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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     /// isSigned - The stride (and thus also the Base) of this use may be in
340     /// a narrower type than the use itself (OperandValToReplace->getType()).
341     /// When this is the case, the isSigned field indicates whether the
342     /// IV expression should be signed-extended instead of zero-extended to
343     /// fit the type of the use.
344     bool isSigned;
345
346     /// Imm - The immediate value that should be added to the base immediately
347     /// before Inst, because it will be folded into the imm field of the
348     /// instruction.  This is also sometimes used for loop-variant values that
349     /// must be added inside the loop.
350     SCEVHandle Imm;
351
352     /// Phi - The induction variable that performs the striding that
353     /// should be used for this user.
354     PHINode *Phi;
355
356     // isUseOfPostIncrementedValue - True if this should use the
357     // post-incremented version of this IV, not the preincremented version.
358     // This can only be set in special cases, such as the terminating setcc
359     // instruction for a loop and uses outside the loop that are dominated by
360     // the loop.
361     bool isUseOfPostIncrementedValue;
362     
363     BasedUser(IVStrideUse &IVSU, ScalarEvolution *se)
364       : SE(se), Base(IVSU.getOffset()), Inst(IVSU.getUser()),
365         OperandValToReplace(IVSU.getOperandValToReplace()),
366         isSigned(IVSU.isSigned()),
367         Imm(SE->getIntegerSCEV(0, Base->getType())), 
368         isUseOfPostIncrementedValue(IVSU.isUseOfPostIncrementedValue()) {}
369
370     // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
371     // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
372     // to it.
373     void RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
374                                         Instruction *InsertPt,
375                                        SCEVExpander &Rewriter, Loop *L, Pass *P,
376                                         LoopInfo &LI,
377                                         SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts);
378     
379     Value *InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
380                                        const Type *Ty,
381                                        SCEVExpander &Rewriter,
382                                        Instruction *IP, Loop *L,
383                                        LoopInfo &LI);
384     void dump() const;
385   };
386 }
387
388 void BasedUser::dump() const {
389   cerr << " Base=" << *Base;
390   cerr << " Imm=" << *Imm;
391   cerr << "   Inst: " << *Inst;
392 }
393
394 Value *BasedUser::InsertCodeForBaseAtPosition(const SCEVHandle &NewBase, 
395                                               const Type *Ty,
396                                               SCEVExpander &Rewriter,
397                                               Instruction *IP, Loop *L,
398                                               LoopInfo &LI) {
399   // Figure out where we *really* want to insert this code.  In particular, if
400   // the user is inside of a loop that is nested inside of L, we really don't
401   // want to insert this expression before the user, we'd rather pull it out as
402   // many loops as possible.
403   Instruction *BaseInsertPt = IP;
404   
405   // Figure out the most-nested loop that IP is in.
406   Loop *InsertLoop = LI.getLoopFor(IP->getParent());
407   
408   // If InsertLoop is not L, and InsertLoop is nested inside of L, figure out
409   // the preheader of the outer-most loop where NewBase is not loop invariant.
410   if (L->contains(IP->getParent()))
411     while (InsertLoop && NewBase->isLoopInvariant(InsertLoop)) {
412       BaseInsertPt = InsertLoop->getLoopPreheader()->getTerminator();
413       InsertLoop = InsertLoop->getParentLoop();
414     }
415   
416   Value *Base = Rewriter.expandCodeFor(NewBase, 0, BaseInsertPt);
417
418   SCEVHandle NewValSCEV = SE->getUnknown(Base);
419
420   // If there is no immediate value, skip the next part.
421   if (!Imm->isZero()) {
422     // If we are inserting the base and imm values in the same block, make sure
423     // to adjust the IP position if insertion reused a result.
424     if (IP == BaseInsertPt)
425       IP = Rewriter.getInsertionPoint();
426
427     // Always emit the immediate (if non-zero) into the same block as the user.
428     NewValSCEV = SE->getAddExpr(NewValSCEV, Imm);
429   }
430
431   if (isSigned)
432     NewValSCEV = SE->getTruncateOrSignExtend(NewValSCEV, Ty);
433   else
434     NewValSCEV = SE->getTruncateOrZeroExtend(NewValSCEV, Ty);
435
436   return Rewriter.expandCodeFor(NewValSCEV, Ty, IP);
437 }
438
439
440 // Once we rewrite the code to insert the new IVs we want, update the
441 // operands of Inst to use the new expression 'NewBase', with 'Imm' added
442 // to it. NewBasePt is the last instruction which contributes to the
443 // value of NewBase in the case that it's a diffferent instruction from
444 // the PHI that NewBase is computed from, or null otherwise.
445 //
446 void BasedUser::RewriteInstructionToUseNewBase(const SCEVHandle &NewBase,
447                                                Instruction *NewBasePt,
448                                       SCEVExpander &Rewriter, Loop *L, Pass *P,
449                                       LoopInfo &LI,
450                                       SmallVectorImpl<WeakVH> &DeadInsts) {
451   if (!isa<PHINode>(Inst)) {
452     // By default, insert code at the user instruction.
453     BasicBlock::iterator InsertPt = Inst;
454     
455     // However, if the Operand is itself an instruction, the (potentially
456     // complex) inserted code may be shared by many users.  Because of this, we
457     // want to emit code for the computation of the operand right before its old
458     // computation.  This is usually safe, because we obviously used to use the
459     // computation when it was computed in its current block.  However, in some
460     // cases (e.g. use of a post-incremented induction variable) the NewBase
461     // value will be pinned to live somewhere after the original computation.
462     // In this case, we have to back off.
463     //
464     // If this is a use outside the loop (which means after, since it is based
465     // on a loop indvar) we use the post-incremented value, so that we don't
466     // artificially make the preinc value live out the bottom of the loop. 
467     if (!isUseOfPostIncrementedValue && L->contains(Inst->getParent())) {
468       if (NewBasePt && isa<PHINode>(OperandValToReplace)) {
469         InsertPt = NewBasePt;
470         ++InsertPt;
471       } else if (Instruction *OpInst
472                  = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace)) {
473         InsertPt = OpInst;
474         while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
475       }
476     }
477     Value *NewVal = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase,
478                                                 OperandValToReplace->getType(),
479                                                 Rewriter, InsertPt, L, LI);
480     // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
481     Inst->replaceUsesOfWith(OperandValToReplace, NewVal);
482
483     DOUT << "      Replacing with ";
484     DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, NewVal, /*PrintType=*/false));
485     DOUT << ", which has value " << *NewBase << " plus IMM " << *Imm << "\n";
486     return;
487   }
488
489   // PHI nodes are more complex.  We have to insert one copy of the NewBase+Imm
490   // expression into each operand block that uses it.  Note that PHI nodes can
491   // have multiple entries for the same predecessor.  We use a map to make sure
492   // that a PHI node only has a single Value* for each predecessor (which also
493   // prevents us from inserting duplicate code in some blocks).
494   DenseMap<BasicBlock*, Value*> InsertedCode;
495   PHINode *PN = cast<PHINode>(Inst);
496   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
497     if (PN->getIncomingValue(i) == OperandValToReplace) {
498       // If the original expression is outside the loop, put the replacement
499       // code in the same place as the original expression,
500       // which need not be an immediate predecessor of this PHI.  This way we 
501       // need only one copy of it even if it is referenced multiple times in
502       // the PHI.  We don't do this when the original expression is inside the
503       // loop because multiple copies sometimes do useful sinking of code in
504       // that case(?).
505       Instruction *OldLoc = dyn_cast<Instruction>(OperandValToReplace);
506       if (L->contains(OldLoc->getParent())) {
507         // If this is a critical edge, split the edge so that we do not insert
508         // the code on all predecessor/successor paths.  We do this unless this
509         // is the canonical backedge for this loop, as this can make some
510         // inserted code be in an illegal position.
511         BasicBlock *PHIPred = PN->getIncomingBlock(i);
512         if (e != 1 && PHIPred->getTerminator()->getNumSuccessors() > 1 &&
513             (PN->getParent() != L->getHeader() || !L->contains(PHIPred))) {
514
515           // First step, split the critical edge.
516           SplitCriticalEdge(PHIPred, PN->getParent(), P, false);
517
518           // Next step: move the basic block.  In particular, if the PHI node
519           // is outside of the loop, and PredTI is in the loop, we want to
520           // move the block to be immediately before the PHI block, not
521           // immediately after PredTI.
522           if (L->contains(PHIPred) && !L->contains(PN->getParent())) {
523             BasicBlock *NewBB = PN->getIncomingBlock(i);
524             NewBB->moveBefore(PN->getParent());
525           }
526
527           // Splitting the edge can reduce the number of PHI entries we have.
528           e = PN->getNumIncomingValues();
529         }
530       }
531       Value *&Code = InsertedCode[PN->getIncomingBlock(i)];
532       if (!Code) {
533         // Insert the code into the end of the predecessor block.
534         Instruction *InsertPt = (L->contains(OldLoc->getParent())) ?
535                                 PN->getIncomingBlock(i)->getTerminator() :
536                                 OldLoc->getParent()->getTerminator();
537         Code = InsertCodeForBaseAtPosition(NewBase, PN->getType(),
538                                            Rewriter, InsertPt, L, LI);
539
540         DOUT << "      Changing PHI use to ";
541         DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, Code, /*PrintType=*/false));
542         DOUT << ", which has value " << *NewBase << " plus IMM " << *Imm << "\n";
543       }
544
545       // Replace the use of the operand Value with the new Phi we just created.
546       PN->setIncomingValue(i, Code);
547       Rewriter.clear();
548     }
549   }
550
551   // PHI node might have become a constant value after SplitCriticalEdge.
552   DeadInsts.push_back(Inst);
553 }
554
555
556 /// fitsInAddressMode - Return true if V can be subsumed within an addressing
557 /// mode, and does not need to be put in a register first.
558 static bool fitsInAddressMode(const SCEVHandle &V, const Type *AccessTy,
559                              const TargetLowering *TLI, bool HasBaseReg) {
560   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(V)) {
561     int64_t VC = SC->getValue()->getSExtValue();
562     if (TLI) {
563       TargetLowering::AddrMode AM;
564       AM.BaseOffs = VC;
565       AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
566       return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
567     } else {
568       // Defaults to PPC. PPC allows a sign-extended 16-bit immediate field.
569       return (VC > -(1 << 16) && VC < (1 << 16)-1);
570     }
571   }
572
573   if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(V))
574     if (GlobalValue *GV = dyn_cast<GlobalValue>(SU->getValue())) {
575       if (TLI) {
576         TargetLowering::AddrMode AM;
577         AM.BaseGV = GV;
578         AM.HasBaseReg = HasBaseReg;
579         return TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy);
580       } else {
581         // Default: assume global addresses are not legal.
582       }
583     }
584
585   return false;
586 }
587
588 /// MoveLoopVariantsToImmediateField - Move any subexpressions from Val that are
589 /// loop varying to the Imm operand.
590 static void MoveLoopVariantsToImmediateField(SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
591                                              Loop *L, ScalarEvolution *SE) {
592   if (Val->isLoopInvariant(L)) return;  // Nothing to do.
593   
594   if (const SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
595     SmallVector<SCEVHandle, 4> NewOps;
596     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
597     
598     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i)
599       if (!SAE->getOperand(i)->isLoopInvariant(L)) {
600         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
601         // field of the expression.
602         Imm = SE->getAddExpr(Imm, SAE->getOperand(i));
603       } else {
604         NewOps.push_back(SAE->getOperand(i));
605       }
606
607     if (NewOps.empty())
608       Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
609     else
610       Val = SE->getAddExpr(NewOps);
611   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
612     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
613     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
614     MoveLoopVariantsToImmediateField(Start, Imm, L, SE);
615     
616     SmallVector<SCEVHandle, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
617     Ops[0] = Start;
618     Val = SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop());
619   } else {
620     // Otherwise, all of Val is variant, move the whole thing over.
621     Imm = SE->getAddExpr(Imm, Val);
622     Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
623   }
624 }
625
626
627 /// MoveImmediateValues - Look at Val, and pull out any additions of constants
628 /// that can fit into the immediate field of instructions in the target.
629 /// Accumulate these immediate values into the Imm value.
