[RewriteStatepointsForGC] Make base pointer inference deterministic
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
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 pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
24 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
25 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
26 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
27 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
28 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
29 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
30 #include "llvm/IR/CFG.h"
31 #include "llvm/IR/Constants.h"
32 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
33 #include "llvm/IR/Function.h"
34 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/IR/Instructions.h"
36 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
37 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
38 #include "llvm/Pass.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include <algorithm>
43 using namespace llvm;
44
45 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
46
47 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
48 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
49 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
50
51 namespace {
52   struct ValueEntry {
53     unsigned Rank;
54     Value *Op;
55     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
56   };
57   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
58     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
59   }
60 }
61
62 #ifndef NDEBUG
63 /// Print out the expression identified in the Ops list.
64 ///
65 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
66   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
67   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
68        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
69   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
70     dbgs() << "[ ";
71     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
72     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
73   }
74 }
75 #endif
76
77 namespace {
78   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
79   /// factor of some product.
80   struct Factor {
81     Value *Base;
82     unsigned Power;
83
84     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
85
86     /// \brief Sort factors by their Base.
87     struct BaseSorter {
88       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
89         return LHS.Base < RHS.Base;
90       }
91     };
92
93     /// \brief Compare factors for equal bases.
94     struct BaseEqual {
95       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
96         return LHS.Base == RHS.Base;
97       }
98     };
99
100     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
101     struct PowerDescendingSorter {
102       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
103         return LHS.Power > RHS.Power;
104       }
105     };
106
107     /// \brief Compare factors for equal powers.
108     struct PowerEqual {
109       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
110         return LHS.Power == RHS.Power;
111       }
112     };
113   };
114   
115   /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
116   /// non-constant Xor-Operands into two categories:
117   ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
118   ///  C2)
119   ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
120   ///          constant.
121   ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
122   ///          operand as "E | 0"
123   class XorOpnd {
124   public:
125     XorOpnd(Value *V);
126
127     bool isInvalid() const { return SymbolicPart == nullptr; }
128     bool isOrExpr() const { return isOr; }
129     Value *getValue() const { return OrigVal; }
130     Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
131     unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
132     const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
133
134     void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = nullptr; }
135     void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
136
137     // Sort the XorOpnd-Pointer in ascending order of symbolic-value-rank.
138     // The purpose is twofold:
139     // 1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
140     // 2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which 
141     //   could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
142     //   Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME). 
143     //   So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier 
144     //   than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
145     //   "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
146     struct PtrSortFunctor {
147       bool operator()(XorOpnd * const &LHS, XorOpnd * const &RHS) {
148         return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
149       }
150     };
151   private:
152     Value *OrigVal;
153     Value *SymbolicPart;
154     APInt ConstPart;
155     unsigned SymbolicRank;
156     bool isOr;
157   };
158 }
159
160 namespace {
161   class Reassociate : public FunctionPass {
162     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
163     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
164     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
165     bool MadeChange;
166   public:
167     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
168     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
169       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
170     }
171
172     bool runOnFunction(Function &F) override;
173
174     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
175       AU.setPreservesCFG();
176     }
177   private:
178     void BuildRankMap(Function &F);
179     unsigned getRank(Value *V);
180     void canonicalizeOperands(Instruction *I);
181     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
182     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
183     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
184                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
185     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
186     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
187     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
188                         Value *&Res);
189     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
190                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
191     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
192                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
193     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
194                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
195     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
196     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
197     void EraseInst(Instruction *I);
198     void OptimizeInst(Instruction *I);
199     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
200   };
201 }
202
203 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
204   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
205   OrigVal = V;
206   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
207   SymbolicRank = 0;
208
209   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
210             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
211     Value *V0 = I->getOperand(0);
212     Value *V1 = I->getOperand(1);
213     if (isa<ConstantInt>(V0))
214       std::swap(V0, V1);
215
216     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
217       ConstPart = C->getValue();
218       SymbolicPart = V0;
219       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
220       return;
221     }
222   }
223
224   // view the operand as "V | 0"
225   SymbolicPart = V;
226   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
227   isOr = true;
228 }
229
230 char Reassociate::ID = 0;
231 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
232                 "Reassociate expressions", false, false)
233
234 // Public interface to the Reassociate pass
235 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
236
237 /// Return true if V is an instruction of the specified opcode and if it
238 /// only has one use.
239 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
240   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
241       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode &&
242       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
243        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
244     return cast<BinaryOperator>(V);
245   return nullptr;
246 }
247
248 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
249                                         unsigned Opcode2) {
250   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
251       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
252        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
253       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
254        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
255     return cast<BinaryOperator>(V);
256   return nullptr;
257 }
258
259 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
260   unsigned i = 2;
261
262   // Assign distinct ranks to function arguments.
263   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
264     ValueRankMap[&*I] = ++i;
265     DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << I->getName() << "] = " << i << "\n");
266   }
267
268   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
269   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
270          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
271     BasicBlock *BB = *I;
272     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
273
274     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
275     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
276     // all different in the block.
277     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
278       if (mayBeMemoryDependent(*I))
279         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
280   }
281 }
282
283 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
284   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
285   if (!I) {
286     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
287     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
288   }
289
290   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
291     return Rank;    // Rank already known?
