Now that Reassociate's LinearizeExprTree can look through arbitrary expression
[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 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
24 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
25 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
26 #include "llvm/Constants.h"
27 #include "llvm/DerivedTypes.h"
28 #include "llvm/Function.h"
29 #include "llvm/Instructions.h"
30 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
31 #include "llvm/Pass.h"
32 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Support/Debug.h"
36 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
41 #include "llvm/ADT/SmallMap.h"
42 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include <algorithm>
45 using namespace llvm;
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 /// PrintOps - 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     WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, 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
116 namespace {
117   class Reassociate : public FunctionPass {
118     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
119     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
120     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
121     bool MadeChange;
122   public:
123     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
124     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
125       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
126     }
127
128     bool runOnFunction(Function &F);
129
130     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
131       AU.setPreservesCFG();
132     }
133   private:
134     void BuildRankMap(Function &F);
135     unsigned getRank(Value *V);
136     Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
137     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
138     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
139                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
140     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
141     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
142                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
143     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
144                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
145     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
146     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
147     void EraseInst(Instruction *I);
148     void OptimizeInst(Instruction *I);
149   };
150 }
151
152 char Reassociate::ID = 0;
153 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
154                 "Reassociate expressions", false, false)
155
156 // Public interface to the Reassociate pass
157 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
158
159 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
160 /// opcode and if it only has one use.
161 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
162   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
163       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
164     return cast<BinaryOperator>(V);
165   return 0;
166 }
167
168 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
169   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
170       I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
171       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
172       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
173       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
174       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
175        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
176       I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
177       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
178       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
179       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
180       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
181       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
182     return true;
183   return false;
184 }
185
186 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
187   unsigned i = 2;
188
189   // Assign distinct ranks to function arguments
190   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
191     ValueRankMap[&*I] = ++i;
192
193   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
194   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
195          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
196     BasicBlock *BB = *I;
197     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
198
199     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
200     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
201     // all different in the block.
202     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
203       if (isUnmovableInstruction(I))
204         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
205   }
206 }
207
208 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
209   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
210   if (I == 0) {
211     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
212     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
213   }
214
215   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
216     return Rank;    // Rank already known?
217
218   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
219   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
220   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
221   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
222   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
223   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
224        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
225     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
226
227   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
228   // assures us that X and ~X will have the same rank.
229   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
230       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
231     ++Rank;
232
233   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
234   //     << Rank << "\n");
235
236   return ValueRankMap[I] = Rank;
237 }
238
239 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
240 ///
241 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
242   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
243
244   BinaryOperator *Res =
245     BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
246   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Neg->getType())); // Drop use of op.
247   Res->takeName(Neg);
248   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
249   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
250   return Res;
251 }
252
253 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
254 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
255 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
256 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
257 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
258 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
259   if (Bitwidth < 3)
260     return Bitwidth - 1;
261   return Bitwidth - 2;
262 }
263
264 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
265 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
266 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
267 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
268 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
269 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
270 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
271 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
272   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
273   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
274   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
275   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
276   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
277   // weight back into range if wrapping would be wrong.
278
279   // If RHS is zero then the weight didn't change.
280   if (RHS.isMinValue())
281     return;
282   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
283   if (LHS.isMinValue()) {
284     LHS = RHS;
285     return;
286   }
287   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
288
289   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
290     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
291     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
292     // not a problem.
293     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
294     return; // Return a weight of 1.
295   }
296   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
297     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
298     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
299     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
300     return;
301   }
302   if (Opcode == Instruction::Add) {
303     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
304     LHS += RHS;
305     return;
306   }
307
308   assert(Opcode == Instruction::Mul && "Unknown associative operation!");
309   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
310   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
311   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
312   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
313   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
314   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
315   // which by a happy accident means that they can always be represented using
316   // Bitwidth bits.
317   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
318   // the Carmichael number).
319   if (Bitwidth > 3) {
320     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
321     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
322     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
323     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
324     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
325     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
326     LHS += RHS;
327     while (LHS.uge(Threshold))
328       LHS -= CM;
329   } else {
330     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
331     // a larger type.
332     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
333     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
334     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
335            "Weights not reduced!");
336     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
337     while (Total >= Threshold)
338       Total -= CM;
339     LHS = Total;
340   }
341 }
342
343 /// EvaluateRepeatedConstant - Compute C op C op ... op C where the constant C
344 /// is repeated Weight times.