630 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
631                                 const Type *AccessTy,
632                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
633                                 bool isAddress, Loop *L,
634                                 ScalarEvolution *SE) {
635   if (const SCEVAddExpr *SAE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Val)) {
636     SmallVector<SCEVHandle, 4> NewOps;
637     NewOps.reserve(SAE->getNumOperands());
638     
639     for (unsigned i = 0; i != SAE->getNumOperands(); ++i) {
640       SCEVHandle NewOp = SAE->getOperand(i);
641       MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, NewOp, Imm, isAddress, L, SE);
642       
643       if (!NewOp->isLoopInvariant(L)) {
644         // If this is a loop-variant expression, it must stay in the immediate
645         // field of the expression.
646         Imm = SE->getAddExpr(Imm, NewOp);
647       } else {
648         NewOps.push_back(NewOp);
649       }
650     }
651
652     if (NewOps.empty())
653       Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
654     else
655       Val = SE->getAddExpr(NewOps);
656     return;
657   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Val)) {
658     // Try to pull immediates out of the start value of nested addrec's.
659     SCEVHandle Start = SARE->getStart();
660     MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, Start, Imm, isAddress, L, SE);
661     
662     if (Start != SARE->getStart()) {
663       SmallVector<SCEVHandle, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
664       Ops[0] = Start;
665       Val = SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop());
666     }
667     return;
668   } else if (const SCEVMulExpr *SME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Val)) {
669     // Transform "8 * (4 + v)" -> "32 + 8*V" if "32" fits in the immed field.
670     if (isAddress &&
671         fitsInAddressMode(SME->getOperand(0), AccessTy, TLI, false) &&
672         SME->getNumOperands() == 2 && SME->isLoopInvariant(L)) {
673
674       SCEVHandle SubImm = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
675       SCEVHandle NewOp = SME->getOperand(1);
676       MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, NewOp, SubImm, isAddress, L, SE);
677       
678       // If we extracted something out of the subexpressions, see if we can 
679       // simplify this!
680       if (NewOp != SME->getOperand(1)) {
681         // Scale SubImm up by "8".  If the result is a target constant, we are
682         // good.
683         SubImm = SE->getMulExpr(SubImm, SME->getOperand(0));
684         if (fitsInAddressMode(SubImm, AccessTy, TLI, false)) {
685           // Accumulate the immediate.
686           Imm = SE->getAddExpr(Imm, SubImm);
687           
688           // Update what is left of 'Val'.
689           Val = SE->getMulExpr(SME->getOperand(0), NewOp);
690           return;
691         }
692       }
693     }
694   }
695
696   // Loop-variant expressions must stay in the immediate field of the
697   // expression.
698   if ((isAddress && fitsInAddressMode(Val, AccessTy, TLI, false)) ||
699       !Val->isLoopInvariant(L)) {
700     Imm = SE->getAddExpr(Imm, Val);
701     Val = SE->getIntegerSCEV(0, Val->getType());
702     return;
703   }
704
705   // Otherwise, no immediates to move.
706 }
707
708 static void MoveImmediateValues(const TargetLowering *TLI,
709                                 Instruction *User,
710                                 SCEVHandle &Val, SCEVHandle &Imm,
711                                 bool isAddress, Loop *L,
712                                 ScalarEvolution *SE) {
713   const Type *AccessTy = getAccessType(User);
714   MoveImmediateValues(TLI, AccessTy, Val, Imm, isAddress, L, SE);
715 }
716
717 /// SeparateSubExprs - Decompose Expr into all of the subexpressions that are
718 /// added together.  This is used to reassociate common addition subexprs
719 /// together for maximal sharing when rewriting bases.
720 static void SeparateSubExprs(SmallVector<SCEVHandle, 16> &SubExprs,
721                              SCEVHandle Expr,
722                              ScalarEvolution *SE) {
723   if (const SCEVAddExpr *AE = dyn_cast<SCEVAddExpr>(Expr)) {
724     for (unsigned j = 0, e = AE->getNumOperands(); j != e; ++j)
725       SeparateSubExprs(SubExprs, AE->getOperand(j), SE);
726   } else if (const SCEVAddRecExpr *SARE = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Expr)) {
727     SCEVHandle Zero = SE->getIntegerSCEV(0, Expr->getType());
728     if (SARE->getOperand(0) == Zero) {
729       SubExprs.push_back(Expr);
730     } else {
731       // Compute the addrec with zero as its base.
732       SmallVector<SCEVHandle, 4> Ops(SARE->op_begin(), SARE->op_end());
733       Ops[0] = Zero;   // Start with zero base.
734       SubExprs.push_back(SE->getAddRecExpr(Ops, SARE->getLoop()));
735       
736
737       SeparateSubExprs(SubExprs, SARE->getOperand(0), SE);
738     }
739   } else if (!Expr->isZero()) {
740     // Do not add zero.
741     SubExprs.push_back(Expr);
742   }
743 }
744
745 // This is logically local to the following function, but C++ says we have 
746 // to make it file scope.
747 struct SubExprUseData { unsigned Count; bool notAllUsesAreFree; };
748
749 /// RemoveCommonExpressionsFromUseBases - Look through all of the Bases of all
750 /// the Uses, removing any common subexpressions, except that if all such
751 /// subexpressions can be folded into an addressing mode for all uses inside
752 /// the loop (this case is referred to as "free" in comments herein) we do
753 /// not remove anything.  This looks for things like (a+b+c) and
754 /// (a+c+d) and computes the common (a+c) subexpression.  The common expression
755 /// is *removed* from the Bases and returned.
756 static SCEVHandle 
757 RemoveCommonExpressionsFromUseBases(std::vector<BasedUser> &Uses,
758                                     ScalarEvolution *SE, Loop *L,
759                                     const TargetLowering *TLI) {
760   unsigned NumUses = Uses.size();
761
762   // Only one use?  This is a very common case, so we handle it specially and
763   // cheaply.
764   SCEVHandle Zero = SE->getIntegerSCEV(0, Uses[0].Base->getType());
765   SCEVHandle Result = Zero;
766   SCEVHandle FreeResult = Zero;
767   if (NumUses == 1) {
768     // If the use is inside the loop, use its base, regardless of what it is:
769     // it is clearly shared across all the IV's.  If the use is outside the loop
770     // (which means after it) we don't want to factor anything *into* the loop,
771     // so just use 0 as the base.
772     if (L->contains(Uses[0].Inst->getParent()))
773       std::swap(Result, Uses[0].Base);
774     return Result;
775   }
776
777   // To find common subexpressions, count how many of Uses use each expression.
778   // If any subexpressions are used Uses.size() times, they are common.
779   // Also track whether all uses of each expression can be moved into an
780   // an addressing mode "for free"; such expressions are left within the loop.
781   // struct SubExprUseData { unsigned Count; bool notAllUsesAreFree; };
782   std::map<SCEVHandle, SubExprUseData> SubExpressionUseData;
783   
784   // UniqueSubExprs - Keep track of all of the subexpressions we see in the
785   // order we see them.
786   SmallVector<SCEVHandle, 16> UniqueSubExprs;
787
788   SmallVector<SCEVHandle, 16> SubExprs;
789   unsigned NumUsesInsideLoop = 0;
790   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
791     // If the user is outside the loop, just ignore it for base computation.
792     // Since the user is outside the loop, it must be *after* the loop (if it
793     // were before, it could not be based on the loop IV).  We don't want users
794     // after the loop to affect base computation of values *inside* the loop,
795     // because we can always add their offsets to the result IV after the loop
796     // is done, ensuring we get good code inside the loop.
797     if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent()))
798       continue;
799     NumUsesInsideLoop++;
800     
801     // If the base is zero (which is common), return zero now, there are no
802     // CSEs we can find.
803     if (Uses[i].Base == Zero) return Zero;
804
805     // If this use is as an address we may be able to put CSEs in the addressing
806     // mode rather than hoisting them.
807     bool isAddrUse = isAddressUse(Uses[i].Inst, Uses[i].OperandValToReplace);
808     // We may need the AccessTy below, but only when isAddrUse, so compute it
809     // only in that case.
810     const Type *AccessTy = 0;
811     if (isAddrUse)
812       AccessTy = getAccessType(Uses[i].Inst);
813
814     // Split the expression into subexprs.
815     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base, SE);
816     // Add one to SubExpressionUseData.Count for each subexpr present, and
817     // if the subexpr is not a valid immediate within an addressing mode use,
818     // set SubExpressionUseData.notAllUsesAreFree.  We definitely want to
819     // hoist these out of the loop (if they are common to all uses).
820     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j) {
821       if (++SubExpressionUseData[SubExprs[j]].Count == 1)
822         UniqueSubExprs.push_back(SubExprs[j]);
823       if (!isAddrUse || !fitsInAddressMode(SubExprs[j], AccessTy, TLI, false))
824         SubExpressionUseData[SubExprs[j]].notAllUsesAreFree = true;
825     }
826     SubExprs.clear();
827   }
828
829   // Now that we know how many times each is used, build Result.  Iterate over
830   // UniqueSubexprs so that we have a stable ordering.
831   for (unsigned i = 0, e = UniqueSubExprs.size(); i != e; ++i) {
832     std::map<SCEVHandle, SubExprUseData>::iterator I = 
833        SubExpressionUseData.find(UniqueSubExprs[i]);
834     assert(I != SubExpressionUseData.end() && "Entry not found?");
835     if (I->second.Count == NumUsesInsideLoop) { // Found CSE! 
836       if (I->second.notAllUsesAreFree)
837         Result = SE->getAddExpr(Result, I->first);
838       else 
839         FreeResult = SE->getAddExpr(FreeResult, I->first);
840     } else
841       // Remove non-cse's from SubExpressionUseData.
842       SubExpressionUseData.erase(I);
843   }
844
845   if (FreeResult != Zero) {
846     // We have some subexpressions that can be subsumed into addressing
847     // modes in every use inside the loop.  However, it's possible that
848     // there are so many of them that the combined FreeResult cannot
849     // be subsumed, or that the target cannot handle both a FreeResult
850     // and a Result in the same instruction (for example because it would
851     // require too many registers).  Check this.
852     for (unsigned i=0; i<NumUses; ++i) {
853       if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent()))
854         continue;
855       // We know this is an addressing mode use; if there are any uses that
856       // are not, FreeResult would be Zero.
857       const Type *AccessTy = getAccessType(Uses[i].Inst);
858       if (!fitsInAddressMode(FreeResult, AccessTy, TLI, Result!=Zero)) {
859         // FIXME:  could split up FreeResult into pieces here, some hoisted
860         // and some not.  There is no obvious advantage to this.
861         Result = SE->getAddExpr(Result, FreeResult);
862         FreeResult = Zero;
863         break;
864       }
865     }
866   }
867
868   // If we found no CSE's, return now.
869   if (Result == Zero) return Result;
870   
871   // If we still have a FreeResult, remove its subexpressions from
872   // SubExpressionUseData.  This means they will remain in the use Bases.
873   if (FreeResult != Zero) {
874     SeparateSubExprs(SubExprs, FreeResult, SE);
875     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j) {
876       std::map<SCEVHandle, SubExprUseData>::iterator I = 
877          SubExpressionUseData.find(SubExprs[j]);
878       SubExpressionUseData.erase(I);
879     }
880     SubExprs.clear();
881   }
882
883   // Otherwise, remove all of the CSE's we found from each of the base values.
884   for (unsigned i = 0; i != NumUses; ++i) {
885     // Uses outside the loop don't necessarily include the common base, but
886     // the final IV value coming into those uses does.  Instead of trying to
887     // remove the pieces of the common base, which might not be there,
888     // subtract off the base to compensate for this.
889     if (!L->contains(Uses[i].Inst->getParent())) {
890       Uses[i].Base = SE->getMinusSCEV(Uses[i].Base, Result);
891       continue;
892     }
893
894     // Split the expression into subexprs.
895     SeparateSubExprs(SubExprs, Uses[i].Base, SE);
896
897     // Remove any common subexpressions.
898     for (unsigned j = 0, e = SubExprs.size(); j != e; ++j)
899       if (SubExpressionUseData.count(SubExprs[j])) {
900         SubExprs.erase(SubExprs.begin()+j);
901         --j; --e;
902       }
903     
904     // Finally, add the non-shared expressions together.
905     if (SubExprs.empty())
906       Uses[i].Base = Zero;
907     else
908       Uses[i].Base = SE->getAddExpr(SubExprs);
909     SubExprs.clear();
910   }
911  
912   return Result;
913 }
914
915 /// ValidScale - Check whether the given Scale is valid for all loads and 
916 /// stores in UsersToProcess.