292
293   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
294   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
295   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
296   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
297   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
298   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
299        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
300     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
301
302   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
303   // assures us that X and ~X will have the same rank.
304   if  (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
305        !BinaryOperator::isFNeg(I))
306     ++Rank;
307
308   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
309
310   return ValueRankMap[I] = Rank;
311 }
312
313 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
314 void Reassociate::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
315   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
316   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
317
318   Value *LHS = I->getOperand(0);
319   Value *RHS = I->getOperand(1);
320   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
321   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
322
323   if (isa<Constant>(RHS))
324     return;
325
326   if (isa<Constant>(LHS) || RHSRank < LHSRank)
327     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
328 }
329
330 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
331                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
332   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
333     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
334   else {
335     BinaryOperator *Res =
336         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
337     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
338     return Res;
339   }
340 }
341
342 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
343                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
344   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
345     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
346   else {
347     BinaryOperator *Res =
348       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
349     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
350     return Res;
351   }
352 }
353
354 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
355                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
356   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
357     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
358   else {
359     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
360     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
361     return Res;
362   }
363 }
364
365 /// Replace 0-X with X*-1.
366 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
367   Type *Ty = Neg->getType();
368   Constant *NegOne = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
369     ConstantInt::getAllOnesValue(Ty) : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
370
371   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
372   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
373   Res->takeName(Neg);
374   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
375   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
376   return Res;
377 }
378
379 /// Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda is the Carmichael
380 /// function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
381 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
382 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
383 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
384 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
385   if (Bitwidth < 3)
386     return Bitwidth - 1;
387   return Bitwidth - 2;
388 }
389
390 /// Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
391 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
392 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
393 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
394 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
395 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
396 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
397 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
398   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
399   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
400   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
401   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
402   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
403   // weight back into range if wrapping would be wrong.
404
405   // If RHS is zero then the weight didn't change.
406   if (RHS.isMinValue())
407     return;
408   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
409   if (LHS.isMinValue()) {
410     LHS = RHS;
411     return;
412   }
413   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
414
415   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
416     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
417     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
418     // not a problem.
419     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
420     return; // Return a weight of 1.
421   }
422   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
423     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
424     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
425     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
426     return;
427   }
428   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
429     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
430     LHS += RHS;
431     return;
432   }
433
434   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
435          "Unknown associative operation!");
436   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
437   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
438   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
439   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
440   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
441   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
442   // which by a happy accident means that they can always be represented using
443   // Bitwidth bits.
444   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
445   // the Carmichael number).
446   if (Bitwidth > 3) {
447     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
448     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
449     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
450     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
451     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
452     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
453     LHS += RHS;
454     while (LHS.uge(Threshold))
455       LHS -= CM;
456   } else {
457     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
458     // a larger type.
459     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
460     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
461     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
462            "Weights not reduced!");
463     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
464     while (Total >= Threshold)
465       Total -= CM;
466     LHS = Total;
467   }
468 }
469
470 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
471
472 /// Given an associative binary expression, return the leaf
473 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
474 /// original expression is the same as
475 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
476 /// op
477 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
478 /// op
479 ///   ...
480 /// op
481 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
482 ///
483 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
484 ///
485 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
486 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
487 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
488 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
489 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
490 ///
491 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
492 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
493 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
494 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
495 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
496 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
497 /// use is a non-leaf node of the expression.
498 ///
499 /// For example:
500 ///           expression graph        node names
501 ///
502 ///                     +        |        I
503 ///                    / \       |
504 ///                   +   +      |      A,  B
505 ///                  / \ / \     |
506 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
507 ///                / \ / \ / \   |
508 ///                   +   *      |      F,  G
509 ///
510 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
511 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
512 ///
513 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
514 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
515 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
516 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
517 ///
518 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
519 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
520 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
521 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
522 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
523 /// made a change by returning 'true'.
524 ///
525 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
526 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
527 ///
528 ///                     +        |        I
529 ///                    / \       |
530 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
531 ///                  / \   \     |
532 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
533 ///                / \ / \ / \   |
534 ///                   +   *      |      F,  G
535 ///
536 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
537 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
538 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
539 /// which requires passing through a phi node.
540 ///
541 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
542 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
543 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
544 /// type and thus make the expression bigger.
545
546 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
547                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
548   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
549   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
550   unsigned Opcode = I->getOpcode();
551   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
552          "Expected an associative and commutative operation!");
553
554   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
555   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
556   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
557   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
558   // while A has weight two.
559
560   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
561   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
562   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
563   // ways to get to it.
564   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
565   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
566   bool Changed = false;
567
568   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
569   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
570   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
571   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
572   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
573   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
574   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
575   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
576   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
577   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
578   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
579   // are explored.
580
581   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
582   // paths to each leaf seen so far.
583   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
584   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
585   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
586
587 #ifndef NDEBUG
588   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
589 #endif
590   while (!Worklist.empty()) {
591     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
592     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
593
594     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
595       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
596       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
597       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
598       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
599
600       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
601       // add its operands to the expression.