345 static Constant *EvaluateRepeatedConstant(unsigned Opcode, Constant *C,
346                                           APInt Weight) {
347   // For addition the result can be efficiently computed as the product of the
348   // constant and the weight.
349   if (Opcode == Instruction::Add)
350     return ConstantExpr::getMul(C, ConstantInt::get(C->getContext(), Weight));
351
352   // The weight might be huge, so compute by repeated squaring to ensure that
353   // compile time is proportional to the logarithm of the weight.
354   Constant *Result = 0;
355   Constant *Power = C; // Successively C, C op C, (C op C) op (C op C) etc.
356   // Visit the bits in Weight.
357   while (Weight != 0) {
358     // If the current bit in Weight is non-zero do Result = Result op Power.
359     if (Weight[0])
360       Result = Result ? ConstantExpr::get(Opcode, Result, Power) : Power;
361     // Move on to the next bit if any more are non-zero.
362     Weight = Weight.lshr(1);
363     if (Weight.isMinValue())
364       break;
365     // Square the power.
366     Power = ConstantExpr::get(Opcode, Power, Power);
367   }
368
369   assert(Result && "Only positive weights supported!");
370   return Result;
371 }
372
373 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
374
375 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
376 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
377 /// original expression is the same as
378 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
379 /// op 
380 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
381 /// op
382 ///   ...
383 /// op
384 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
385 ///
386 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct, and
387 /// they are all non-constant except possibly for the last one, which if it is
388 /// constant will have weight one (Ops[N].second === 1).
389 ///
390 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
391 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
392 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
393 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
394 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
395 ///
396 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
397 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
398 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
399 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
400 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
401 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
402 /// use is a non-leaf node of the expression.
403 ///
404 /// For example:
405 ///           expression graph        node names
406 ///
407 ///                     +        |        I
408 ///                    / \       |
409 ///                   +   +      |      A,  B
410 ///                  / \ / \     |
411 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
412 ///                / \ / \ / \   |
413 ///                   +   *      |      F,  G
414 ///
415 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
416 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
417 ///
418 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
419 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
420 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
421 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
422 ///
423 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
424 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
425 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
426 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
427 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
428 /// made a change by returning 'true'.
429 ///
430 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
431 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
432 ///
433 ///                     +        |        I
434 ///                    / \       |
435 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
436 ///                  / \   \     |
437 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
438 ///                / \ / \ / \   |
439 ///                   +   *      |      F,  G
440 ///
441 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
442 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
443 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
444 /// which requires passing through a phi node.
445 ///
446 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
447 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
448 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
449 /// type and thus make the expression bigger.
450
451 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
452                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
453   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
454   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
455   unsigned Opcode = I->getOpcode();
456   assert(Instruction::isAssociative(Opcode) &&
457          Instruction::isCommutative(Opcode) &&
458          "Expected an associative and commutative operation!");
459
460   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
461   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
462   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
463   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
464   // while A has weight two.
465
466   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
467   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
468   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
469   // ways to get to it.
470   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
471   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
472   bool MadeChange = false;
473
474   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
475   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
476   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
477   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
478   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
479   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
480   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
481   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
482   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
483   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
484   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
485   // are explored.
486
487   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
488   // paths to each leaf seen so far.
489   typedef SmallMap<Value*, APInt, 8> LeafMap;
490   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
491   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
492
493 #ifndef NDEBUG
494   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
495 #endif
496   while (!Worklist.empty()) {
497     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
498     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
499
500     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
501       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
502       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
503       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
504       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
505
506       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
507       // add its operands to the expression.
508       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
509         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
510         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
511         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
512         continue;
513       }
514
515       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
516       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
517       if (It == Leaves.end()) {
518         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
519         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
520         if (!Op->hasOneUse()) {
521           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
522           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
523           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
524           LeafOrder.push_back(Op);
525           Leaves[Op] = Weight;
526           continue;
527         }
528         // No uses outside the expression, try morphing it.
529       } else if (It != Leaves.end()) {
530         // Already in the leaf map.
531         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
532
533         // Update the number of paths to the leaf.
534         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
535
536         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
537         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
538         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
539         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
540         MadeChange = true;
541
542         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
543         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
544         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
545         // its operands to the expression.