917 ///
918 bool LoopStrengthReduce::ValidScale(bool HasBaseReg, int64_t Scale,
919                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
920   if (!TLI)
921     return true;
922
923   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
924     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
925     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
926     if (isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
927                      UsersToProcess[i].OperandValToReplace))
928       AccessTy = getAccessType(UsersToProcess[i].Inst);
929     else if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst))
930       continue;
931     
932     TargetLowering::AddrMode AM;
933     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
934       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
935     AM.HasBaseReg = HasBaseReg || !UsersToProcess[i].Base->isZero();
936     AM.Scale = Scale;
937
938     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
939     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
940       return false;
941   }
942   return true;
943 }
944
945 /// ValidOffset - Check whether the given Offset is valid for all loads and
946 /// stores in UsersToProcess.
947 ///
948 bool LoopStrengthReduce::ValidOffset(bool HasBaseReg,
949                                int64_t Offset,
950                                int64_t Scale,
951                                const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
952   if (!TLI)
953     return true;
954
955   for (unsigned i=0, e = UsersToProcess.size(); i!=e; ++i) {
956     // If this is a load or other access, pass the type of the access in.
957     const Type *AccessTy = Type::VoidTy;
958     if (isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
959                      UsersToProcess[i].OperandValToReplace))
960       AccessTy = getAccessType(UsersToProcess[i].Inst);
961     else if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst))
962       continue;
963
964     TargetLowering::AddrMode AM;
965     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(UsersToProcess[i].Imm))
966       AM.BaseOffs = SC->getValue()->getSExtValue();
967     AM.BaseOffs = (uint64_t)AM.BaseOffs + (uint64_t)Offset;
968     AM.HasBaseReg = HasBaseReg || !UsersToProcess[i].Base->isZero();
969     AM.Scale = Scale;
970
971     // If load[imm+r*scale] is illegal, bail out.
972     if (!TLI->isLegalAddressingMode(AM, AccessTy))
973       return false;
974   }
975   return true;
976 }
977
978 /// RequiresTypeConversion - Returns true if converting Ty1 to Ty2 is not
979 /// a nop.
980 bool LoopStrengthReduce::RequiresTypeConversion(const Type *Ty1,
981                                                 const Type *Ty2) {
982   if (Ty1 == Ty2)
983     return false;
984   Ty1 = SE->getEffectiveSCEVType(Ty1);
985   Ty2 = SE->getEffectiveSCEVType(Ty2);
986   if (Ty1 == Ty2)
987     return false;
988   if (Ty1->canLosslesslyBitCastTo(Ty2))
989     return false;
990   if (TLI && TLI->isTruncateFree(Ty1, Ty2))
991     return false;
992   return true;
993 }
994
995 /// CheckForIVReuse - Returns the multiple if the stride is the multiple
996 /// of a previous stride and it is a legal value for the target addressing
997 /// mode scale component and optional base reg. This allows the users of
998 /// this stride to be rewritten as prev iv * factor. It returns 0 if no
999 /// reuse is possible.  Factors can be negative on same targets, e.g. ARM.
1000 ///
1001 /// If all uses are outside the loop, we don't require that all multiplies
1002 /// be folded into the addressing mode, nor even that the factor be constant; 
1003 /// a multiply (executed once) outside the loop is better than another IV 
1004 /// within.  Well, usually.
1005 SCEVHandle LoopStrengthReduce::CheckForIVReuse(bool HasBaseReg,
1006                                 bool AllUsesAreAddresses,
1007                                 bool AllUsesAreOutsideLoop,
1008                                 const SCEVHandle &Stride, 
1009                                 IVExpr &IV, const Type *Ty,
1010                                 const std::vector<BasedUser>& UsersToProcess) {
1011   if (StrideNoReuse.count(Stride))
1012     return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1013
1014   if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Stride)) {
1015     int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
1016     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1017          NewStride != e; ++NewStride) {
1018       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1019                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1020       if (SI == IVsByStride.end() || !isa<SCEVConstant>(SI->first) ||
1021           StrideNoReuse.count(SI->first))
1022         continue;
1023       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1024       if (SI->first != Stride &&
1025           (unsigned(abs64(SInt)) < SSInt || (SInt % SSInt) != 0))
1026         continue;
1027       int64_t Scale = SInt / SSInt;
1028       // Check that this stride is valid for all the types used for loads and
1029       // stores; if it can be used for some and not others, we might as well use
1030       // the original stride everywhere, since we have to create the IV for it
1031       // anyway. If the scale is 1, then we don't need to worry about folding
1032       // multiplications.
1033       if (Scale == 1 ||
1034           (AllUsesAreAddresses &&
1035            ValidScale(HasBaseReg, Scale, UsersToProcess))) {
1036         // Prefer to reuse an IV with a base of zero.
1037         for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1038                IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1039           // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion
1040           // and if the base difference can be folded.
1041           if (II->Base->isZero() &&
1042               !RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1043             IV = *II;
1044             return SE->getIntegerSCEV(Scale, Stride->getType());
1045           }
1046         // Otherwise, settle for an IV with a foldable base.
1047         if (AllUsesAreAddresses)
1048           for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1049                  IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1050             // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion
1051             // and if the base difference can be folded.
1052             if (SE->getEffectiveSCEVType(II->Base->getType()) ==
1053                 SE->getEffectiveSCEVType(Ty) &&
1054                 isa<SCEVConstant>(II->Base)) {
1055               int64_t Base =
1056                 cast<SCEVConstant>(II->Base)->getValue()->getSExtValue();
1057               if (Base > INT32_MIN && Base <= INT32_MAX &&
1058                   ValidOffset(HasBaseReg, -Base * Scale,
1059                               Scale, UsersToProcess)) {
1060                 IV = *II;
1061                 return SE->getIntegerSCEV(Scale, Stride->getType());
1062               }
1063             }
1064       }
1065     }
1066   } else if (AllUsesAreOutsideLoop) {
1067     // Accept nonconstant strides here; it is really really right to substitute
1068     // an existing IV if we can.
1069     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1070          NewStride != e; ++NewStride) {
1071       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1072                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1073       if (SI == IVsByStride.end() || !isa<SCEVConstant>(SI->first))
1074         continue;
1075       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1076       if (SI->first != Stride && SSInt != 1)
1077         continue;
1078       for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1079              IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1080         // Accept nonzero base here.
1081         // Only reuse previous IV if it would not require a type conversion.
1082         if (!RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1083           IV = *II;
1084           return Stride;
1085         }
1086     }
1087     // Special case, old IV is -1*x and this one is x.  Can treat this one as
1088     // -1*old.
1089     for (unsigned NewStride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1090          NewStride != e; ++NewStride) {
1091       std::map<SCEVHandle, IVsOfOneStride>::iterator SI = 
1092                 IVsByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
1093       if (SI == IVsByStride.end()) 
1094         continue;
1095       if (const SCEVMulExpr *ME = dyn_cast<SCEVMulExpr>(SI->first))
1096         if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(ME->getOperand(0)))
1097           if (Stride == ME->getOperand(1) &&
1098               SC->getValue()->getSExtValue() == -1LL)
1099             for (std::vector<IVExpr>::iterator II = SI->second.IVs.begin(),
1100                    IE = SI->second.IVs.end(); II != IE; ++II)
1101               // Accept nonzero base here.
1102               // Only reuse previous IV if it would not require type conversion.
1103               if (!RequiresTypeConversion(II->Base->getType(), Ty)) {
1104                 IV = *II;
1105                 return SE->getIntegerSCEV(-1LL, Stride->getType());
1106               }
1107     }
1108   }
1109   return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1110 }
1111
1112 /// PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue - Simple boolean predicate that
1113 /// returns true if Val's isUseOfPostIncrementedValue is true.
1114 static bool PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue(const BasedUser &Val) {
1115   return Val.isUseOfPostIncrementedValue;
1116 }
1117
1118 /// isNonConstantNegative - Return true if the specified scev is negated, but
1119 /// not a constant.
1120 static bool isNonConstantNegative(const SCEVHandle &Expr) {
1121   const SCEVMulExpr *Mul = dyn_cast<SCEVMulExpr>(Expr);
1122   if (!Mul) return false;
1123   
1124   // If there is a constant factor, it will be first.
1125   const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Mul->getOperand(0));
1126   if (!SC) return false;
1127   
1128   // Return true if the value is negative, this matches things like (-42 * V).
1129   return SC->getValue()->getValue().isNegative();
1130 }
1131
1132 /// CollectIVUsers - Transform our list of users and offsets to a bit more
1133 /// complex table. In this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base', the base
1134 /// of the strided accesses, as well as the old information from Uses. We
1135 /// progressively move information from the Base field to the Imm field, until
1136 /// we eventually have the full access expression to rewrite the use.
1137 SCEVHandle LoopStrengthReduce::CollectIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
1138                                               IVUsersOfOneStride &Uses,
1139                                               Loop *L,
1140                                               bool &AllUsesAreAddresses,
1141                                               bool &AllUsesAreOutsideLoop,
1142                                        std::vector<BasedUser> &UsersToProcess) {
1143   // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
1144   if (!Stride->isLoopInvariant(L))
1145     return SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1146
1147   UsersToProcess.reserve(Uses.Users.size());
1148   for (ilist<IVStrideUse>::iterator I = Uses.Users.begin(),
1149        E = Uses.Users.end(); I != E; ++I) {
1150     UsersToProcess.push_back(BasedUser(*I, SE));
1151
1152     // Move any loop variant operands from the offset field to the immediate
1153     // field of the use, so that we don't try to use something before it is
1154     // computed.
1155     MoveLoopVariantsToImmediateField(UsersToProcess.back().Base,
1156                                      UsersToProcess.back().Imm, L, SE);
1157     assert(UsersToProcess.back().Base->isLoopInvariant(L) &&
1158            "Base value is not loop invariant!");
1159   }
1160
1161   // We now have a whole bunch of uses of like-strided induction variables, but
1162   // they might all have different bases.  We want to emit one PHI node for this
1163   // stride which we fold as many common expressions (between the IVs) into as
1164   // possible.  Start by identifying the common expressions in the base values 
1165   // for the strides (e.g. if we have "A+C+B" and "A+B+D" as our bases, find
1166   // "A+B"), emit it to the preheader, then remove the expression from the
1167   // UsersToProcess base values.
1168   SCEVHandle CommonExprs =
1169     RemoveCommonExpressionsFromUseBases(UsersToProcess, SE, L, TLI);
1170
1171   // Next, figure out what we can represent in the immediate fields of
1172   // instructions.  If we can represent anything there, move it to the imm
1173   // fields of the BasedUsers.  We do this so that it increases the commonality
1174   // of the remaining uses.
1175   unsigned NumPHI = 0;
1176   bool HasAddress = false;
1177   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1178     // If the user is not in the current loop, this means it is using the exit
1179     // value of the IV.  Do not put anything in the base, make sure it's all in
1180     // the immediate field to allow as much factoring as possible.
1181     if (!L->contains(UsersToProcess[i].Inst->getParent())) {
1182       UsersToProcess[i].Imm = SE->getAddExpr(UsersToProcess[i].Imm,
1183                                              UsersToProcess[i].Base);
1184       UsersToProcess[i].Base = 
1185         SE->getIntegerSCEV(0, UsersToProcess[i].Base->getType());
1186     } else {
1187       // Not all uses are outside the loop.
1188       AllUsesAreOutsideLoop = false; 
1189
1190       // Addressing modes can be folded into loads and stores.  Be careful that
1191       // the store is through the expression, not of the expression though.
1192       bool isPHI = false;
1193       bool isAddress = isAddressUse(UsersToProcess[i].Inst,
1194                                     UsersToProcess[i].OperandValToReplace);
1195       if (isa<PHINode>(UsersToProcess[i].Inst)) {
1196         isPHI = true;
1197         ++NumPHI;
1198       }
1199
1200       if (isAddress)
1201         HasAddress = true;
1202      
1203       // If this use isn't an address, then not all uses are addresses.
1204       if (!isAddress && !isPHI)
1205         AllUsesAreAddresses = false;
1206       
1207       MoveImmediateValues(TLI, UsersToProcess[i].Inst, UsersToProcess[i].Base,
1208                           UsersToProcess[i].Imm, isAddress, L, SE);
1209     }
1210   }
1211
1212   // If one of the use is a PHI node and all other uses are addresses, still
1213   // allow iv reuse. Essentially we are trading one constant multiplication
1214   // for one fewer iv.
1215   if (NumPHI > 1)
1216     AllUsesAreAddresses = false;
1217     
1218   // There are no in-loop address uses.