602       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
603         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
604         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
605         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
606         continue;
607       }
608
609       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
610       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
611       if (It == Leaves.end()) {
612         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
613         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
614         if (!Op->hasOneUse()) {
615           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
616           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
617           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
618           LeafOrder.push_back(Op);
619           Leaves[Op] = Weight;
620           continue;
621         }
622         // No uses outside the expression, try morphing it.
623       } else if (It != Leaves.end()) {
624         // Already in the leaf map.
625         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
626
627         // Update the number of paths to the leaf.
628         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
629
630 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
631         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
632         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
633         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
634         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
635         Changed = true;
636
637         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
638         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
639         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
640         // its operands to the expression.
641         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
642           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
643           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
644           Leaves.erase(It);
645           continue;
646         }
647 #endif
648
649         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
650         // then it is not safe to modify the value.
651         if (!Op->hasOneUse())
652           continue;
653
654         // No uses outside the expression, try morphing it.
655         Weight = It->second;
656         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
657       }
658
659       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
660       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
661       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
662       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
663       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
664               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
665               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
666                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
667              "Should have been handled above!");
668       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
669
670       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
671       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
672       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
673         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
674             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
675           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
676           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
677           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
678           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
679           Changed = true;
680           continue;
681         }
682
683       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
684       // a leaf.
685       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
686       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
687       LeafOrder.push_back(Op);
688       Leaves[Op] = Weight;
689     }
690   }
691
692   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
693   // form of the expression.
694   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
695     Value *V = LeafOrder[i];
696     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
697     if (It == Leaves.end())
698       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
699       continue;
700     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
701     APInt Weight = It->second;
702     if (Weight.isMinValue())
703       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
704       continue;
705     // Ensure the leaf is only output once.
706     It->second = 0;
707     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
708   }
709
710   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
711   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
712   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
713   if (Ops.empty()) {
714     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
715     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
716     Ops.emplace_back(Identity, APInt(Bitwidth, 1));
717   }
718
719   return Changed;
720 }
721
722 /// Now that the operands for this expression tree are
723 /// linearized and optimized, emit them in-order.
724 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
725                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
726   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
727
728   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
729   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
730   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
731   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
732   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
733   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
734   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
735   // nsw flags.
736
737   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
738   /// the new expression into.
739   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
740   unsigned Opcode = I->getOpcode();
741   BinaryOperator *Op = I;
742
743   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
744   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
745   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
746   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
747   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
748   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
749   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
750   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
751   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
752   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
753   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
754   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
755     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
756
757   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
758   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
759   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
760   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
761   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
762     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
763     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
764     // a subexpression.
765     if (i+2 == Ops.size()) {
766       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
767       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
768       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
769       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
770
771       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
772         // Nothing changed, leave it alone.
773         break;
774
775       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
776         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
777         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
778         Op->swapOperands();
779         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
780         MadeChange = true;
781         ++NumChanged;
782         break;
783       }
784
785       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
786       // the old operands with the new ones.
787       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
788       if (NewLHS != OldLHS) {
789         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
790         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
791           NodesToRewrite.push_back(BO);
792         Op->setOperand(0, NewLHS);
793       }
794       if (NewRHS != OldRHS) {
795         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
796         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
797           NodesToRewrite.push_back(BO);
798         Op->setOperand(1, NewRHS);
799       }
800       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
801
802       ExpressionChanged = Op;
803       MadeChange = true;
804       ++NumChanged;
805
806       break;
807     }
808
809     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
810     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
811     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
812     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
813       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
814       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
815         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
816         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
817         Op->swapOperands();
818       } else {
819         // Overwrite with the new right-hand side.
820         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
821         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
822           NodesToRewrite.push_back(BO);
823         Op->setOperand(1, NewRHS);
824         ExpressionChanged = Op;
825       }
826       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
827       MadeChange = true;
828       ++NumChanged;
829     }
830
831     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
832     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
833     // into it.
834     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
835     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
836       Op = BO;
837       continue;
838     }
839
840     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
841     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
842     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
843     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
844     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
845     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
846     // stupid, create a new node if there are none left.
847     BinaryOperator *NewOp;
848     if (NodesToRewrite.empty()) {
849       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
850       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
851                                      Undef, Undef, "", I);
852       if (NewOp->getType()->isFPOrFPVectorTy())
853         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
854     } else {
855       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
856     }
857
858     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
859     Op->setOperand(0, NewOp);
860     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
861     ExpressionChanged = Op;
862     MadeChange = true;
863     ++NumChanged;
864     Op = NewOp;
865   }
866
867   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
868   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
869   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
870   // expression tree is dominated by all of Ops.
871   if (ExpressionChanged)
872     do {
873       // Preserve FastMathFlags.
874       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
875         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
876         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
877         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
878       } else
879         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
880
881       if (ExpressionChanged == I)
882         break;
883       ExpressionChanged->moveBefore(I);
884       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
885     } while (1);
886
887   // Throw away any left over nodes from the original expression.
888   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
889     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
890 }
891
892 /// Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
893 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
894 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
895 /// that should be processed next by the reassociation pass.