546         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
547           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
548           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
549           Leaves.erase(It);
550           continue;
551         }
552
553         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
554         // then it is not safe to modify the value.
555         if (!Op->hasOneUse())
556           continue;
557
558         // No uses outside the expression, try morphing it.
559         Weight = It->second;
560         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
561       }
562
563       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
564       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
565       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
566       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
567       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
568               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
569              "Should have been handled above!");
570       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
571
572       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
573       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
574       BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
575       if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
576         DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
577         BO = LowerNegateToMultiply(BO);
578         DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
579         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
580         MadeChange = true;
581         continue;
582       }
583
584       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
585       // a leaf.
586       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
587       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
588       LeafOrder.push_back(Op);
589       Leaves[Op] = Weight;
590     }
591   }
592
593   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
594   // form of the expression.
595   Constant *Cst = 0; // Accumulate constants here.
596   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
597     Value *V = LeafOrder[i];
598     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
599     if (It == Leaves.end())
600       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
601       continue;
602     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
603     APInt Weight = It->second;
604     if (Weight.isMinValue())
605       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
606       continue;
607     // Ensure the leaf is only output once.
608     It->second = 0;
609     // Glob all constants together into Cst.
610     if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
611       C = EvaluateRepeatedConstant(Opcode, C, Weight);
612       Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, Cst, C) : C;
613       continue;
614     }
615     // Add non-constant
616     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
617   }
618
619   // Add any constants back into Ops, all globbed together and reduced to having
620   // weight 1 for the convenience of users.
621   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType()))
622     Ops.push_back(std::make_pair(Cst, APInt(Bitwidth, 1)));
623
624   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
625   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
626   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
627   if (Ops.empty()) {
628     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
629     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
630   }
631
632   return MadeChange;
633 }
634
635 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
636 // linearized and optimized, emit them in-order.
637 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
638                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
639   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
640
641   // Since our optimizations never increase the number of operations, the new
642   // expression can always be written by reusing the existing binary operators
643   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
644   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
645   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
646   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
647   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
648   // nsw flags.
649
650   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
651   /// the new expression into.
652   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
653   unsigned Opcode = I->getOpcode();
654   NodesToRewrite.push_back(I);
655
656   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
657   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
658   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
659   BinaryOperator *ExpressionChanged = 0;
660   BinaryOperator *Previous;
661   BinaryOperator *Op = 0;
662   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
663     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
664            "Optimized expressions has more nodes than original!");
665     Previous = Op; Op = NodesToRewrite.pop_back_val();
666     if (ExpressionChanged)
667       // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
668       // that the expression tree is dominated by all of Ops.
669       Op->moveBefore(Previous);
670
671     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
672     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
673     // a subexpression.
674     if (i+2 == Ops.size()) {
675       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
676       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
677       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
678       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
679
680       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
681         // Nothing changed, leave it alone.
682         break;
683
684       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
685         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
686         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
687         Op->swapOperands();
688         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
689         MadeChange = true;
690         ++NumChanged;
691         break;
692       }
693
694       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
695       // the old operands with the new ones.
696       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
697       if (NewLHS != OldLHS) {
698         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode))
699           NodesToRewrite.push_back(BO);
700         Op->setOperand(0, NewLHS);
701       }
702       if (NewRHS != OldRHS) {
703         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode))
704           NodesToRewrite.push_back(BO);
705         Op->setOperand(1, NewRHS);
706       }
707       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
708
709       ExpressionChanged = Op;
710       MadeChange = true;
711       ++NumChanged;
712
713       break;
714     }
715
716     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
717     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
718     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
719     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
720       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
721       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
722         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
723         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
724         Op->swapOperands();
725       } else {
726         // Overwrite with the new right-hand side.
727         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode))
728           NodesToRewrite.push_back(BO);
729         Op->setOperand(1, NewRHS);
730         ExpressionChanged = Op;
731       }
732       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
733       MadeChange = true;
734       ++NumChanged;
735     }
736
737     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
738     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
739     // into it.
740     if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode)) {
741       NodesToRewrite.push_back(BO);
742       continue;
743     }
744
745     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
746     // the left-hand side.
747     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
748            "Optimized expressions has more nodes than original!");
749     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
750     Op->setOperand(0, NodesToRewrite.back());
751     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
752     ExpressionChanged = Op;
753     MadeChange = true;
754     ++NumChanged;
755   }
756
757   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
758   // starting from the operator specified in ExpressionChanged.
