076 ///
2077 ///   i = 0;
2078 ///   smax = n < 1 ? 1 : n;
2079 ///   do {
2080 ///     p[i] = 0.0;
2081 ///   } while (++i != smax);
2082 ///
2083 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
2084 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
2085 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
2086 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
2087 /// needed, and it does this using a simple analyis that only succeeds if
2088 /// the loop has a canonical induction variable.
2089 ///
2090 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
2091 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
2092 ///
2093 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
2094 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
2095 /// the instructions for the maximum computation.
2096 ///
2097 ICmpInst *LoopStrengthReduce::OptimizeSMax(Loop *L, ICmpInst *Cond,
2098                                            IVStrideUse* &CondUse) {
2099   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
2100   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
2101       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
2102     return Cond;
2103
2104   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
2105   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
2106
2107   SCEVHandle BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2108   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2109     return Cond;
2110   SCEVHandle One = SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
2111
2112   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
2113   SCEVHandle IterationCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount, One);
2114
2115   // Check for a max calculation that matches the pattern.
2116   const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount);
2117   if (!SMax || SMax != SE->getSCEV(Sel)) return Cond;
2118
2119   SCEVHandle SMaxLHS = SMax->getOperand(0);
2120   SCEVHandle SMaxRHS = SMax->getOperand(1);
2121   if (!SMaxLHS || SMaxLHS != One) return Cond;
2122
2123   // Check the relevant induction variable for conformance to
2124   // the pattern.
2125   SCEVHandle IV = SE->getSCEV(Cond->getOperand(0));
2126   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2127   if (!AR || !AR->isAffine() ||
2128       AR->getStart() != One ||
2129       AR->getStepRecurrence(*SE) != One)
2130     return Cond;
2131
2132   assert(AR->getLoop() == L &&
2133          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
2134
2135   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
2136   // be used in the new comparison instruction.
2137   Value *NewRHS = 0;
2138   if (SE->getSCEV(Sel->getOperand(1)) == SMaxRHS)
2139     NewRHS = Sel->getOperand(1);
2140   else if (SE->getSCEV(Sel->getOperand(2)) == SMaxRHS)
2141     NewRHS = Sel->getOperand(2);
2142   if (!NewRHS) return Cond;
2143
2144   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
2145   // delete the max calculation.
2146   ICmpInst *NewCond =
2147     new ICmpInst(Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_NE ?
2148                    CmpInst::ICMP_SLT :
2149                    CmpInst::ICMP_SGE,
2150                  Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp", Cond);
2151
2152   // Delete the max calculation instructions.
2153   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
2154   CondUse->setUser(NewCond);
2155   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
2156   Cond->eraseFromParent();
2157   Sel->eraseFromParent();
2158   if (Cmp->use_empty())
2159     Cmp->eraseFromParent();
2160   return NewCond;
2161 }
2162
2163 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
2164 /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
2165 void LoopStrengthReduce::OptimizeShadowIV(Loop *L) {
2166
2167   SCEVHandle BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2168   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2169     return;
2170
2171   for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size(); Stride != e;
2172        ++Stride) {
2173     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2174       IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
2175     assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
2176     if (!isa<SCEVConstant>(SI->first))
2177       continue;
2178
2179     for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
2180            E = SI->second->Users.end(); UI != E; /* empty */) {
2181       ilist<IVStrideUse>::iterator CandidateUI = UI;
2182       ++UI;
2183       Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
2184       const Type *DestTy = NULL;
2185
2186       /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
2187          to eliminate this cast.
2188
2189            for (unsigned i = 0; i < n; ++i) 
2190              foo((double)i);
2191
2192          is transformed into
2193
2194            double d = 0.0;
2195            for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d) 
2196              foo(d);
2197       */
2198       if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
2199         DestTy = UCast->getDestTy();
2200       else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
2201         DestTy = SCast->getDestTy();
2202       if (!DestTy) continue;
2203
2204       if (TLI) {
2205         // If target does not support DestTy natively then do not apply
2206         // this transformation.