896 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
897   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
898     if (C->getType()->isFPOrFPVectorTy()) {
899       return ConstantExpr::getFNeg(C);
900     }
901     return ConstantExpr::getNeg(C);
902   }
903
904
905   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
906   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
907   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
908   // this means that we turn this:
909   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
910   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
911   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
912   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
913   //
914   if (BinaryOperator *I =
915           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
916     // Push the negates through the add.
917     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
918     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
919     if (I->getOpcode() == Instruction::Add) {
920       I->setHasNoUnsignedWrap(false);
921       I->setHasNoSignedWrap(false);
922     }
923
924     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
925     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
926     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
927     // instruction we are about to insert after them.
928     //
929     I->moveBefore(BI);
930     I->setName(I->getName()+".neg");
931     return I;
932   }
933
934   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
935   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
936   for (User *U : V->users()) {
937     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
938       continue;
939
940     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
941     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
942     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
943     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
944     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
945
946     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
947     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
948       continue;
949
950     BasicBlock::iterator InsertPt;
951     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
952       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
953         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
954       } else if (auto *CPI = dyn_cast<CatchPadInst>(InstInput)) {
955         InsertPt = CPI->getNormalDest()->begin();
956       } else {
957         InsertPt = InstInput;
958         ++InsertPt;
959       }
960       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
961     } else {
962       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
963     }
964     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
965     if (TheNeg->getOpcode() == Instruction::Sub) {
966       TheNeg->setHasNoUnsignedWrap(false);
967       TheNeg->setHasNoSignedWrap(false);
968     } else {
969       TheNeg->andIRFlags(BI);
970     }
971     return TheNeg;
972   }
973
974   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
975   // negation.
976   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
977 }
978
979 /// Return true if we should break up this subtract of X-Y into (X + -Y).
980 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
981   // If this is a negation, we can't split it up!
982   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
983     return false;
984
985   // Don't breakup X - undef.
986   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
987     return false;
988
989   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
990   // subtract or if this is only used by one.
991   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
992   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
993       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
994     return true;
995   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
996   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
997       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
998     return true;
999   Value *VB = Sub->user_back();
1000   if (Sub->hasOneUse() &&
1001       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1002        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1003     return true;
1004
1005   return false;
1006 }
1007
1008 /// If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is only used by an
1009 /// add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better reassociation.
1010 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1011   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1012   // instructions to be commuted with other add instructions.
1013   //
1014   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1015   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1016   //
1017   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1018   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1019   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1020   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1021   New->takeName(Sub);
1022
1023   // Everyone now refers to the add instruction.
1024   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1025   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1026
1027   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1028   return New;
1029 }
1030
1031 /// If this is a shift of a reassociable multiply or is used by one, change
1032 /// this into a multiply by a constant to assist with further reassociation.
1033 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1034   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1035   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1036
1037   BinaryOperator *Mul =
1038     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1039   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1040   Mul->takeName(Shl);
1041
1042   // Everyone now refers to the mul instruction.
1043   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1044   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1045
1046   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1047   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1048   // handling.
1049   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1050   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1051   if (NSW && NUW)
1052     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1053   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1054   return Mul;
1055 }
1056
1057 /// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i
1058 /// to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
1059 /// scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
1060 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1061                                   Value *X) {
1062   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1063   unsigned e = Ops.size();
1064   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1065     if (Ops[j].Op == X)
1066       return j;
1067     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1068       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1069         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1070           return j;
1071   }
1072   // Scan backwards.
1073   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1074     if (Ops[j].Op == X)
1075       return j;
1076     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1077       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1078         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1079           return j;
1080   }
1081   return i;
1082 }
1083
1084 /// Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1085 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1086 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1087                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1088   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1089
1090   Value *V1 = Ops.back();
1091   Ops.pop_back();
1092   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1093   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1094 }
1095
1096 /// If V is an expression tree that is a multiplication sequence,
1097 /// and if this sequence contains a multiply by Factor,
1098 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1099 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1100   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1101   if (!BO)
1102     return nullptr;
1103
1104   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1105   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1106   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1107   Factors.reserve(Tree.size());
1108   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1109     RepeatedValue E = Tree[i];
1110     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1111                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1112   }
1113
1114   bool FoundFactor = false;
1115   bool NeedsNegate = false;
1116   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1117     if (Factors[i].Op == Factor) {
1118       FoundFactor = true;
1119       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1120       break;
1121     }
1122
1123     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1124     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1125       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1126         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1127           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1128           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1129           break;
1130         }
1131     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1132       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1133         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1134         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1135         F2.changeSign();
1136         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1137           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1138           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1139           break;
1140         }
1141       }
1142     }
1143   }
1144
1145   if (!FoundFactor) {
1146     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1147     RewriteExprTree(BO, Factors);
1148     return nullptr;
1149   }
1150
1151   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1152
1153   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1154   // remaining operand.
1155   if (Factors.size() == 1) {
1156     RedoInsts.insert(BO);
1157     V = Factors[0].Op;
1158   } else {
1159     RewriteExprTree(BO, Factors);
1160     V = BO;
1161   }
1162
1163   if (NeedsNegate)
1164     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1165
1166   return V;
1167 }
1168
1169 /// If V is a single-use multiply, recursively add its operands as factors,
1170 /// otherwise add V to the list of factors.