759   if (ExpressionChanged) {
760     do {
761       ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
762       if (ExpressionChanged == I)
763         break;
764       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->use_begin());
765     } while (1);
766   }
767
768   // Throw away any left over nodes from the original expression.
769   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
770     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
771 }
772
773 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
774 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
775 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
776 /// that should be processed next by the reassociation pass.
777 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
778   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
779     return ConstantExpr::getNeg(C);
780
781   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
782   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
783   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
784   // this means that we turn this:
785   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
786   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
787   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
788   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
789   //
790   if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
791     // Push the negates through the add.
792     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
793     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
794
795     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
796     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
797     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
798     // instruction we are about to insert after them.
799     //
800     I->moveBefore(BI);
801     I->setName(I->getName()+".neg");
802     return I;
803   }
804
805   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
806   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
807   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
808     User *U = *UI;
809     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
810
811     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
812     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
813     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
814     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
815     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
816
817     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
818     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
819       continue;
820
821     BasicBlock::iterator InsertPt;
822     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
823       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
824         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
825       } else {
826         InsertPt = InstInput;
827         ++InsertPt;
828       }
829       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
830     } else {
831       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
832     }
833     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
834     return TheNeg;
835   }
836
837   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
838   // negation.
839   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
840 }
841
842 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
843 /// X-Y into (X + -Y).
844 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
845   // If this is a negation, we can't split it up!
846   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
847     return false;
848
849   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
850   // subtract or if this is only used by one.
851   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
852       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
853     return true;
854   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
855       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
856     return true;
857   if (Sub->hasOneUse() &&
858       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
859        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
860     return true;
861
862   return false;
863 }
864
865 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
866 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
867 /// reassociation.
868 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
869   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
870   // instructions to be commuted with other add instructions.
871   //
872   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
873   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
874   //
875   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
876   BinaryOperator *New =
877     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
878   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
879   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
880   New->takeName(Sub);
881
882   // Everyone now refers to the add instruction.
883   Sub->replaceAllUsesWith(New);
884   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
885
886   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
887   return New;
888 }
889
890 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
891 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
892 /// reassociation.
893 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
894   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
895   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
896
897   BinaryOperator *Mul =
898     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
899   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
900   Mul->takeName(Shl);
901   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
902   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
903   return Mul;
904 }
905
906 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
907 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
908 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
909 /// same rank.
910 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
911                                   Value *X) {
912   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
913   unsigned e = Ops.size();
914   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
915     if (Ops[j].Op == X)
916       return j;
917   // Scan backwards.
918   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
919     if (Ops[j].Op == X)
920       return j;
921   return i;
922 }
923
924 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
925 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
926 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
927                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
928   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
929
930   Value *V1 = Ops.back();
931   Ops.pop_back();
932   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
933   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
934 }
935
936 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
937 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
938 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
939 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
940   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
941   if (!BO) return 0;
942
943   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
944   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
945   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
946   Factors.reserve(Tree.size());
947   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
948     RepeatedValue E = Tree[i];
949     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
950                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
951   }
952
953   bool FoundFactor = false;
954   bool NeedsNegate = false;
955   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
956     if (Factors[i].Op == Factor) {
957       FoundFactor = true;
958       Factors.erase(Factors.begin()+i);
959       break;
960     }
961
962     // If this is a negative version of this factor, remove it.
963     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
964       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
965         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
966           FoundFactor = NeedsNegate = true;
967           Factors.erase(Factors.begin()+i);
968           break;
969         }
970   }
971
972   if (!FoundFactor) {
973     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
974     RewriteExprTree(BO, Factors);
975     return 0;
976   }
977
978   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
979
980   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
981   // remaining operand.
982   if (Factors.size() == 1) {
983     RedoInsts.insert(BO);
984     V = Factors[0].Op;
985   } else {
986     RewriteExprTree(BO, Factors);
987     V = BO;
988   }
989
990   if (NeedsNegate)
991     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
992
993   return V;
994 }
995
996 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
997 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
998 ///
999 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1000 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1001                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1002                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1003   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
1004   if (!BO) {
1005     Factors.push_back(V);
1006     return;
1007   }
1008
1009   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1010   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1011   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1012 }
1013
1014 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1015 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1016 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1017 /// necessary.