1219   if (AllUsesAreAddresses && (!HasAddress && !AllUsesAreOutsideLoop))
1220     AllUsesAreAddresses = false;
1221
1222   return CommonExprs;
1223 }
1224
1225 /// ShouldUseFullStrengthReductionMode - Test whether full strength-reduction
1226 /// is valid and profitable for the given set of users of a stride. In
1227 /// full strength-reduction mode, all addresses at the current stride are
1228 /// strength-reduced all the way down to pointer arithmetic.
1229 ///
1230 bool LoopStrengthReduce::ShouldUseFullStrengthReductionMode(
1231                                    const std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1232                                    const Loop *L,
1233                                    bool AllUsesAreAddresses,
1234                                    SCEVHandle Stride) {
1235   if (!EnableFullLSRMode)
1236     return false;
1237
1238   // The heuristics below aim to avoid increasing register pressure, but
1239   // fully strength-reducing all the addresses increases the number of
1240   // add instructions, so don't do this when optimizing for size.
1241   // TODO: If the loop is large, the savings due to simpler addresses
1242   // may oughtweight the costs of the extra increment instructions.
1243   if (L->getHeader()->getParent()->hasFnAttr(Attribute::OptimizeForSize))
1244     return false;
1245
1246   // TODO: For now, don't do full strength reduction if there could
1247   // potentially be greater-stride multiples of the current stride
1248   // which could reuse the current stride IV.
1249   if (IU->StrideOrder.back() != Stride)
1250     return false;
1251
1252   // Iterate through the uses to find conditions that automatically rule out
1253   // full-lsr mode.
1254   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ) {
1255     const SCEV *Base = UsersToProcess[i].Base;
1256     const SCEV *Imm = UsersToProcess[i].Imm;
1257     // If any users have a loop-variant component, they can't be fully
1258     // strength-reduced.
1259     if (Imm && !Imm->isLoopInvariant(L))
1260       return false;
1261     // If there are to users with the same base and the difference between
1262     // the two Imm values can't be folded into the address, full
1263     // strength reduction would increase register pressure.
1264     do {
1265       const SCEV *CurImm = UsersToProcess[i].Imm;
1266       if ((CurImm || Imm) && CurImm != Imm) {
1267         if (!CurImm) CurImm = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1268         if (!Imm)       Imm = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1269         const Instruction *Inst = UsersToProcess[i].Inst;
1270         const Type *AccessTy = getAccessType(Inst);
1271         SCEVHandle Diff = SE->getMinusSCEV(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1272         if (!Diff->isZero() &&
1273             (!AllUsesAreAddresses ||
1274              !fitsInAddressMode(Diff, AccessTy, TLI, /*HasBaseReg=*/true)))
1275           return false;
1276       }
1277     } while (++i != e && Base == UsersToProcess[i].Base);
1278   }
1279
1280   // If there's exactly one user in this stride, fully strength-reducing it
1281   // won't increase register pressure. If it's starting from a non-zero base,
1282   // it'll be simpler this way.
1283   if (UsersToProcess.size() == 1 && !UsersToProcess[0].Base->isZero())
1284     return true;
1285
1286   // Otherwise, if there are any users in this stride that don't require
1287   // a register for their base, full strength-reduction will increase
1288   // register pressure.
1289   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1290     if (UsersToProcess[i].Base->isZero())
1291       return false;
1292
1293   // Otherwise, go for it.
1294   return true;
1295 }
1296
1297 /// InsertAffinePhi Create and insert a PHI node for an induction variable
1298 /// with the specified start and step values in the specified loop.
1299 ///
1300 /// If NegateStride is true, the stride should be negated by using a
1301 /// subtract instead of an add.
1302 ///
1303 /// Return the created phi node.
1304 ///
1305 static PHINode *InsertAffinePhi(SCEVHandle Start, SCEVHandle Step,
1306                                 Instruction *IVIncInsertPt,
1307                                 const Loop *L,
1308                                 SCEVExpander &Rewriter) {
1309   assert(Start->isLoopInvariant(L) && "New PHI start is not loop invariant!");
1310   assert(Step->isLoopInvariant(L) && "New PHI stride is not loop invariant!");
1311
1312   BasicBlock *Header = L->getHeader();
1313   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1314   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1315   const Type *Ty = Start->getType();
1316   Ty = Rewriter.SE.getEffectiveSCEVType(Ty);
1317
1318   PHINode *PN = PHINode::Create(Ty, "lsr.iv", Header->begin());
1319   PN->addIncoming(Rewriter.expandCodeFor(Start, Ty, Preheader->getTerminator()),
1320                   Preheader);
1321
1322   // If the stride is negative, insert a sub instead of an add for the
1323   // increment.
1324   bool isNegative = isNonConstantNegative(Step);
1325   SCEVHandle IncAmount = Step;
1326   if (isNegative)
1327     IncAmount = Rewriter.SE.getNegativeSCEV(Step);
1328
1329   // Insert an add instruction right before the terminator corresponding
1330   // to the back-edge or just before the only use. The location is determined
1331   // by the caller and passed in as IVIncInsertPt.
1332   Value *StepV = Rewriter.expandCodeFor(IncAmount, Ty,
1333                                         Preheader->getTerminator());
1334   Instruction *IncV;
1335   if (isNegative) {
1336     IncV = BinaryOperator::CreateSub(PN, StepV, "lsr.iv.next",
1337                                      IVIncInsertPt);
1338   } else {
1339     IncV = BinaryOperator::CreateAdd(PN, StepV, "lsr.iv.next",
1340                                      IVIncInsertPt);
1341   }
1342   if (!isa<ConstantInt>(StepV)) ++NumVariable;
1343
1344   PN->addIncoming(IncV, LatchBlock);
1345
1346   ++NumInserted;
1347   return PN;
1348 }
1349
1350 static void SortUsersToProcess(std::vector<BasedUser> &UsersToProcess) {
1351   // We want to emit code for users inside the loop first.  To do this, we
1352   // rearrange BasedUser so that the entries at the end have
1353   // isUseOfPostIncrementedValue = false, because we pop off the end of the
1354   // vector (so we handle them first).
1355   std::partition(UsersToProcess.begin(), UsersToProcess.end(),
1356                  PartitionByIsUseOfPostIncrementedValue);
1357
1358   // Sort this by base, so that things with the same base are handled
1359   // together.  By partitioning first and stable-sorting later, we are
1360   // guaranteed that within each base we will pop off users from within the
1361   // loop before users outside of the loop with a particular base.
1362   //
1363   // We would like to use stable_sort here, but we can't.  The problem is that
1364   // SCEVHandle's don't have a deterministic ordering w.r.t to each other, so
1365   // we don't have anything to do a '<' comparison on.  Because we think the
1366   // number of uses is small, do a horrible bubble sort which just relies on
1367   // ==.
1368   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1369     // Get a base value.
1370     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1371
1372     // Compact everything with this base to be consecutive with this one.
1373     for (unsigned j = i+1; j != e; ++j) {
1374       if (UsersToProcess[j].Base == Base) {
1375         std::swap(UsersToProcess[i+1], UsersToProcess[j]);
1376         ++i;
1377       }
1378     }
1379   }
1380 }
1381
1382 /// PrepareToStrengthReduceFully - Prepare to fully strength-reduce
1383 /// UsersToProcess, meaning lowering addresses all the way down to direct
1384 /// pointer arithmetic.
1385 ///
1386 void
1387 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceFully(
1388                                         std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1389                                         SCEVHandle Stride,
1390                                         SCEVHandle CommonExprs,
1391                                         const Loop *L,
1392                                         SCEVExpander &PreheaderRewriter) {
1393   DOUT << "  Fully reducing all users\n";
1394
1395   // Rewrite the UsersToProcess records, creating a separate PHI for each
1396   // unique Base value.
1397   Instruction *IVIncInsertPt = L->getLoopLatch()->getTerminator();
1398   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ) {
1399     // TODO: The uses are grouped by base, but not sorted. We arbitrarily
1400     // pick the first Imm value here to start with, and adjust it for the
1401     // other uses.
1402     SCEVHandle Imm = UsersToProcess[i].Imm;
1403     SCEVHandle Base = UsersToProcess[i].Base;
1404     SCEVHandle Start = SE->getAddExpr(CommonExprs, Base, Imm);
1405     PHINode *Phi = InsertAffinePhi(Start, Stride, IVIncInsertPt, L,
1406                                    PreheaderRewriter);
1407     // Loop over all the users with the same base.
1408     do {
1409       UsersToProcess[i].Base = SE->getIntegerSCEV(0, Stride->getType());
1410       UsersToProcess[i].Imm = SE->getMinusSCEV(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1411       UsersToProcess[i].Phi = Phi;
1412       assert(UsersToProcess[i].Imm->isLoopInvariant(L) &&
1413              "ShouldUseFullStrengthReductionMode should reject this!");
1414     } while (++i != e && Base == UsersToProcess[i].Base);
1415   }
1416 }
1417
1418 /// FindIVIncInsertPt - Return the location to insert the increment instruction.
1419 /// If the only use if a use of postinc value, (must be the loop termination
1420 /// condition), then insert it just before the use.
1421 static Instruction *FindIVIncInsertPt(std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1422                                       const Loop *L) {
1423   if (UsersToProcess.size() == 1 &&
1424       UsersToProcess[0].isUseOfPostIncrementedValue &&
1425       L->contains(UsersToProcess[0].Inst->getParent()))
1426     return UsersToProcess[0].Inst;
1427   return L->getLoopLatch()->getTerminator();
1428 }
1429
1430 /// PrepareToStrengthReduceWithNewPhi - Insert a new induction variable for the
1431 /// given users to share.
1432 ///
1433 void
1434 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(
1435                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1436                                          SCEVHandle Stride,
1437                                          SCEVHandle CommonExprs,
1438                                          Value *CommonBaseV,
1439                                          Instruction *IVIncInsertPt,
1440                                          const Loop *L,
1441                                          SCEVExpander &PreheaderRewriter) {
1442   DOUT << "  Inserting new PHI:\n";
1443
1444   PHINode *Phi = InsertAffinePhi(SE->getUnknown(CommonBaseV),
1445                                  Stride, IVIncInsertPt, L,
1446                                  PreheaderRewriter);
1447
1448   // Remember this in case a later stride is multiple of this.
1449   IVsByStride[Stride].addIV(Stride, CommonExprs, Phi);
1450
1451   // All the users will share this new IV.
1452   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1453     UsersToProcess[i].Phi = Phi;
1454
1455   DOUT << "    IV=";
1456   DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, Phi, /*PrintType=*/false));
1457   DOUT << "\n";
1458 }
1459
1460 /// PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride - Prepare for the given users to
1461 /// reuse an induction variable with a stride that is a factor of the current
1462 /// induction variable.
1463 ///
1464 void
1465 LoopStrengthReduce::PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(
1466                                          std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1467                                          Value *CommonBaseV,
1468                                          const IVExpr &ReuseIV,
1469                                          Instruction *PreInsertPt) {
1470   DOUT << "  Rewriting in terms of existing IV of STRIDE " << *ReuseIV.Stride
1471        << " and BASE " << *ReuseIV.Base << "\n";
1472
1473   // All the users will share the reused IV.
1474   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1475     UsersToProcess[i].Phi = ReuseIV.PHI;
1476
1477   Constant *C = dyn_cast<Constant>(CommonBaseV);
1478   if (C &&
1479       (!C->isNullValue() &&
1480        !fitsInAddressMode(SE->getUnknown(CommonBaseV), CommonBaseV->getType(),
1481                          TLI, false)))
1482     // We want the common base emitted into the preheader! This is just
1483     // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1484     CommonBaseV = new BitCastInst(CommonBaseV, CommonBaseV->getType(),
1485                                   "commonbase", PreInsertPt);
1486 }
1487
1488 static bool IsImmFoldedIntoAddrMode(GlobalValue *GV, int64_t Offset,
1489                                     const Type *AccessTy,
1490                                    std::vector<BasedUser> &UsersToProcess,
1491                                    const TargetLowering *TLI) {
1492   SmallVector<Instruction*, 16> AddrModeInsts;
1493   for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i) {
1494     if (UsersToProcess[i].isUseOfPostIncrementedValue)
1495       continue;
1496     ExtAddrMode AddrMode =
1497       AddressingModeMatcher::Match(UsersToProcess[i].OperandValToReplace,
1498                                    AccessTy, UsersToProcess[i].Inst,
1499                                    AddrModeInsts, *TLI);
1500     if (GV && GV != AddrMode.BaseGV)
1501       return false;
1502     if (Offset && !AddrMode.BaseOffs)
1503       // FIXME: How to accurate check it's immediate offset is folded.