1171 ///
1172 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1173 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1174                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1175                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1176   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1177   if (!BO) {
1178     Factors.push_back(V);
1179     return;
1180   }
1181
1182   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1183   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1184   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1185 }
1186
1187 /// Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor' instruction.
1188 /// This optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value,
1189 /// it is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1190 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1191                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1192   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1193   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1194   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1195     // First, check for X and ~X in the operand list.
1196     assert(i < Ops.size());
1197     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1198       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1199       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1200       if (FoundX != i) {
1201         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1202           return Constant::getNullValue(X->getType());
1203
1204         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1205           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1206       }
1207     }
1208
1209     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1210     // each other, due to our sorting criteria.
1211     assert(i < Ops.size());
1212     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1213       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1214         // Drop duplicate values for And and Or.
1215         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1216         --i; --e;
1217         ++NumAnnihil;
1218         continue;
1219       }
1220
1221       // Drop pairs of values for Xor.
1222       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1223       if (e == 2)
1224         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1225
1226       // Y ^ X^X -> Y
1227       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1228       i -= 1; e -= 2;
1229       ++NumAnnihil;
1230     }
1231   }
1232   return nullptr;
1233 }
1234
1235 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1236 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1237 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1238 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1239 /// be returned.
1240 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1241                              const APInt &ConstOpnd) {
1242   if (ConstOpnd != 0) {
1243     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1244       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1245       Instruction *I;
1246       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1247                                     "and.ra", InsertBefore);
1248       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1249       return I;
1250     }
1251     return Opnd;
1252   }
1253   return nullptr;
1254 }
1255
1256 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1257 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1258 //
1259 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1260 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1261 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1262 //  
1263 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1264                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1265   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1266   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1267   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1268   // It is useful only when c1 == c2.
1269   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1270     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1271       return false;
1272
1273     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1274     if (C1 != ConstOpnd)
1275       return false;
1276
1277     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1278     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1279     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1280     ConstOpnd ^= C1;
1281
1282     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1283       RedoInsts.insert(T);
1284     return true;
1285   }
1286   return false;
1287 }
1288
1289                            
1290 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1291 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1292 // symbolic value. 
1293 // 
1294 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1295 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1296 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1297 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1298 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1299                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1300   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1301   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1302     return false;
1303
1304   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1305   int DeadInstNum = 1;
1306   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1307     DeadInstNum++;
1308   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1309     DeadInstNum++;
1310
1311   // Xor-Rule 2:
1312   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1313   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1314   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1315   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1316   //
1317   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1318     if (Opnd2->isOrExpr())
1319       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1320
1321     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1322     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1323     APInt C3((~C1) ^ C2);
1324
1325     // Do not increase code size!
1326     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1327       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1328       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1329         return false;
1330     }
1331
1332     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1333     ConstOpnd ^= C1;
1334
1335   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1336     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1337     //
1338     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1339     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1340     APInt C3 = C1 ^ C2;
1341     
1342     // Do not increase code size
1343     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1344       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1345       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1346         return false;
1347     }
1348
1349     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1350     ConstOpnd ^= C3;
1351   } else {
1352     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1353     //
1354     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1355     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1356     APInt C3 = C1 ^ C2;
1357     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1358   }
1359
1360   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1361   // as dead code.
1362   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1363     RedoInsts.insert(T);
1364   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1365     RedoInsts.insert(T);
1366
1367   return true;
1368 }
1369
1370 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1371 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1372 /// necessary.
1373 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1374                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1375   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1376     return V;
1377       
1378   if (Ops.size() == 1)
1379     return nullptr;
1380
1381   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1382   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1383   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1384   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1385
1386   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1387   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1388     Value *V = Ops[i].Op;
1389     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1390       XorOpnd O(V);
1391       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1392       Opnds.push_back(O);
1393     } else
1394       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1395   }
1396
1397   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1398   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1399   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1400   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1401   //  when new elements are added to the vector.
1402   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1403     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1404
1405   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1406   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1407   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1408   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1409   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1410
1411   // Step 3: Combine adjacent operands
1412   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1413   bool Changed = false;
1414   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1415     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1416     // The combined value
1417     Value *CV;
1418
1419     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1420     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1421       Changed = true;
1422       if (CV)
1423         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1424       else {
1425         CurrOpnd->Invalidate();
1426         continue;
1427       }
1428     }
1429
1430     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1431       PrevOpnd = CurrOpnd;
1432       continue;
1433     }
1434
1435     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1436     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1437     //    
1438     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1439       // Remove previous operand
1440       PrevOpnd->Invalidate();
1441       if (CV) {
1442         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1443         PrevOpnd = CurrOpnd;
1444       } else {
1445         CurrOpnd->Invalidate();
1446         PrevOpnd = nullptr;
1447       }
1448       Changed = true;
1449     }
1450   }
1451
1452   // Step 4: Reassemble the Ops
1453   if (Changed) {
1454     Ops.clear();
1455     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1456       XorOpnd &O = Opnds[i];
1457       if (O.isInvalid())
1458         continue;
1459       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1460       Ops.push_back(VE);
1461     }
1462     if (ConstOpnd != 0) {
1463       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1464       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1465       Ops.push_back(VE);
1466     }
1467     int Sz = Ops.size();
1468     if (Sz == 1)
1469       return Ops.back().Op;
1470     else if (Sz == 0) {
1471       assert(ConstOpnd == 0);
1472       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1473     }
1474   }
1475
1476   return nullptr;
1477 }
1478
1479 /// Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1480 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1481 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1482 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1483                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1484   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1485   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1486   // scan for any
1487   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1488
1489   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1490     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1491     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1492     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1493     // that these need to be next to each other in the vector.