1018 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1019                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1020   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1021   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1022   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1023     // First, check for X and ~X in the operand list.
1024     assert(i < Ops.size());
1025     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1026       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1027       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1028       if (FoundX != i) {
1029         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1030           return Constant::getNullValue(X->getType());
1031
1032         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1033           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1034       }
1035     }
1036
1037     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1038     // each other, due to our sorting criteria.
1039     assert(i < Ops.size());
1040     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1041       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1042         // Drop duplicate values for And and Or.
1043         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1044         --i; --e;
1045         ++NumAnnihil;
1046         continue;
1047       }
1048
1049       // Drop pairs of values for Xor.
1050       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1051       if (e == 2)
1052         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1053
1054       // Y ^ X^X -> Y
1055       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1056       i -= 1; e -= 2;
1057       ++NumAnnihil;
1058     }
1059   }
1060   return 0;
1061 }
1062
1063 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1064 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1065 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1066 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1067                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1068   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1069   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
1070   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1071   //
1072   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
1073   //
1074   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1075     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1076     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1077     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1078     // that these need to be next to each other in the vector.
1079     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1080       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1081       unsigned NumFound = 0;
1082       do {
1083         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1084         ++NumFound;
1085       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1086
1087       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1088       ++NumFactor;
1089
1090       // Insert a new multiply.
1091       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
1092       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
1093
1094       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1095       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1096       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1097       RedoInsts.insert(cast<Instruction>(Mul));
1098
1099       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1100       if (Ops.empty())
1101         return Mul;
1102
1103       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1104       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1105       // things being added by this operation.
1106       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1107
1108       --i;
1109       e = Ops.size();
1110       continue;
1111     }
1112
1113     // Check for X and -X in the operand list.
1114     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
1115       continue;
1116
1117     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1118     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1119     if (FoundX == i)
1120       continue;
1121
1122     // Remove X and -X from the operand list.
1123     if (Ops.size() == 2)
1124       return Constant::getNullValue(X->getType());
1125
1126     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1127     if (i < FoundX)
1128       --FoundX;
1129     else
1130       --i;   // Need to back up an extra one.
1131     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1132     ++NumAnnihil;
1133     --i;     // Revisit element.
1134     e -= 2;  // Removed two elements.
1135   }
1136
1137   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1138   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1139   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1140   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1141   // for any ADD operands that are MULs.
1142   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1143
1144   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1145   // where they are actually the same multiply.
1146   unsigned MaxOcc = 0;
1147   Value *MaxOccVal = 0;
1148   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1149     BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1150     if (!BOp)
1151       continue;
1152
1153     // Compute all of the factors of this added value.
1154     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1155     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1156     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1157
1158     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1159     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1160     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1161       Value *Factor = Factors[i];
1162       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
1163
1164       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1165       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1166
1167       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1168       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1169       // cannot be positivified.
1170       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
1171         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1172           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1173           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1174                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1175
1176           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1177           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1178         }
1179     }
1180   }
1181
1182   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1183   if (MaxOcc > 1) {
1184     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1185     ++NumFactor;
1186
1187     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1188     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1189     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1190     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1191     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1192     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1193     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1194       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1195       BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1196       if (!BOp)
1197         continue;
1198
1199       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1200         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1201         // one fell swoop.
1202         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1203           --j;
1204           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1205             NewMulOps.push_back(V);
1206             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1207           }
1208         }
1209         --i;
1210       }
1211     }
1212
1213     // No need for extra uses anymore.
1214     delete DummyInst;
1215
1216     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1217     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1218
1219     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1220     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1221     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1222     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1223     (void)NumAddedValues;
1224     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1225       RedoInsts.insert(VI);
1226
1227     // Create the multiply.
1228     Instruction *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
1229
1230     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1231     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1232     RedoInsts.insert(V2);
1233
1234     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1235     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1236     if (Ops.empty())
1237       return V2;
1238
1239     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1240     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1241     // things being added by this operation.
1242     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1243   }
1244
1245   return 0;
1246 }
1247
1248 namespace {
1249   /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
1250   struct IsValueInMap {
1251     const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
1252
1253     IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
1254
1255     bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
1256       return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
1257     }
1258   };
1259 }
1260
1261 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1262 ///
1263 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1264 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1265 /// the order of descending power.