2207         MVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
2208         if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
2209       }
2210
2211       PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
2212       if (!PH) continue;
2213       if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
2214
2215       const Type *SrcTy = PH->getType();
2216       int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
2217       if (Mantissa == -1) continue; 
2218       if ((int)SE->getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
2219         continue;
2220
2221       unsigned Entry, Latch;
2222       if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
2223         Entry = 0;
2224         Latch = 1;
2225       } else {
2226         Entry = 1;
2227         Latch = 0;
2228       }
2229         
2230       ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
2231       if (!Init) continue;
2232       Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, Init->getZExtValue());
2233
2234       BinaryOperator *Incr = 
2235         dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
2236       if (!Incr) continue;
2237       if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
2238           && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
2239         continue;
2240
2241       /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
2242       ConstantInt *C = NULL;
2243       if (Incr->getOperand(0) == PH)
2244         C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
2245       else if (Incr->getOperand(1) == PH)
2246         C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
2247       else
2248         continue;
2249
2250       if (!C) continue;
2251
2252       /* Add new PHINode. */
2253       PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, "IV.S.", PH);
2254
2255       /* create new increment. '++d' in above example. */
2256       Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
2257       BinaryOperator *NewIncr = 
2258         BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
2259                                  Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
2260                                NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
2261
2262       NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
2263       NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
2264
2265       /* Remove cast operation */
2266       ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
2267       ShadowUse->eraseFromParent();
2268       NumShadow++;
2269       break;
2270     }
2271   }
2272 }
2273
2274 /// OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
2275 /// uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
2276 /// common indvars for the different uses.
2277 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
2278   // TODO: implement optzns here.
2279
2280   OptimizeShadowIV(L);
2281 }
2282
2283 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the 
2284 /// postinc iv when possible.
2285 void LoopStrengthReduce::OptimizeLoopTermCond(Loop *L) {
2286   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
2287   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
2288   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
2289   // one register value.
2290   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
2291   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitingBlock();
2292   if (!ExitBlock)
2293     // Multiple exits, just look at the exit in the latch block if there is one.
2294     ExitBlock = LatchBlock;
2295   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitBlock->getTerminator());
2296   if (!TermBr)
2297     return;
2298   if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2299     return;
2300
2301   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
2302   IVStrideUse *CondUse = 0;
2303   const SCEVHandle *CondStride = 0;
2304   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2305   if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse, CondStride))
2306     return; // setcc doesn't use the IV.
2307
2308   if (ExitBlock != LatchBlock) {
2309     if (!Cond->hasOneUse())
2310       // See below, we don't want the condition to be cloned.
2311       return;
2312
2313     // If exiting block is the latch block, we know it's safe and profitable to
2314     // transform the icmp to use post-inc iv. Otherwise do so only if it would
2315     // not reuse another iv and its iv would be reused by other uses. We are
2316     // optimizing for the case where the icmp is the only use of the iv.
2317     IVUsersOfOneStride &StrideUses = *IU->IVUsesByStride[*CondStride];
2318     for (ilist<IVStrideUse>::iterator I = StrideUses.Users.begin(),
2319          E = StrideUses.Users.end(); I != E; ++I) {
2320       if (I->getUser() == Cond)
2321         continue;
2322       if (!I->isUseOfPostIncrementedValue())
2323         return;
2324     }
2325
2326     // FIXME: This is expensive, and worse still ChangeCompareStride does a
2327     // similar check. Can we perform all the icmp related transformations after
2328     // StrengthReduceStridedIVUsers?
2329     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*CondStride)) {
2330       int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
2331       for (unsigned NewStride = 0, ee = IU->StrideOrder.size(); NewStride != ee;
2332            ++NewStride) {
2333         std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2334           IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
2335         if (!isa<SCEVConstant>(SI->first) || SI->first == *CondStride)
2336           continue;
2337         int64_t SSInt =
2338           cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
2339         if (SSInt == SInt)
2340           return; // This can definitely be reused.
2341         if (unsigned(abs64(SSInt)) < SInt || (SSInt % SInt) != 0)
2342           continue;
2343         int64_t Scale = SSInt / SInt;
2344         bool AllUsesAreAddresses = true;
2345         bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
2346         std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
2347         SCEVHandle CommonExprs = CollectIVUsers(SI->first, *SI->second, L,
2348                                                 AllUsesAreAddresses,
2349                                                 AllUsesAreOutsideLoop,
2350                                                 UsersToProcess);
2351         // Avoid rewriting the compare instruction with an iv of new stride
2352         // if it's likely the new stride uses will be rewritten using the
2353         // stride of the compare instruction.