1494     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1495       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1496       unsigned NumFound = 0;
1497       do {
1498         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1499         ++NumFound;
1500       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1501
1502       DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1503       ++NumFactor;
1504
1505       // Insert a new multiply.
1506       Type *Ty = TheOp->getType();
1507       Constant *C = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
1508         ConstantInt::get(Ty, NumFound) : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1509       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1510
1511       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1512       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1513       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1514       RedoInsts.insert(Mul);
1515
1516       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1517       if (Ops.empty())
1518         return Mul;
1519
1520       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1521       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1522       // things being added by this operation.
1523       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1524
1525       --i;
1526       e = Ops.size();
1527       continue;
1528     }
1529
1530     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1531     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1532         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1533       continue;
1534
1535     Value *X = nullptr;
1536     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1537       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1538     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1539       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1540
1541     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1542     if (FoundX == i)
1543       continue;
1544
1545     // Remove X and -X from the operand list.
1546     if (Ops.size() == 2 &&
1547         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1548       return Constant::getNullValue(X->getType());
1549
1550     // Remove X and ~X from the operand list.
1551     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1552       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1553
1554     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1555     if (i < FoundX)
1556       --FoundX;
1557     else
1558       --i;   // Need to back up an extra one.
1559     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1560     ++NumAnnihil;
1561     --i;     // Revisit element.
1562     e -= 2;  // Removed two elements.
1563
1564     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1565     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1566       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1567       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1568       e += 1;
1569     }
1570   }
1571
1572   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1573   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1574   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1575   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1576   // for any ADD operands that are MULs.
1577   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1578
1579   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1580   // where they are actually the same multiply.
1581   unsigned MaxOcc = 0;
1582   Value *MaxOccVal = nullptr;
1583   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1584     BinaryOperator *BOp =
1585         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1586     if (!BOp)
1587       continue;
1588
1589     // Compute all of the factors of this added value.
1590     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1591     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1592     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1593
1594     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1595     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1596     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1597       Value *Factor = Factors[i];
1598       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1599         continue;
1600
1601       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1602       if (Occ > MaxOcc) {
1603         MaxOcc = Occ;
1604         MaxOccVal = Factor;
1605       }
1606
1607       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1608       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1609       // cannot be positivified.
1610       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1611         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1612           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1613           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1614                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1615           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1616           if (Occ > MaxOcc) {
1617             MaxOcc = Occ;
1618             MaxOccVal = Factor;
1619           }
1620         }
1621       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1622         if (CF->isNegative()) {
1623           APFloat F(CF->getValueAPF());
1624           F.changeSign();
1625           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1626           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1627                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1628           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1629           if (Occ > MaxOcc) {
1630             MaxOcc = Occ;
1631             MaxOccVal = Factor;
1632           }
1633         }
1634       }
1635     }
1636   }
1637
1638   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1639   if (MaxOcc > 1) {
1640     DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1641     ++NumFactor;
1642
1643     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1644     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1645     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1646     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1647     Instruction *DummyInst =
1648         I->getType()->isIntOrIntVectorTy()
1649             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1650             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1651
1652     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1653     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1654       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1655       BinaryOperator *BOp =
1656           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1657       if (!BOp)
1658         continue;
1659
1660       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1661         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1662         // one fell swoop.
1663         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1664           --j;
1665           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1666             NewMulOps.push_back(V);
1667             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1668           }
1669         }
1670         --i;
1671       }
1672     }
1673
1674     // No need for extra uses anymore.
1675     delete DummyInst;
1676
1677     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1678     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1679
1680     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1681     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1682     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1683     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1684     (void)NumAddedValues;
1685     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1686       RedoInsts.insert(VI);
1687
1688     // Create the multiply.
1689     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1690
1691     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1692     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1693     RedoInsts.insert(V2);
1694
1695     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1696     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1697     if (Ops.empty())
1698       return V2;
1699
1700     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1701     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1702     // things being added by this operation.
1703     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1704   }
1705
1706   return nullptr;
1707 }
1708
1709 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1710 ///
1711 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1712 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1713 /// the order of descending power.
1714 ///
1715 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1716 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1717 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1718 ///
1719 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1720 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1721                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1722   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1723   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1724   unsigned FactorPowerSum = 0;
1725   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1726     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1727
1728     // Count the number of occurrences of this value.
1729     unsigned Count = 1;
1730     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1731       ++Count;
1732     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1733     if (Count > 1)
1734       FactorPowerSum += Count;
1735   }
1736
1737   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1738   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1739   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1740   // trying to simplify already minimal formations.