1266 ///
1267 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1268 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1269 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1270 ///
1271 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1272 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1273                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1274   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1275   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1276   unsigned FactorPowerSum = 0;
1277   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1278     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1279
1280     // Count the number of occurrences of this value.
1281     unsigned Count = 1;
1282     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1283       ++Count;
1284     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1285     if (Count > 1)
1286       FactorPowerSum += Count;
1287   }
1288
1289   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1290   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1291   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1292   // trying to simplify already minimal formations.
1293   if (FactorPowerSum < 4)
1294     return false;
1295
1296   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1297   FactorPowerSum = 0;
1298   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1299     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1300
1301     // Count the number of occurrences of this value.
1302     unsigned Count = 1;
1303     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1304       ++Count;
1305     if (Count == 1)
1306       continue;
1307     // Move an even number of occurrences to Factors.
1308     Count &= ~1U;
1309     Idx -= Count;
1310     FactorPowerSum += Count;
1311     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1312     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1313   }
1314
1315   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1316   // below our mininum of '4'.
1317   assert(FactorPowerSum >= 4);
1318
1319   std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1320   return true;
1321 }
1322
1323 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1324 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1325                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1326   if (Ops.size() == 1)
1327     return Ops.back();
1328
1329   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1330   do {
1331     LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1332   } while (!Ops.empty());
1333
1334   return LHS;
1335 }
1336
1337 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1338 ///
1339 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1340 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1341 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1342 /// value.
1343 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1344                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1345   assert(Factors[0].Power);
1346   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1347   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1348        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1349     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1350       LastIdx = Idx;
1351       continue;
1352     }
1353
1354     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1355     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1356     // for that.
1357     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1358     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1359     do {
1360       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1361       ++Idx;
1362     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1363
1364     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1365     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1366     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1367     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1368       RedoInsts.insert(MI);
1369
1370     LastIdx = Idx;
1371   }
1372   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1373   // base.
1374   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1375                             Factor::PowerEqual()),
1376                 Factors.end());
1377
1378   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1379   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1380   // expression.
1381   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1382     if (Factors[Idx].Power & 1)
1383       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1384     Factors[Idx].Power >>= 1;
1385   }
1386   if (Factors[0].Power) {
1387     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1388     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1389     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1390   }
1391   if (OuterProduct.size() == 1)
1392     return OuterProduct.front();
1393
1394   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1395   return V;
1396 }
1397
1398 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1399                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1400   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1401   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1402   if (Ops.size() < 4)
1403     return 0;
1404
1405   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1406   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1407   // re-use.
1408   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1409   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1410     return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1411
1412   IRBuilder<> Builder(I);
1413   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1414   if (Ops.empty())
1415     return V;
1416
1417   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1418   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1419   return 0;
1420 }
1421
1422 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1423                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1424   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1425   // Start by folding any constants that we found.
1426   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1427
1428   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1429
1430   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
1431     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
1432       Ops.pop_back();
1433       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
1434       return OptimizeExpression(I, Ops);
1435     }
1436
1437   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
1438   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
1439     switch (Opcode) {
1440     default: break;
1441     case Instruction::And:
1442       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
1443         return CstVal;
1444       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
1445         Ops.pop_back();
1446       break;
1447     case Instruction::Mul:
1448       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
1449         ++NumAnnihil;
1450         return CstVal;
1451       }
1452
1453       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
1454         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
1455       break;
1456     case Instruction::Or:
1457       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
1458         return CstVal;
1459       // FALLTHROUGH!
1460     case Instruction::Add:
1461     case Instruction::Xor:
1462       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
1463         Ops.pop_back();
1464       break;
1465     }
1466   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1467
1468   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1469   // argument list here.
1470   unsigned NumOps = Ops.size();
1471   switch (Opcode) {
1472   default: break;
1473   case Instruction::And:
1474   case Instruction::Or:
1475   case Instruction::Xor:
1476     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1477       return Result;
1478     break;
1479
1480   case Instruction::Add:
1481     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1482       return Result;
1483     break;
1484
1485   case Instruction::Mul:
1486     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1487       return Result;
1488     break;
1489   }
1490
1491   if (Ops.size() != NumOps)
1492     return OptimizeExpression(I, Ops);
1493   return 0;
1494 }
1495
1496 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1497 /// work list.
1498 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1499   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1500   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1501   // Erase the dead instruction.