1504       return false;
1505     AddrModeInsts.clear();
1506   }
1507   return true;
1508 }
1509
1510 /// StrengthReduceStridedIVUsers - Strength reduce all of the users of a single
1511 /// stride of IV.  All of the users may have different starting values, and this
1512 /// may not be the only stride.
1513 void LoopStrengthReduce::StrengthReduceStridedIVUsers(const SCEVHandle &Stride,
1514                                                       IVUsersOfOneStride &Uses,
1515                                                       Loop *L) {
1516   // If all the users are moved to another stride, then there is nothing to do.
1517   if (Uses.Users.empty())
1518     return;
1519
1520   // Keep track if every use in UsersToProcess is an address. If they all are,
1521   // we may be able to rewrite the entire collection of them in terms of a
1522   // smaller-stride IV.
1523   bool AllUsesAreAddresses = true;
1524
1525   // Keep track if every use of a single stride is outside the loop.  If so,
1526   // we want to be more aggressive about reusing a smaller-stride IV; a
1527   // multiply outside the loop is better than another IV inside.  Well, usually.
1528   bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
1529
1530   // Transform our list of users and offsets to a bit more complex table.  In
1531   // this new vector, each 'BasedUser' contains 'Base' the base of the
1532   // strided accessas well as the old information from Uses.  We progressively
1533   // move information from the Base field to the Imm field, until we eventually
1534   // have the full access expression to rewrite the use.
1535   std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1536   SCEVHandle CommonExprs = CollectIVUsers(Stride, Uses, L, AllUsesAreAddresses,
1537                                           AllUsesAreOutsideLoop,
1538                                           UsersToProcess);
1539
1540   // Sort the UsersToProcess array so that users with common bases are
1541   // next to each other.
1542   SortUsersToProcess(UsersToProcess);
1543
1544   // If we managed to find some expressions in common, we'll need to carry
1545   // their value in a register and add it in for each use. This will take up
1546   // a register operand, which potentially restricts what stride values are
1547   // valid.
1548   bool HaveCommonExprs = !CommonExprs->isZero();
1549   const Type *ReplacedTy = CommonExprs->getType();
1550
1551   // If all uses are addresses, consider sinking the immediate part of the
1552   // common expression back into uses if they can fit in the immediate fields.
1553   if (TLI && HaveCommonExprs && AllUsesAreAddresses) {
1554     SCEVHandle NewCommon = CommonExprs;
1555     SCEVHandle Imm = SE->getIntegerSCEV(0, ReplacedTy);
1556     MoveImmediateValues(TLI, Type::VoidTy, NewCommon, Imm, true, L, SE);
1557     if (!Imm->isZero()) {
1558       bool DoSink = true;
1559
1560       // If the immediate part of the common expression is a GV, check if it's
1561       // possible to fold it into the target addressing mode.
1562       GlobalValue *GV = 0;
1563       if (const SCEVUnknown *SU = dyn_cast<SCEVUnknown>(Imm))
1564         GV = dyn_cast<GlobalValue>(SU->getValue());
1565       int64_t Offset = 0;
1566       if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(Imm))
1567         Offset = SC->getValue()->getSExtValue();
1568       if (GV || Offset)
1569         // Pass VoidTy as the AccessTy to be conservative, because
1570         // there could be multiple access types among all the uses.
1571         DoSink = IsImmFoldedIntoAddrMode(GV, Offset, Type::VoidTy,
1572                                          UsersToProcess, TLI);
1573
1574       if (DoSink) {
1575         DOUT << "  Sinking " << *Imm << " back down into uses\n";
1576         for (unsigned i = 0, e = UsersToProcess.size(); i != e; ++i)
1577           UsersToProcess[i].Imm = SE->getAddExpr(UsersToProcess[i].Imm, Imm);
1578         CommonExprs = NewCommon;
1579         HaveCommonExprs = !CommonExprs->isZero();
1580         ++NumImmSunk;
1581       }
1582     }
1583   }
1584
1585   // Now that we know what we need to do, insert the PHI node itself.
1586   //
1587   DOUT << "LSR: Examining IVs of TYPE " << *ReplacedTy << " of STRIDE "
1588        << *Stride << ":\n"
1589        << "  Common base: " << *CommonExprs << "\n";
1590
1591   SCEVExpander Rewriter(*SE);
1592   SCEVExpander PreheaderRewriter(*SE);
1593
1594   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
1595   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
1596   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
1597   Instruction *IVIncInsertPt = LatchBlock->getTerminator();
1598
1599   Value *CommonBaseV = Constant::getNullValue(ReplacedTy);
1600
1601   SCEVHandle RewriteFactor = SE->getIntegerSCEV(0, ReplacedTy);
1602   IVExpr   ReuseIV(SE->getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty),
1603                    SE->getIntegerSCEV(0, Type::Int32Ty),
1604                    0);
1605
1606   /// Choose a strength-reduction strategy and prepare for it by creating
1607   /// the necessary PHIs and adjusting the bookkeeping.
1608   if (ShouldUseFullStrengthReductionMode(UsersToProcess, L,
1609                                          AllUsesAreAddresses, Stride)) {
1610     PrepareToStrengthReduceFully(UsersToProcess, Stride, CommonExprs, L,
1611                                  PreheaderRewriter);
1612   } else {
1613     // Emit the initial base value into the loop preheader.
1614     CommonBaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(CommonExprs, ReplacedTy,
1615                                                   PreInsertPt);
1616
1617     // If all uses are addresses, check if it is possible to reuse an IV.  The
1618     // new IV must have a stride that is a multiple of the old stride; the
1619     // multiple must be a number that can be encoded in the scale field of the
1620     // target addressing mode; and we must have a valid instruction after this 
1621     // substitution, including the immediate field, if any.
1622     RewriteFactor = CheckForIVReuse(HaveCommonExprs, AllUsesAreAddresses,
1623                                     AllUsesAreOutsideLoop,
1624                                     Stride, ReuseIV, ReplacedTy,
1625                                     UsersToProcess);
1626     if (!RewriteFactor->isZero())
1627       PrepareToStrengthReduceFromSmallerStride(UsersToProcess, CommonBaseV,
1628                                                ReuseIV, PreInsertPt);
1629     else {
1630       IVIncInsertPt = FindIVIncInsertPt(UsersToProcess, L);
1631       PrepareToStrengthReduceWithNewPhi(UsersToProcess, Stride, CommonExprs,
1632                                         CommonBaseV, IVIncInsertPt,
1633                                         L, PreheaderRewriter);
1634     }
1635   }
1636
1637   // Process all the users now, replacing their strided uses with
1638   // strength-reduced forms.  This outer loop handles all bases, the inner
1639   // loop handles all users of a particular base.
1640   while (!UsersToProcess.empty()) {
1641     SCEVHandle Base = UsersToProcess.back().Base;
1642     Instruction *Inst = UsersToProcess.back().Inst;
1643
1644     // Emit the code for Base into the preheader.
1645     Value *BaseV = 0;
1646     if (!Base->isZero()) {
1647       BaseV = PreheaderRewriter.expandCodeFor(Base, 0, PreInsertPt);
1648
1649       DOUT << "  INSERTING code for BASE = " << *Base << ":";
1650       if (BaseV->hasName())
1651         DOUT << " Result value name = %" << BaseV->getNameStr();
1652       DOUT << "\n";
1653
1654       // If BaseV is a non-zero constant, make sure that it gets inserted into
1655       // the preheader, instead of being forward substituted into the uses.  We
1656       // do this by forcing a BitCast (noop cast) to be inserted into the
1657       // preheader in this case.
1658       if (!fitsInAddressMode(Base, getAccessType(Inst), TLI, false)) {
1659         // We want this constant emitted into the preheader! This is just
1660         // using cast as a copy so BitCast (no-op cast) is appropriate
1661         BaseV = new BitCastInst(BaseV, BaseV->getType(), "preheaderinsert",
1662                                 PreInsertPt);       
1663       }
1664     }
1665
1666     // Emit the code to add the immediate offset to the Phi value, just before
1667     // the instructions that we identified as using this stride and base.
1668     do {
1669       // FIXME: Use emitted users to emit other users.
1670       BasedUser &User = UsersToProcess.back();
1671
1672       DOUT << "    Examining ";
1673       if (User.isUseOfPostIncrementedValue)
1674         DOUT << "postinc";
1675       else
1676         DOUT << "preinc";
1677       DOUT << " use ";
1678       DEBUG(WriteAsOperand(*DOUT, UsersToProcess.back().OperandValToReplace,
1679                            /*PrintType=*/false));
1680       DOUT << " in Inst: " << *(User.Inst);
1681
1682       // If this instruction wants to use the post-incremented value, move it
1683       // after the post-inc and use its value instead of the PHI.
1684       Value *RewriteOp = User.Phi;
1685       if (User.isUseOfPostIncrementedValue) {
1686         RewriteOp = User.Phi->getIncomingValueForBlock(LatchBlock);
1687         // If this user is in the loop, make sure it is the last thing in the
1688         // loop to ensure it is dominated by the increment. In case it's the
1689         // only use of the iv, the increment instruction is already before the
1690         // use.
1691         if (L->contains(User.Inst->getParent()) && User.Inst != IVIncInsertPt)
1692           User.Inst->moveBefore(IVIncInsertPt);
1693       }
1694
1695       SCEVHandle RewriteExpr = SE->getUnknown(RewriteOp);
1696
1697       if (SE->getEffectiveSCEVType(RewriteOp->getType()) !=
1698           SE->getEffectiveSCEVType(ReplacedTy)) {
1699         assert(SE->getTypeSizeInBits(RewriteOp->getType()) >
1700                SE->getTypeSizeInBits(ReplacedTy) &&
1701                "Unexpected widening cast!");
1702         RewriteExpr = SE->getTruncateExpr(RewriteExpr, ReplacedTy);
1703       }
1704
1705       // If we had to insert new instructions for RewriteOp, we have to
1706       // consider that they may not have been able to end up immediately
1707       // next to RewriteOp, because non-PHI instructions may never precede
1708       // PHI instructions in a block. In this case, remember where the last
1709       // instruction was inserted so that if we're replacing a different
1710       // PHI node, we can use the later point to expand the final
1711       // RewriteExpr.
1712       Instruction *NewBasePt = dyn_cast<Instruction>(RewriteOp);
1713       if (RewriteOp == User.Phi) NewBasePt = 0;
1714
1715       // Clear the SCEVExpander's expression map so that we are guaranteed
1716       // to have the code emitted where we expect it.
1717       Rewriter.clear();
1718
1719       // If we are reusing the iv, then it must be multiplied by a constant
1720       // factor to take advantage of the addressing mode scale component.
1721       if (!RewriteFactor->isZero()) {
1722         // If we're reusing an IV with a nonzero base (currently this happens
1723         // only when all reuses are outside the loop) subtract that base here.
1724         // The base has been used to initialize the PHI node but we don't want
1725         // it here.
1726         if (!ReuseIV.Base->isZero()) {
1727           SCEVHandle typedBase = ReuseIV.Base;
1728           if (SE->getEffectiveSCEVType(RewriteExpr->getType()) !=
1729               SE->getEffectiveSCEVType(ReuseIV.Base->getType())) {
1730             // It's possible the original IV is a larger type than the new IV,
1731             // in which case we have to truncate the Base.  We checked in
1732             // RequiresTypeConversion that this is valid.
1733             assert(SE->getTypeSizeInBits(RewriteExpr->getType()) <
1734                    SE->getTypeSizeInBits(ReuseIV.Base->getType()) &&
1735                    "Unexpected lengthening conversion!");
1736             typedBase = SE->getTruncateExpr(ReuseIV.Base, 
1737                                             RewriteExpr->getType());
1738           }
1739           RewriteExpr = SE->getMinusSCEV(RewriteExpr, typedBase);
1740         }
1741
1742         // Multiply old variable, with base removed, by new scale factor.
1743         RewriteExpr = SE->getMulExpr(RewriteFactor,
1744                                      RewriteExpr);
1745
1746         // The common base is emitted in the loop preheader. But since we
1747         // are reusing an IV, it has not been used to initialize the PHI node.
1748         // Add it to the expression used to rewrite the uses.
1749         // When this use is outside the loop, we earlier subtracted the
1750         // common base, and are adding it back here.  Use the same expression
1751         // as before, rather than CommonBaseV, so DAGCombiner will zap it.
1752         if (!CommonExprs->isZero()) {
1753           if (L->contains(User.Inst->getParent()))
1754             RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr,
1755                                        SE->getUnknown(CommonBaseV));
1756           else
1757             RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr, CommonExprs);
1758         }
1759       }
1760
1761       // Now that we know what we need to do, insert code before User for the
1762       // immediate and any loop-variant expressions.