1741   if (FactorPowerSum < 4)
1742     return false;
1743
1744   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1745   FactorPowerSum = 0;
1746   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1747     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1748
1749     // Count the number of occurrences of this value.
1750     unsigned Count = 1;
1751     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1752       ++Count;
1753     if (Count == 1)
1754       continue;
1755     // Move an even number of occurrences to Factors.
1756     Count &= ~1U;
1757     Idx -= Count;
1758     FactorPowerSum += Count;
1759     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1760     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1761   }
1762
1763   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1764   // below our mininum of '4'.
1765   assert(FactorPowerSum >= 4);
1766
1767   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1768   return true;
1769 }
1770
1771 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1772 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1773                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1774   if (Ops.size() == 1)
1775     return Ops.back();
1776
1777   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1778   do {
1779     if (LHS->getType()->isIntOrIntVectorTy())
1780       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1781     else
1782       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1783   } while (!Ops.empty());
1784
1785   return LHS;
1786 }
1787
1788 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1789 ///
1790 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1791 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1792 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1793 /// value.
1794 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1795                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1796   assert(Factors[0].Power);
1797   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1798   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1799        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1800     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1801       LastIdx = Idx;
1802       continue;
1803     }
1804
1805     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1806     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1807     // for that.
1808     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1809     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1810     do {
1811       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1812       ++Idx;
1813     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1814
1815     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1816     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1817     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1818     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1819       RedoInsts.insert(MI);
1820
1821     LastIdx = Idx;
1822   }
1823   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1824   // base.
1825   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1826                             Factor::PowerEqual()),
1827                 Factors.end());
1828
1829   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1830   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1831   // expression.
1832   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1833     if (Factors[Idx].Power & 1)
1834       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1835     Factors[Idx].Power >>= 1;
1836   }
1837   if (Factors[0].Power) {
1838     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1839     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1840     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1841   }
1842   if (OuterProduct.size() == 1)
1843     return OuterProduct.front();
1844
1845   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1846   return V;
1847 }
1848
1849 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1850                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1851   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1852   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1853   if (Ops.size() < 4)
1854     return nullptr;
1855
1856   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1857   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1858   // re-use.
1859   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1860   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1861     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1862
1863   IRBuilder<> Builder(I);
1864   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1865   if (Ops.empty())
1866     return V;
1867
1868   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1869   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1870   return nullptr;
1871 }
1872
1873 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1874                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1875   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1876   // Start by folding any constants that we found.
1877   Constant *Cst = nullptr;
1878   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1879   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1880     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1881     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1882   }
1883   // If there was nothing but constants then we are done.
1884   if (Ops.empty())
1885     return Cst;
1886
1887   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1888   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1889   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1890   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1891     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1892       return Cst;
1893     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1894   }
1895
1896   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1897
1898   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1899   // argument list here.
1900   unsigned NumOps = Ops.size();
1901   switch (Opcode) {
1902   default: break;
1903   case Instruction::And:
1904   case Instruction::Or:
1905     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1906       return Result;
1907     break;
1908
1909   case Instruction::Xor:
1910     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1911       return Result;
1912     break;
1913
1914   case Instruction::Add:
1915   case Instruction::FAdd:
1916     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1917       return Result;
1918     break;
1919
1920   case Instruction::Mul:
1921   case Instruction::FMul:
1922     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1923       return Result;
1924     break;
1925   }
1926
1927   if (Ops.size() != NumOps)
1928     return OptimizeExpression(I, Ops);
1929   return nullptr;
1930 }
1931
1932 /// Zap the given instruction, adding interesting operands to the work list.
1933 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1934   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1935   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1936   // Erase the dead instruction.
1937   ValueRankMap.erase(I);
1938   RedoInsts.remove(I);
1939   I->eraseFromParent();
1940   // Optimize its operands.
1941   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1942   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1943     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1944       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1945       // and add that since that's where optimization actually happens.
1946       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1947       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1948              Visited.insert(Op).second)
1949         Op = Op->user_back();
1950       RedoInsts.insert(Op);
1951     }
1952 }
1953
1954 // Canonicalize expressions of the following form:
1955 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1956 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1957 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1958   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1959     return nullptr;
1960
1961   // Must be a fmul or fdiv instruction.
1962   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1963   if (Opcode != Instruction::FMul && Opcode != Instruction::FDiv)
1964     return nullptr;
1965
1966   auto *C0 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(0));
1967   auto *C1 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(1));
1968
1969   // Both operands are constant, let it get constant folded away.
1970   if (C0 && C1)
1971     return nullptr;
1972
1973   ConstantFP *CF = C0 ? C0 : C1;
1974
1975   // Must have one constant operand.
1976   if (!CF)
1977     return nullptr;
1978
1979   // Must be a negative ConstantFP.
1980   if (!CF->isNegative())
1981     return nullptr;
1982
1983   // User must be a binary operator with one or more uses.