2354         if (AllUsesAreAddresses &&
2355             ValidScale(!CommonExprs->isZero(), Scale, UsersToProcess))
2356           return;
2357       }
2358     }
2359
2360     StrideNoReuse.insert(*CondStride);
2361   }
2362
2363   // If the trip count is computed in terms of an smax (due to ScalarEvolution
2364   // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
2365   // comparison to use SLT instead of NE.
2366   Cond = OptimizeSMax(L, Cond, CondUse);
2367
2368   // If possible, change stride and operands of the compare instruction to
2369   // eliminate one stride.
2370   if (ExitBlock == LatchBlock)
2371     Cond = ChangeCompareStride(L, Cond, CondUse, CondStride);
2372
2373   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2374   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2375   // the latch block branch, move it.
2376   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
2377     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
2378       Cond->moveBefore(TermBr);
2379     } else {
2380       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
2381       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2382       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2383       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
2384       
2385       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2386       IU->IVUsesByStride[*CondStride]->addUser(CondUse->getOffset(), Cond,
2387                                              CondUse->getOperandValToReplace());
2388       CondUse = &IU->IVUsesByStride[*CondStride]->Users.back();
2389     }
2390   }
2391
2392   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2393   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2394   // live ranges for the IV correctly.
2395   CondUse->setOffset(SE->getMinusSCEV(CondUse->getOffset(), *CondStride));
2396   CondUse->setIsUseOfPostIncrementedValue(true);
2397   Changed = true;
2398
2399   ++NumLoopCond;
2400 }
2401
2402 /// OptimizeLoopCountIV - If, after all sharing of IVs, the IV used for deciding
2403 /// when to exit the loop is used only for that purpose, try to rearrange things
2404 /// so it counts down to a test against zero.
2405 void LoopStrengthReduce::OptimizeLoopCountIV(Loop *L) {
2406
2407   // If the number of times the loop is executed isn't computable, give up.
2408   SCEVHandle BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2409   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2410     return;
2411
2412   // Get the terminating condition for the loop if possible (this isn't
2413   // necessarily in the latch, or a block that's a predecessor of the header).
2414   if (!L->getExitBlock())
2415     return; // More than one loop exit blocks.
2416
2417   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
2418   // loop to be exited.
2419   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock();
2420   if (!ExitingBlock)
2421     return; // More than one block exiting!
2422
2423   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
2424   // exit.
2425   //
2426   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
2427   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2428   if (TermBr == 0) return;
2429   assert(TermBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
2430   if (!isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2431     return;
2432   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2433
2434   // Handle only tests for equality for the moment, and only stride 1.
2435   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ)
2436     return;
2437   SCEVHandle IV = SE->getSCEV(Cond->getOperand(0));
2438   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2439   SCEVHandle One = SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
2440   if (!AR || !AR->isAffine() || AR->getStepRecurrence(*SE) != One)
2441     return;
2442   // If the RHS of the comparison is defined inside the loop, the rewrite
2443   // cannot be done.
2444   if (Instruction *CR = dyn_cast<Instruction>(Cond->getOperand(1)))
2445     if (L->contains(CR->getParent()))
2446       return;
2447
2448   // Make sure the IV is only used for counting.  Value may be preinc or
2449   // postinc; 2 uses in either case.
2450   if (!Cond->getOperand(0)->hasNUses(2))
2451     return;
2452   PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(Cond->getOperand(0));
2453   Instruction *incr;
2454   if (phi && phi->getParent()==L->getHeader()) {
2455     // value tested is preinc.  Find the increment.
2456     // A CmpInst is not a BinaryOperator; we depend on this.
2457     Instruction::use_iterator UI = phi->use_begin();
2458     incr = dyn_cast<BinaryOperator>(UI);
2459     if (!incr)
2460       incr = dyn_cast<BinaryOperator>(++UI);
2461     // 1 use for postinc value, the phi.  Unnecessarily conservative?
2462     if (!incr || !incr->hasOneUse() || incr->getOpcode()!=Instruction::Add)
2463       return;
2464   } else {
2465     // Value tested is postinc.  Find the phi node.