1763       if (BaseV)
1764         // Add BaseV to the PHI value if needed.
1765         RewriteExpr = SE->getAddExpr(RewriteExpr, SE->getUnknown(BaseV));
1766
1767       User.RewriteInstructionToUseNewBase(RewriteExpr, NewBasePt,
1768                                           Rewriter, L, this, *LI,
1769                                           DeadInsts);
1770
1771       // Mark old value we replaced as possibly dead, so that it is eliminated
1772       // if we just replaced the last use of that value.
1773       DeadInsts.push_back(User.OperandValToReplace);
1774
1775       UsersToProcess.pop_back();
1776       ++NumReduced;
1777
1778       // If there are any more users to process with the same base, process them
1779       // now.  We sorted by base above, so we just have to check the last elt.
1780     } while (!UsersToProcess.empty() && UsersToProcess.back().Base == Base);
1781     // TODO: Next, find out which base index is the most common, pull it out.
1782   }
1783
1784   // IMPORTANT TODO: Figure out how to partition the IV's with this stride, but
1785   // different starting values, into different PHIs.
1786 }
1787
1788 /// FindIVUserForCond - If Cond has an operand that is an expression of an IV,
1789 /// set the IV user and stride information and return true, otherwise return
1790 /// false.
1791 bool LoopStrengthReduce::FindIVUserForCond(ICmpInst *Cond, IVStrideUse *&CondUse,
1792                                        const SCEVHandle *&CondStride) {
1793   for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
1794        Stride != e && !CondUse; ++Stride) {
1795     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
1796       IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
1797     assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
1798
1799     for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
1800          E = SI->second->Users.end(); UI != E; ++UI)
1801       if (UI->getUser() == Cond) {
1802         // NOTE: we could handle setcc instructions with multiple uses here, but
1803         // InstCombine does it as well for simple uses, it's not clear that it
1804         // occurs enough in real life to handle.
1805         CondUse = UI;
1806         CondStride = &SI->first;
1807         return true;
1808       }
1809   }
1810   return false;
1811 }    
1812
1813 namespace {
1814   // Constant strides come first which in turns are sorted by their absolute
1815   // values. If absolute values are the same, then positive strides comes first.
1816   // e.g.
1817   // 4, -1, X, 1, 2 ==> 1, -1, 2, 4, X
1818   struct StrideCompare {
1819     const ScalarEvolution *SE;
1820     explicit StrideCompare(const ScalarEvolution *se) : SE(se) {}
1821
1822     bool operator()(const SCEVHandle &LHS, const SCEVHandle &RHS) {
1823       const SCEVConstant *LHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(LHS);
1824       const SCEVConstant *RHSC = dyn_cast<SCEVConstant>(RHS);
1825       if (LHSC && RHSC) {
1826         int64_t  LV = LHSC->getValue()->getSExtValue();
1827         int64_t  RV = RHSC->getValue()->getSExtValue();
1828         uint64_t ALV = (LV < 0) ? -LV : LV;
1829         uint64_t ARV = (RV < 0) ? -RV : RV;
1830         if (ALV == ARV) {
1831           if (LV != RV)
1832             return LV > RV;
1833         } else {
1834           return ALV < ARV;
1835         }
1836
1837         // If it's the same value but different type, sort by bit width so
1838         // that we emit larger induction variables before smaller
1839         // ones, letting the smaller be re-written in terms of larger ones.
1840         return SE->getTypeSizeInBits(RHS->getType()) <
1841                SE->getTypeSizeInBits(LHS->getType());
1842       }
1843       return LHSC && !RHSC;
1844     }
1845   };
1846 }
1847
1848 /// ChangeCompareStride - If a loop termination compare instruction is the
1849 /// only use of its stride, and the compaison is against a constant value,
1850 /// try eliminate the stride by moving the compare instruction to another
1851 /// stride and change its constant operand accordingly. e.g.
1852 ///
1853 /// loop:
1854 /// ...
1855 /// v1 = v1 + 3
1856 /// v2 = v2 + 1
1857 /// if (v2 < 10) goto loop
1858 /// =>
1859 /// loop:
1860 /// ...
1861 /// v1 = v1 + 3
1862 /// if (v1 < 30) goto loop
1863 ICmpInst *LoopStrengthReduce::ChangeCompareStride(Loop *L, ICmpInst *Cond,
1864                                                 IVStrideUse* &CondUse,
1865                                                 const SCEVHandle* &CondStride) {
1866   // If there's only one stride in the loop, there's nothing to do here.
1867   if (IU->StrideOrder.size() < 2)
1868     return Cond;
1869   // If there are other users of the condition's stride, don't bother
1870   // trying to change the condition because the stride will still
1871   // remain.
1872   std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator I =
1873     IU->IVUsesByStride.find(*CondStride);
1874   if (I == IU->IVUsesByStride.end() ||
1875       I->second->Users.size() != 1)
1876     return Cond;
1877   // Only handle constant strides for now.
1878   const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*CondStride);
1879   if (!SC) return Cond;
1880
1881   ICmpInst::Predicate Predicate = Cond->getPredicate();
1882   int64_t CmpSSInt = SC->getValue()->getSExtValue();
1883   unsigned BitWidth = SE->getTypeSizeInBits((*CondStride)->getType());
1884   uint64_t SignBit = 1ULL << (BitWidth-1);
1885   const Type *CmpTy = Cond->getOperand(0)->getType();
1886   const Type *NewCmpTy = NULL;
1887   unsigned TyBits = SE->getTypeSizeInBits(CmpTy);
1888   unsigned NewTyBits = 0;
1889   SCEVHandle *NewStride = NULL;
1890   Value *NewCmpLHS = NULL;
1891   Value *NewCmpRHS = NULL;
1892   int64_t Scale = 1;
1893   SCEVHandle NewOffset = SE->getIntegerSCEV(0, CmpTy);
1894
1895   if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(Cond->getOperand(1))) {
1896     int64_t CmpVal = C->getValue().getSExtValue();
1897
1898     // Check stride constant and the comparision constant signs to detect
1899     // overflow.
1900     if ((CmpVal & SignBit) != (CmpSSInt & SignBit))
1901       return Cond;
1902
1903     // Look for a suitable stride / iv as replacement.
1904     for (unsigned i = 0, e = IU->StrideOrder.size(); i != e; ++i) {
1905       std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
1906         IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[i]);
1907       if (!isa<SCEVConstant>(SI->first))
1908         continue;
1909       int64_t SSInt = cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
1910       if (SSInt == CmpSSInt ||
1911           abs64(SSInt) < abs64(CmpSSInt) ||
1912           (SSInt % CmpSSInt) != 0)
1913         continue;
1914
1915       Scale = SSInt / CmpSSInt;
1916       int64_t NewCmpVal = CmpVal * Scale;
1917       APInt Mul = APInt(BitWidth*2, CmpVal, true);
1918       Mul = Mul * APInt(BitWidth*2, Scale, true);
1919       // Check for overflow.
1920       if (!Mul.isSignedIntN(BitWidth))
1921         continue;
1922       // Check for overflow in the stride's type too.
1923       if (!Mul.isSignedIntN(SE->getTypeSizeInBits(SI->first->getType())))
1924         continue;
1925
1926       // Watch out for overflow.
1927       if (ICmpInst::isSignedPredicate(Predicate) &&
1928           (CmpVal & SignBit) != (NewCmpVal & SignBit))
1929         continue;
1930
1931       if (NewCmpVal == CmpVal)
1932         continue;
1933       // Pick the best iv to use trying to avoid a cast.
1934       NewCmpLHS = NULL;
1935       for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
1936              E = SI->second->Users.end(); UI != E; ++UI) {
1937         Value *Op = UI->getOperandValToReplace();
1938
1939         // If the IVStrideUse implies a cast, check for an actual cast which
1940         // can be used to find the original IV expression.
1941         if (SE->getEffectiveSCEVType(Op->getType()) !=
1942             SE->getEffectiveSCEVType(SI->first->getType())) {
1943           CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Op);
1944           // If it's not a simple cast, it's complicated.
1945           if (!CI)
1946             continue;
1947           // If it's a cast from a type other than the stride type,
1948           // it's complicated.
1949           if (CI->getOperand(0)->getType() != SI->first->getType())
1950             continue;
1951           // Ok, we found the IV expression in the stride's type.
1952           Op = CI->getOperand(0);
1953         }
1954
1955         NewCmpLHS = Op;
1956         if (NewCmpLHS->getType() == CmpTy)
1957           break;
1958       }
1959       if (!NewCmpLHS)
1960         continue;
1961
1962       NewCmpTy = NewCmpLHS->getType();
1963       NewTyBits = SE->getTypeSizeInBits(NewCmpTy);
1964       const Type *NewCmpIntTy = IntegerType::get(NewTyBits);
1965       if (RequiresTypeConversion(NewCmpTy, CmpTy)) {
1966         // Check if it is possible to rewrite it using
1967         // an iv / stride of a smaller integer type.
1968         unsigned Bits = NewTyBits;
1969         if (ICmpInst::isSignedPredicate(Predicate))
1970           --Bits;
1971         uint64_t Mask = (1ULL << Bits) - 1;
1972         if (((uint64_t)NewCmpVal & Mask) != (uint64_t)NewCmpVal)
1973           continue;
1974       }
1975
1976       // Don't rewrite if use offset is non-constant and the new type is
1977       // of a different type.
1978       // FIXME: too conservative?
1979       if (NewTyBits != TyBits && !isa<SCEVConstant>(CondUse->getOffset()))
1980         continue;
1981
1982       bool AllUsesAreAddresses = true;
1983       bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
1984       std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
1985       SCEVHandle CommonExprs = CollectIVUsers(SI->first, *SI->second, L,
1986                                               AllUsesAreAddresses,
1987                                               AllUsesAreOutsideLoop,
1988                                               UsersToProcess);
1989       // Avoid rewriting the compare instruction with an iv of new stride
1990       // if it's likely the new stride uses will be rewritten using the
1991       // stride of the compare instruction.
1992       if (AllUsesAreAddresses &&
1993           ValidScale(!CommonExprs->isZero(), Scale, UsersToProcess))
1994         continue;
1995
1996       // Avoid rewriting the compare instruction with an iv which has
1997       // implicit extension or truncation built into it.
1998       // TODO: This is over-conservative.
1999       if (SE->getTypeSizeInBits(CondUse->getOffset()->getType()) != TyBits)
2000         continue;
2001
2002       // If scale is negative, use swapped predicate unless it's testing
2003       // for equality.
2004       if (Scale < 0 && !Cond->isEquality())
2005         Predicate = ICmpInst::getSwappedPredicate(Predicate);
2006
2007       NewStride = &IU->StrideOrder[i];
2008       if (!isa<PointerType>(NewCmpTy))
2009         NewCmpRHS = ConstantInt::get(NewCmpTy, NewCmpVal);
2010       else {
2011         Constant *CI = ConstantInt::get(NewCmpIntTy, NewCmpVal);
2012         NewCmpRHS = ConstantExpr::getIntToPtr(CI, NewCmpTy);
2013       }
2014       NewOffset = TyBits == NewTyBits
2015         ? SE->getMulExpr(CondUse->getOffset(),
2016                          SE->getConstant(CmpTy, Scale))
2017         : SE->getConstant(NewCmpIntTy,
2018           cast<SCEVConstant>(CondUse->getOffset())->getValue()
2019             ->getSExtValue()*Scale);
2020       break;
2021     }
2022   }
2023
2024   // Forgo this transformation if it the increment happens to be
2025   // unfortunately positioned after the condition, and the condition
2026   // has multiple uses which prevent it from being moved immediately
2027   // before the branch. See
2028   // test/Transforms/LoopStrengthReduce/change-compare-stride-trickiness-*.ll
2029   // for an example of this situation.
2030   if (!Cond->hasOneUse()) {
2031     for (BasicBlock::iterator I = Cond, E = Cond->getParent()->end();
2032          I != E; ++I)
2033       if (I == NewCmpLHS)
2034         return Cond;
2035   }
2036
2037   if (NewCmpRHS) {
2038     // Create a new compare instruction using new stride / iv.
2039     ICmpInst *OldCond = Cond;
2040     // Insert new compare instruction.
2041     Cond = new ICmpInst(Predicate, NewCmpLHS, NewCmpRHS,
2042                         L->getHeader()->getName() + ".termcond",
2043                         OldCond);
2044
2045     // Remove the old compare instruction. The old indvar is probably dead too.