1984   Instruction *User = I->user_back();
1985   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->hasNUsesOrMore(1))
1986     return nullptr;
1987
1988   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
1989   if (UserOpcode != Instruction::FAdd && UserOpcode != Instruction::FSub)
1990     return nullptr;
1991
1992   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
1993   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
1994   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
1995     return nullptr;
1996
1997   // Change the sign of the constant.
1998   APFloat Val = CF->getValueAPF();
1999   Val.changeSign();
2000   I->setOperand(C0 ? 0 : 1, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2001
2002   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2003   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2004   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2005     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2006
2007   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2008   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2009   BinaryOperator *NI;
2010   switch (UserOpcode) {
2011   default:
2012     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2013   case Instruction::FAdd:
2014     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2015     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2016     break;
2017   case Instruction::FSub:
2018     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2019     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2020     break;
2021   }
2022
2023   NI->insertBefore(User);
2024   NI->setName(User->getName());
2025   User->replaceAllUsesWith(NI);
2026   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2027   RedoInsts.insert(I);
2028   MadeChange = true;
2029   return NI;
2030 }
2031
2032 /// Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2033 /// instructions is not allowed.
2034 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2035   // Only consider operations that we understand.
2036   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2037     return;
2038
2039   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2040     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2041     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2042     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2043         (I->hasOneUse() &&
2044          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2045           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2046       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2047       RedoInsts.insert(I);
2048       MadeChange = true;
2049       I = NI;
2050     }
2051
2052   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2053   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2054     I = Res;
2055
2056   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2057   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2058   // transformations simpler.
2059   if (I->isCommutative())
2060     canonicalizeOperands(I);
2061
2062   // TODO: We should optimize vector Xor instructions, but they are
2063   // currently unsupported.
2064   if (I->getType()->isVectorTy() && I->getOpcode() == Instruction::Xor)
2065     return;
2066
2067   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2068   if (I->getType()->isFloatingPointTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2069     return;
2070
2071   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2072   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2073   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2074   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2075   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2076   // optimized for the most likely conditions.
2077   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2078     return;
2079
2080   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2081   // see if we can convert it to X+-Y.
2082   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2083     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2084       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2085       RedoInsts.insert(I);
2086       MadeChange = true;
2087       I = NI;
2088     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2089       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2090       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2091       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2092           (!I->hasOneUse() ||
2093            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2094         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2095         RedoInsts.insert(I);
2096         MadeChange = true;
2097         I = NI;
2098       }
2099     }
2100   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2101     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2102       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2103       RedoInsts.insert(I);
2104       MadeChange = true;
2105       I = NI;
2106     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2107       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2108       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2109       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2110           (!I->hasOneUse() ||
2111            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2112         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2113         RedoInsts.insert(I);
2114         MadeChange = true;
2115         I = NI;
2116       }
2117     }
2118   }
2119
2120   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2121   if (!I->isAssociative()) return;
2122   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2123
2124   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2125   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2126   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2127   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2128     return;
2129
2130   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2131   // until we process the subtract.
2132   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2133       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2134     return;
2135   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2136       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2137     return;
2138
2139   ReassociateExpression(BO);
2140 }
2141
2142 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2143   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2144   // operand information.
2145   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2146   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2147   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2148   Ops.reserve(Tree.size());
2149   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2150     RepeatedValue E = Tree[i];
2151     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2152                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2153   }
2154
2155   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2156
2157   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2158   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2159   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2160   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2161   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2162   // the vector.
2163   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2164
2165   // Now that we have the expression tree in a convenient
2166   // sorted form, optimize it globally if possible.
2167   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2168     if (V == I)
2169       // Self-referential expression in unreachable code.
2170       return;
2171     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2172     // eliminate it.
2173     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2174     I->replaceAllUsesWith(V);
2175     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2176       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2177     RedoInsts.insert(I);
2178     ++NumAnnihil;
2179     return;
2180   }
2181
2182   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2183   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2184   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2185   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2186   if (I->hasOneUse()) {
2187     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2188         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2189         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2190         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2191       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2192       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2193     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2194                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2195                    Instruction::FAdd &&
2196                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2197                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2198       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2199       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2200     }
2201   }
2202
2203   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2204
2205   if (Ops.size() == 1) {
2206     if (Ops[0].Op == I)
2207       // Self-referential expression in unreachable code.
2208       return;
2209
2210     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2211     // eliminate it.
2212     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2213     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2214       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2215     RedoInsts.insert(I);
2216     return;
2217   }
2218
2219   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2220   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2221   RewriteExprTree(I, Ops);
2222 }
2223
2224 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2225   if (skipOptnoneFunction(F))
2226     return false;
2227
2228   // Calculate the rank map for F
2229   BuildRankMap(F);
2230
2231   MadeChange = false;
2232   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2233     // Optimize every instruction in the basic block.
2234     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2235       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2236         EraseInst(II++);
2237       } else {
2238         OptimizeInst(II);
2239         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2240         ++II;
2241       }
2242
2243     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2244     while (!RedoInsts.empty()) {
2245       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2246       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2247         EraseInst(I);
2248       else
2249         OptimizeInst(I);
2250     }
2251   }
2252
2253   // We are done with the rank map.
2254   RankMap.clear();
2255   ValueRankMap.clear();
2256
2257   return MadeChange;
2258 }