1502   ValueRankMap.erase(I);
1503   I->eraseFromParent();
1504   // Optimize its operands.
1505   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1506     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1507       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1508       // and add that since that's where optimization actually happens.
1509       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1510       while (Op->hasOneUse() && Op->use_back()->getOpcode() == Opcode)
1511         Op = Op->use_back();
1512       RedoInsts.insert(Op);
1513     }
1514 }
1515
1516 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
1517 /// instructions is not allowed.
1518 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
1519   // Only consider operations that we understand.
1520   if (!isa<BinaryOperator>(I))
1521     return;
1522
1523   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1524       isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1525     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
1526     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
1527     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
1528         (I->hasOneUse() &&
1529          (isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul) ||
1530           isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Add)))) {
1531       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
1532       RedoInsts.insert(I);
1533       MadeChange = true;
1534       I = NI;
1535     }
1536
1537   // Floating point binary operators are not associative, but we can still
1538   // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
1539   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
1540   // other transformations simpler.
1541   if ((I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy())) {
1542     // FAdd and FMul can be commuted.
1543     if (I->getOpcode() != Instruction::FMul &&
1544         I->getOpcode() != Instruction::FAdd)
1545       return;
1546
1547     Value *LHS = I->getOperand(0);
1548     Value *RHS = I->getOperand(1);
1549     unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1550     unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1551
1552     // Sort the operands by rank.
1553     if (RHSRank < LHSRank) {
1554       I->setOperand(0, RHS);
1555       I->setOperand(1, LHS);
1556     }
1557
1558     return;
1559   }
1560
1561   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1562   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1563   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1564   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1565   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1566   // optimized for the most likely conditions.
1567   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
1568     return;
1569
1570   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1571   // see if we can convert it to X+-Y.
1572   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1573     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
1574       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
1575       RedoInsts.insert(I);
1576       MadeChange = true;
1577       I = NI;
1578     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
1579       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1580       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1581       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1582           (!I->hasOneUse() ||
1583            !isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul))) {
1584         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
1585         RedoInsts.insert(I);
1586         MadeChange = true;
1587         I = NI;
1588       }
1589     }
1590   }
1591
1592   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
1593   if (!I->isAssociative()) return;
1594   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
1595
1596   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1597   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1598   if (BO->hasOneUse() && BO->use_back()->getOpcode() == BO->getOpcode())
1599     return;
1600
1601   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
1602   // until we process the subtract.
1603   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
1604       cast<Instruction>(BO->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1605     return;
1606
1607   ReassociateExpression(BO);
1608 }
1609
1610 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1611
1612   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1613   // operand information.
1614   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1615   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
1616   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1617   Ops.reserve(Tree.size());
1618   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1619     RepeatedValue E = Tree[i];
1620     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
1621                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1622   }
1623
1624   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1625
1626   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1627   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1628   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1629   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1630   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1631   // the vector.
1632   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1633
1634   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1635   // sorted form, optimize it globally if possible.
1636   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1637     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1638     // eliminate it.
1639     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1640     I->replaceAllUsesWith(V);
1641     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1642       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1643     RedoInsts.insert(I);
1644     ++NumAnnihil;
1645     return V;
1646   }
1647
1648   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1649   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1650   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1651   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1652   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1653       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1654       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1655       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1656     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1657     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1658   }
1659
1660   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1661
1662   if (Ops.size() == 1) {
1663     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1664     // eliminate it.
1665     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1666     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
1667       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1668     RedoInsts.insert(I);
1669     return Ops[0].Op;
1670   }
1671
1672   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1673   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1674   RewriteExprTree(I, Ops);
1675   return I;
1676 }
1677
1678 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1679   // Calculate the rank map for F
1680   BuildRankMap(F);
1681
1682   MadeChange = false;
1683   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
1684     // Optimize every instruction in the basic block.
1685     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
1686       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
1687         EraseInst(II++);
1688       } else {
1689         OptimizeInst(II);
1690         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
1691         ++II;
1692       }
1693
1694     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
1695     while (!RedoInsts.empty()) {
1696       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
1697       if (isInstructionTriviallyDead(I))
1698         EraseInst(I);
1699       else
1700         OptimizeInst(I);
1701     }
1702   }
1703
1704   // We are done with the rank map.
1705   RankMap.clear();
1706   ValueRankMap.clear();
1707
1708   return MadeChange;
1709 }