2046     DeadInsts.push_back(CondUse->getOperandValToReplace());
2047     OldCond->replaceAllUsesWith(Cond);
2048     OldCond->eraseFromParent();
2049
2050     IU->IVUsesByStride[*NewStride]->addUser(NewOffset, Cond, NewCmpLHS, false);
2051     CondUse = &IU->IVUsesByStride[*NewStride]->Users.back();
2052     CondStride = NewStride;
2053     ++NumEliminated;
2054     Changed = true;
2055   }
2056
2057   return Cond;
2058 }
2059
2060 /// OptimizeSMax - Rewrite the loop's terminating condition if it uses
2061 /// an smax computation.
2062 ///
2063 /// This is a narrow solution to a specific, but acute, problem. For loops
2064 /// like this:
2065 ///
2066 ///   i = 0;
2067 ///   do {
2068 ///     p[i] = 0.0;
2069 ///   } while (++i < n);
2070 ///
2071 /// where the comparison is signed, the trip count isn't just 'n', because
2072 /// 'n' could be negative. And unfortunately this can come up even for loops
2073 /// where the user didn't use a C do-while loop. For example, seemingly
2074 /// well-behaved top-test loops will commonly be lowered like this:
2075 //
2076 ///   if (n > 0) {
2077 ///     i = 0;
2078 ///     do {
2079 ///       p[i] = 0.0;
2080 ///     } while (++i < n);
2081 ///   }
2082 ///
2083 /// and then it's possible for subsequent optimization to obscure the if
2084 /// test in such a way that indvars can't find it.
2085 ///
2086 /// When indvars can't find the if test in loops like this, it creates a
2087 /// signed-max expression, which allows it to give the loop a canonical
2088 /// induction variable:
2089 ///
2090 ///   i = 0;
2091 ///   smax = n < 1 ? 1 : n;
2092 ///   do {
2093 ///     p[i] = 0.0;
2094 ///   } while (++i != smax);
2095 ///
2096 /// Canonical induction variables are necessary because the loop passes
2097 /// are designed around them. The most obvious example of this is the
2098 /// LoopInfo analysis, which doesn't remember trip count values. It
2099 /// expects to be able to rediscover the trip count each time it is
2100 /// needed, and it does this using a simple analyis that only succeeds if
2101 /// the loop has a canonical induction variable.
2102 ///
2103 /// However, when it comes time to generate code, the maximum operation
2104 /// can be quite costly, especially if it's inside of an outer loop.
2105 ///
2106 /// This function solves this problem by detecting this type of loop and
2107 /// rewriting their conditions from ICMP_NE back to ICMP_SLT, and deleting
2108 /// the instructions for the maximum computation.
2109 ///
2110 ICmpInst *LoopStrengthReduce::OptimizeSMax(Loop *L, ICmpInst *Cond,
2111                                            IVStrideUse* &CondUse) {
2112   // Check that the loop matches the pattern we're looking for.
2113   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ &&
2114       Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_NE)
2115     return Cond;
2116
2117   SelectInst *Sel = dyn_cast<SelectInst>(Cond->getOperand(1));
2118   if (!Sel || !Sel->hasOneUse()) return Cond;
2119
2120   SCEVHandle BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2121   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2122     return Cond;
2123   SCEVHandle One = SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
2124
2125   // Add one to the backedge-taken count to get the trip count.
2126   SCEVHandle IterationCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakenCount, One);
2127
2128   // Check for a max calculation that matches the pattern.
2129   const SCEVSMaxExpr *SMax = dyn_cast<SCEVSMaxExpr>(IterationCount);
2130   if (!SMax || SMax != SE->getSCEV(Sel)) return Cond;
2131
2132   SCEVHandle SMaxLHS = SMax->getOperand(0);
2133   SCEVHandle SMaxRHS = SMax->getOperand(1);
2134   if (!SMaxLHS || SMaxLHS != One) return Cond;
2135
2136   // Check the relevant induction variable for conformance to
2137   // the pattern.
2138   SCEVHandle IV = SE->getSCEV(Cond->getOperand(0));
2139   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2140   if (!AR || !AR->isAffine() ||
2141       AR->getStart() != One ||
2142       AR->getStepRecurrence(*SE) != One)
2143     return Cond;
2144
2145   assert(AR->getLoop() == L &&
2146          "Loop condition operand is an addrec in a different loop!");
2147
2148   // Check the right operand of the select, and remember it, as it will
2149   // be used in the new comparison instruction.
2150   Value *NewRHS = 0;
2151   if (SE->getSCEV(Sel->getOperand(1)) == SMaxRHS)
2152     NewRHS = Sel->getOperand(1);
2153   else if (SE->getSCEV(Sel->getOperand(2)) == SMaxRHS)
2154     NewRHS = Sel->getOperand(2);
2155   if (!NewRHS) return Cond;
2156
2157   // Ok, everything looks ok to change the condition into an SLT or SGE and
2158   // delete the max calculation.
2159   ICmpInst *NewCond =
2160     new ICmpInst(Cond->getPredicate() == CmpInst::ICMP_NE ?
2161                    CmpInst::ICMP_SLT :
2162                    CmpInst::ICMP_SGE,
2163                  Cond->getOperand(0), NewRHS, "scmp", Cond);
2164
2165   // Delete the max calculation instructions.
2166   Cond->replaceAllUsesWith(NewCond);
2167   CondUse->setUser(NewCond);
2168   Instruction *Cmp = cast<Instruction>(Sel->getOperand(0));
2169   Cond->eraseFromParent();
2170   Sel->eraseFromParent();
2171   if (Cmp->use_empty())
2172     Cmp->eraseFromParent();
2173   return NewCond;
2174 }
2175
2176 /// OptimizeShadowIV - If IV is used in a int-to-float cast
2177 /// inside the loop then try to eliminate the cast opeation.
2178 void LoopStrengthReduce::OptimizeShadowIV(Loop *L) {
2179
2180   SCEVHandle BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2181   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2182     return;
2183
2184   for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size(); Stride != e;
2185        ++Stride) {
2186     std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2187       IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
2188     assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
2189     if (!isa<SCEVConstant>(SI->first))
2190       continue;
2191
2192     for (ilist<IVStrideUse>::iterator UI = SI->second->Users.begin(),
2193            E = SI->second->Users.end(); UI != E; /* empty */) {
2194       ilist<IVStrideUse>::iterator CandidateUI = UI;
2195       ++UI;
2196       Instruction *ShadowUse = CandidateUI->getUser();
2197       const Type *DestTy = NULL;
2198
2199       /* If shadow use is a int->float cast then insert a second IV
2200          to eliminate this cast.
2201
2202            for (unsigned i = 0; i < n; ++i) 
2203              foo((double)i);
2204
2205          is transformed into
2206
2207            double d = 0.0;
2208            for (unsigned i = 0; i < n; ++i, ++d) 
2209              foo(d);
2210       */
2211       if (UIToFPInst *UCast = dyn_cast<UIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
2212         DestTy = UCast->getDestTy();
2213       else if (SIToFPInst *SCast = dyn_cast<SIToFPInst>(CandidateUI->getUser()))
2214         DestTy = SCast->getDestTy();
2215       if (!DestTy) continue;
2216
2217       if (TLI) {
2218         // If target does not support DestTy natively then do not apply
2219         // this transformation.
2220         MVT DVT = TLI->getValueType(DestTy);
2221         if (!TLI->isTypeLegal(DVT)) continue;
2222       }
2223
2224       PHINode *PH = dyn_cast<PHINode>(ShadowUse->getOperand(0));
2225       if (!PH) continue;
2226       if (PH->getNumIncomingValues() != 2) continue;
2227
2228       const Type *SrcTy = PH->getType();
2229       int Mantissa = DestTy->getFPMantissaWidth();
2230       if (Mantissa == -1) continue; 
2231       if ((int)SE->getTypeSizeInBits(SrcTy) > Mantissa)
2232         continue;
2233
2234       unsigned Entry, Latch;
2235       if (PH->getIncomingBlock(0) == L->getLoopPreheader()) {
2236         Entry = 0;
2237         Latch = 1;
2238       } else {
2239         Entry = 1;
2240         Latch = 0;
2241       }
2242         
2243       ConstantInt *Init = dyn_cast<ConstantInt>(PH->getIncomingValue(Entry));
2244       if (!Init) continue;
2245       Constant *NewInit = ConstantFP::get(DestTy, Init->getZExtValue());
2246
2247       BinaryOperator *Incr = 
2248         dyn_cast<BinaryOperator>(PH->getIncomingValue(Latch));
2249       if (!Incr) continue;
2250       if (Incr->getOpcode() != Instruction::Add
2251           && Incr->getOpcode() != Instruction::Sub)
2252         continue;
2253
2254       /* Initialize new IV, double d = 0.0 in above example. */
2255       ConstantInt *C = NULL;
2256       if (Incr->getOperand(0) == PH)
2257         C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(1));
2258       else if (Incr->getOperand(1) == PH)
2259         C = dyn_cast<ConstantInt>(Incr->getOperand(0));
2260       else
2261         continue;
2262
2263       if (!C) continue;
2264
2265       /* Add new PHINode. */
2266       PHINode *NewPH = PHINode::Create(DestTy, "IV.S.", PH);
2267
2268       /* create new increment. '++d' in above example. */
2269       Constant *CFP = ConstantFP::get(DestTy, C->getZExtValue());
2270       BinaryOperator *NewIncr = 
2271         BinaryOperator::Create(Incr->getOpcode() == Instruction::Add ?
2272                                  Instruction::FAdd : Instruction::FSub,
2273                                NewPH, CFP, "IV.S.next.", Incr);
2274
2275       NewPH->addIncoming(NewInit, PH->getIncomingBlock(Entry));
2276       NewPH->addIncoming(NewIncr, PH->getIncomingBlock(Latch));
2277
2278       /* Remove cast operation */
2279       ShadowUse->replaceAllUsesWith(NewPH);
2280       ShadowUse->eraseFromParent();
2281       NumShadow++;
2282       break;
2283     }
2284   }
2285 }
2286
2287 /// OptimizeIndvars - Now that IVUsesByStride is set up with all of the indvar
2288 /// uses in the loop, look to see if we can eliminate some, in favor of using
2289 /// common indvars for the different uses.
2290 void LoopStrengthReduce::OptimizeIndvars(Loop *L) {
2291   // TODO: implement optzns here.
2292
2293   OptimizeShadowIV(L);
2294 }
2295
2296 /// OptimizeLoopTermCond - Change loop terminating condition to use the 
2297 /// postinc iv when possible.
2298 void LoopStrengthReduce::OptimizeLoopTermCond(Loop *L) {
2299   // Finally, get the terminating condition for the loop if possible.  If we
2300   // can, we want to change it to use a post-incremented version of its
2301   // induction variable, to allow coalescing the live ranges for the IV into
2302   // one register value.
2303   BasicBlock *LatchBlock = L->getLoopLatch();
2304   BasicBlock *ExitBlock = L->getExitingBlock();
2305   if (!ExitBlock)
2306     // Multiple exits, just look at the exit in the latch block if there is one.
2307     ExitBlock = LatchBlock;
2308   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitBlock->getTerminator());
2309   if (!TermBr)
2310     return;
2311   if (TermBr->isUnconditional() || !isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2312     return;
2313
2314   // Search IVUsesByStride to find Cond's IVUse if there is one.
2315   IVStrideUse *CondUse = 0;
2316   const SCEVHandle *CondStride = 0;
2317   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2318   if (!FindIVUserForCond(Cond, CondUse, CondStride))
2319     return; // setcc doesn't use the IV.
2320
2321   if (ExitBlock != LatchBlock) {
2322     if (!Cond->hasOneUse())
2323       // See below, we don't want the condition to be cloned.
2324       return;
2325
2326     // If exiting block is the latch block, we know it's safe and profitable to
2327     // transform the icmp to use post-inc iv. Otherwise do so only if it would
2328     // not reuse another iv and its iv would be reused by other uses. We are
2329     // optimizing for the case where the icmp is the only use of the iv.
2330     IVUsersOfOneStride &StrideUses = *IU->IVUsesByStride[*CondStride];
2331     for (ilist<IVStrideUse>::iterator I = StrideUses.Users.begin(),
2332          E = StrideUses.Users.end(); I != E; ++I) {
2333       if (I->getUser() == Cond)
2334         continue;
2335       if (!I->isUseOfPostIncrementedValue())
2336         return;
2337     }
2338
2339     // FIXME: This is expensive, and worse still ChangeCompareStride does a
2340     // similar check. Can we perform all the icmp related transformations after
2341     // StrengthReduceStridedIVUsers?