2466     incr = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond->getOperand(0));
2467     if (!incr || incr->getOpcode()!=Instruction::Add)
2468       return;
2469
2470     Instruction::use_iterator UI = Cond->getOperand(0)->use_begin();
2471     phi = dyn_cast<PHINode>(UI);
2472     if (!phi)
2473       phi = dyn_cast<PHINode>(++UI);
2474     // 1 use for preinc value, the increment.
2475     if (!phi || phi->getParent()!=L->getHeader() || !phi->hasOneUse())
2476       return;
2477   }
2478
2479   // Replace the increment with a decrement.
2480   BinaryOperator *decr = 
2481     BinaryOperator::Create(Instruction::Sub, incr->getOperand(0),
2482                            incr->getOperand(1), "tmp", incr);
2483   incr->replaceAllUsesWith(decr);
2484   incr->eraseFromParent();
2485
2486   // Substitute endval-startval for the original startval, and 0 for the
2487   // original endval.  Since we're only testing for equality this is OK even 
2488   // if the computation wraps around.
2489   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
2490   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
2491   int inBlock = L->contains(phi->getIncomingBlock(0)) ? 1 : 0;
2492   Value *startVal = phi->getIncomingValue(inBlock);
2493   Value *endVal = Cond->getOperand(1);
2494   // FIXME check for case where both are constant
2495   Constant* Zero = ConstantInt::get(Cond->getOperand(1)->getType(), 0);
2496   BinaryOperator *NewStartVal = 
2497     BinaryOperator::Create(Instruction::Sub, endVal, startVal,
2498                            "tmp", PreInsertPt);
2499   phi->setIncomingValue(inBlock, NewStartVal);
2500   Cond->setOperand(1, Zero);
2501
2502   Changed = true;
2503 }
2504
2505 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
2506
2507   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
2508   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
2509   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
2510   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
2511   Changed = false;
2512
2513   if (!IU->IVUsesByStride.empty()) {
2514 #ifndef NDEBUG
2515     DOUT << "\nLSR on \"" << L->getHeader()->getParent()->getNameStart()
2516          << "\" ";
2517     DEBUG(L->dump());
2518 #endif
2519
2520     // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
2521     std::stable_sort(IU->StrideOrder.begin(), IU->StrideOrder.end(),
2522                      StrideCompare(SE));
2523
2524     // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
2525     // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
2526     // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
2527     // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
2528     OptimizeIndvars(L);
2529
2530     // Change loop terminating condition to use the postinc iv when possible
2531     // and optimize loop terminating compare. FIXME: Move this after
2532     // StrengthReduceStridedIVUsers?
2533     OptimizeLoopTermCond(L);
2534
2535     // FIXME: We can shrink overlarge IV's here.  e.g. if the code has
2536     // computation in i64 values and the target doesn't support i64, demote
2537     // the computation to 32-bit if safe.
2538
2539     // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
2540     // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should
2541     // be codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.
2542     // Need to be careful that IV's are all the same type.  Only works for
2543     // intptr_t indvars.
2544
2545     // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
2546     assert(IVsByStride.empty() && "Stale entries in IVsByStride?");
2547
2548     // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users
2549     // passed into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.
2550     // Also, note that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using
2551     // StrideOrder. This extra layer of indirection makes the ordering of
2552     // strides deterministic - not dependent on map order.
2553     for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
2554          Stride != e; ++Stride) {
2555       std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2556         IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
2557       assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
2558       // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
2559       if (!SI->first->isLoopInvariant(L))
2560         continue;
2561       StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, *SI->second, L);
2562     }
2563   }
2564
2565   // After all sharing is done, see if we can adjust the loop to test against
2566   // zero instead of counting up to a maximum.  This is usually faster.
2567   OptimizeLoopCountIV(L);
2568
2569   // We're done analyzing this loop; release all the state we built up for it.
2570   IVsByStride.clear();
2571   StrideNoReuse.clear();
2572
2573   // Clean up after ourselves
2574   if (!DeadInsts.empty())
2575     DeleteTriviallyDeadInstructions();
2576
2577   // At this point, it is worth checking to see if any recurrence PHIs are also
2578   // dead, so that we can remove them as well.
2579   DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
2580
2581   return Changed;
2582 }