2342     if (const SCEVConstant *SC = dyn_cast<SCEVConstant>(*CondStride)) {
2343       int64_t SInt = SC->getValue()->getSExtValue();
2344       for (unsigned NewStride = 0, ee = IU->StrideOrder.size(); NewStride != ee;
2345            ++NewStride) {
2346         std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2347           IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[NewStride]);
2348         if (!isa<SCEVConstant>(SI->first) || SI->first == *CondStride)
2349           continue;
2350         int64_t SSInt =
2351           cast<SCEVConstant>(SI->first)->getValue()->getSExtValue();
2352         if (SSInt == SInt)
2353           return; // This can definitely be reused.
2354         if (unsigned(abs64(SSInt)) < SInt || (SSInt % SInt) != 0)
2355           continue;
2356         int64_t Scale = SSInt / SInt;
2357         bool AllUsesAreAddresses = true;
2358         bool AllUsesAreOutsideLoop = true;
2359         std::vector<BasedUser> UsersToProcess;
2360         SCEVHandle CommonExprs = CollectIVUsers(SI->first, *SI->second, L,
2361                                                 AllUsesAreAddresses,
2362                                                 AllUsesAreOutsideLoop,
2363                                                 UsersToProcess);
2364         // Avoid rewriting the compare instruction with an iv of new stride
2365         // if it's likely the new stride uses will be rewritten using the
2366         // stride of the compare instruction.
2367         if (AllUsesAreAddresses &&
2368             ValidScale(!CommonExprs->isZero(), Scale, UsersToProcess))
2369           return;
2370       }
2371     }
2372
2373     StrideNoReuse.insert(*CondStride);
2374   }
2375
2376   // If the trip count is computed in terms of an smax (due to ScalarEvolution
2377   // being unable to find a sufficient guard, for example), change the loop
2378   // comparison to use SLT instead of NE.
2379   Cond = OptimizeSMax(L, Cond, CondUse);
2380
2381   // If possible, change stride and operands of the compare instruction to
2382   // eliminate one stride.
2383   if (ExitBlock == LatchBlock)
2384     Cond = ChangeCompareStride(L, Cond, CondUse, CondStride);
2385
2386   // It's possible for the setcc instruction to be anywhere in the loop, and
2387   // possible for it to have multiple users.  If it is not immediately before
2388   // the latch block branch, move it.
2389   if (&*++BasicBlock::iterator(Cond) != (Instruction*)TermBr) {
2390     if (Cond->hasOneUse()) {   // Condition has a single use, just move it.
2391       Cond->moveBefore(TermBr);
2392     } else {
2393       // Otherwise, clone the terminating condition and insert into the loopend.
2394       Cond = cast<ICmpInst>(Cond->clone());
2395       Cond->setName(L->getHeader()->getName() + ".termcond");
2396       LatchBlock->getInstList().insert(TermBr, Cond);
2397       
2398       // Clone the IVUse, as the old use still exists!
2399       IU->IVUsesByStride[*CondStride]->addUser(CondUse->getOffset(), Cond,
2400                                               CondUse->getOperandValToReplace(),
2401                                                false);
2402       CondUse = &IU->IVUsesByStride[*CondStride]->Users.back();
2403     }
2404   }
2405
2406   // If we get to here, we know that we can transform the setcc instruction to
2407   // use the post-incremented version of the IV, allowing us to coalesce the
2408   // live ranges for the IV correctly.
2409   CondUse->setOffset(SE->getMinusSCEV(CondUse->getOffset(), *CondStride));
2410   CondUse->setIsUseOfPostIncrementedValue(true);
2411   Changed = true;
2412
2413   ++NumLoopCond;
2414 }
2415
2416 /// OptimizeLoopCountIV - If, after all sharing of IVs, the IV used for deciding
2417 /// when to exit the loop is used only for that purpose, try to rearrange things
2418 /// so it counts down to a test against zero.
2419 void LoopStrengthReduce::OptimizeLoopCountIV(Loop *L) {
2420
2421   // If the number of times the loop is executed isn't computable, give up.
2422   SCEVHandle BackedgeTakenCount = SE->getBackedgeTakenCount(L);
2423   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(BackedgeTakenCount))
2424     return;
2425
2426   // Get the terminating condition for the loop if possible (this isn't
2427   // necessarily in the latch, or a block that's a predecessor of the header).
2428   if (!L->getExitBlock())
2429     return; // More than one loop exit blocks.
2430
2431   // Okay, there is one exit block.  Try to find the condition that causes the
2432   // loop to be exited.
2433   BasicBlock *ExitingBlock = L->getExitingBlock();
2434   if (!ExitingBlock)
2435     return; // More than one block exiting!
2436
2437   // Okay, we've computed the exiting block.  See what condition causes us to
2438   // exit.
2439   //
2440   // FIXME: we should be able to handle switch instructions (with a single exit)
2441   BranchInst *TermBr = dyn_cast<BranchInst>(ExitingBlock->getTerminator());
2442   if (TermBr == 0) return;
2443   assert(TermBr->isConditional() && "If unconditional, it can't be in loop!");
2444   if (!isa<ICmpInst>(TermBr->getCondition()))
2445     return;
2446   ICmpInst *Cond = cast<ICmpInst>(TermBr->getCondition());
2447
2448   // Handle only tests for equality for the moment, and only stride 1.
2449   if (Cond->getPredicate() != CmpInst::ICMP_EQ)
2450     return;
2451   SCEVHandle IV = SE->getSCEV(Cond->getOperand(0));
2452   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(IV);
2453   SCEVHandle One = SE->getIntegerSCEV(1, BackedgeTakenCount->getType());
2454   if (!AR || !AR->isAffine() || AR->getStepRecurrence(*SE) != One)
2455     return;
2456   // If the RHS of the comparison is defined inside the loop, the rewrite
2457   // cannot be done.
2458   if (Instruction *CR = dyn_cast<Instruction>(Cond->getOperand(1)))
2459     if (L->contains(CR->getParent()))
2460       return;
2461
2462   // Make sure the IV is only used for counting.  Value may be preinc or
2463   // postinc; 2 uses in either case.
2464   if (!Cond->getOperand(0)->hasNUses(2))
2465     return;
2466   PHINode *phi = dyn_cast<PHINode>(Cond->getOperand(0));
2467   Instruction *incr;
2468   if (phi && phi->getParent()==L->getHeader()) {
2469     // value tested is preinc.  Find the increment.
2470     // A CmpInst is not a BinaryOperator; we depend on this.
2471     Instruction::use_iterator UI = phi->use_begin();
2472     incr = dyn_cast<BinaryOperator>(UI);
2473     if (!incr)
2474       incr = dyn_cast<BinaryOperator>(++UI);
2475     // 1 use for postinc value, the phi.  Unnecessarily conservative?
2476     if (!incr || !incr->hasOneUse() || incr->getOpcode()!=Instruction::Add)
2477       return;
2478   } else {
2479     // Value tested is postinc.  Find the phi node.
2480     incr = dyn_cast<BinaryOperator>(Cond->getOperand(0));
2481     if (!incr || incr->getOpcode()!=Instruction::Add)
2482       return;
2483
2484     Instruction::use_iterator UI = Cond->getOperand(0)->use_begin();
2485     phi = dyn_cast<PHINode>(UI);
2486     if (!phi)
2487       phi = dyn_cast<PHINode>(++UI);
2488     // 1 use for preinc value, the increment.
2489     if (!phi || phi->getParent()!=L->getHeader() || !phi->hasOneUse())
2490       return;
2491   }
2492
2493   // Replace the increment with a decrement.
2494   BinaryOperator *decr = 
2495     BinaryOperator::Create(Instruction::Sub, incr->getOperand(0),
2496                            incr->getOperand(1), "tmp", incr);
2497   incr->replaceAllUsesWith(decr);
2498   incr->eraseFromParent();
2499
2500   // Substitute endval-startval for the original startval, and 0 for the
2501   // original endval.  Since we're only testing for equality this is OK even 
2502   // if the computation wraps around.
2503   BasicBlock  *Preheader = L->getLoopPreheader();
2504   Instruction *PreInsertPt = Preheader->getTerminator();
2505   int inBlock = L->contains(phi->getIncomingBlock(0)) ? 1 : 0;
2506   Value *startVal = phi->getIncomingValue(inBlock);
2507   Value *endVal = Cond->getOperand(1);
2508   // FIXME check for case where both are constant
2509   Constant* Zero = ConstantInt::get(Cond->getOperand(1)->getType(), 0);
2510   BinaryOperator *NewStartVal = 
2511     BinaryOperator::Create(Instruction::Sub, endVal, startVal,
2512                            "tmp", PreInsertPt);
2513   phi->setIncomingValue(inBlock, NewStartVal);
2514   Cond->setOperand(1, Zero);
2515
2516   Changed = true;
2517 }
2518
2519 bool LoopStrengthReduce::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
2520
2521   IU = &getAnalysis<IVUsers>();
2522   LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
2523   DT = &getAnalysis<DominatorTree>();
2524   SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
2525   Changed = false;
2526
2527   if (!IU->IVUsesByStride.empty()) {
2528 #ifndef NDEBUG
2529     DOUT << "\nLSR on \"" << L->getHeader()->getParent()->getNameStart()
2530          << "\" ";
2531     DEBUG(L->dump());
2532 #endif
2533
2534     // Sort the StrideOrder so we process larger strides first.
2535     std::stable_sort(IU->StrideOrder.begin(), IU->StrideOrder.end(),
2536                      StrideCompare(SE));
2537
2538     // Optimize induction variables.  Some indvar uses can be transformed to use
2539     // strides that will be needed for other purposes.  A common example of this
2540     // is the exit test for the loop, which can often be rewritten to use the
2541     // computation of some other indvar to decide when to terminate the loop.
2542     OptimizeIndvars(L);
2543
2544     // Change loop terminating condition to use the postinc iv when possible
2545     // and optimize loop terminating compare. FIXME: Move this after
2546     // StrengthReduceStridedIVUsers?
2547     OptimizeLoopTermCond(L);
2548
2549     // FIXME: We can shrink overlarge IV's here.  e.g. if the code has
2550     // computation in i64 values and the target doesn't support i64, demote
2551     // the computation to 32-bit if safe.
2552
2553     // FIXME: Attempt to reuse values across multiple IV's.  In particular, we
2554     // could have something like "for(i) { foo(i*8); bar(i*16) }", which should
2555     // be codegened as "for (j = 0;; j+=8) { foo(j); bar(j+j); }" on X86/PPC.
2556     // Need to be careful that IV's are all the same type.  Only works for
2557     // intptr_t indvars.
2558
2559     // IVsByStride keeps IVs for one particular loop.
2560     assert(IVsByStride.empty() && "Stale entries in IVsByStride?");
2561
2562     // Note: this processes each stride/type pair individually.  All users
2563     // passed into StrengthReduceStridedIVUsers have the same type AND stride.
2564     // Also, note that we iterate over IVUsesByStride indirectly by using
2565     // StrideOrder. This extra layer of indirection makes the ordering of
2566     // strides deterministic - not dependent on map order.
2567     for (unsigned Stride = 0, e = IU->StrideOrder.size();
2568          Stride != e; ++Stride) {
2569       std::map<SCEVHandle, IVUsersOfOneStride *>::iterator SI =
2570         IU->IVUsesByStride.find(IU->StrideOrder[Stride]);
2571       assert(SI != IU->IVUsesByStride.end() && "Stride doesn't exist!");
2572       // FIXME: Generalize to non-affine IV's.
2573       if (!SI->first->isLoopInvariant(L))
2574         continue;
2575       StrengthReduceStridedIVUsers(SI->first, *SI->second, L);
2576     }
2577   }
2578
2579   // After all sharing is done, see if we can adjust the loop to test against
2580   // zero instead of counting up to a maximum.  This is usually faster.
2581   OptimizeLoopCountIV(L);
2582
2583   // We're done analyzing this loop; release all the state we built up for it.
2584   IVsByStride.clear();
2585   StrideNoReuse.clear();
2586
2587   // Clean up after ourselves
2588   if (!DeadInsts.empty())
2589     DeleteTriviallyDeadInstructions();
2590
2591   // At this point, it is worth checking to see if any recurrence PHIs are also
2592   // dead, so that we can remove them as well.
2593   DeleteDeadPHIs(L->getHeader());
2594
2595   return Changed;
2596 }