[Reassociate] Don't propogate flags when creating negations
[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/IR/CFG.h"
30 #include "llvm/IR/Constants.h"
31 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/IR/Function.h"
33 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
34 #include "llvm/IR/Instructions.h"
35 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
36 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Pass.h"
38 #include "llvm/Support/Debug.h"
39 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
40 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
41 #include <algorithm>
42 using namespace llvm;
43
44 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
45
46 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
47 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
48 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
49
50 namespace {
51   struct ValueEntry {
52     unsigned Rank;
53     Value *Op;
54     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
55   };
56   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
57     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
58   }
59 }
60
61 #ifndef NDEBUG
62 /// Print out the expression identified in the Ops list.
63 ///
64 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
65   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
66   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
67        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
68   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
69     dbgs() << "[ ";
70     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
71     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
72   }
73 }
74 #endif
75
76 namespace {
77   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
78   /// factor of some product.
79   struct Factor {
80     Value *Base;
81     unsigned Power;
82
83     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
84
85     /// \brief Sort factors by their Base.
86     struct BaseSorter {
87       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
88         return LHS.Base < RHS.Base;
89       }
90     };
91
92     /// \brief Compare factors for equal bases.
93     struct BaseEqual {
94       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
95         return LHS.Base == RHS.Base;
96       }
97     };
98
99     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
100     struct PowerDescendingSorter {
101       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
102         return LHS.Power > RHS.Power;
103       }
104     };
105
106     /// \brief Compare factors for equal powers.
107     struct PowerEqual {
108       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
109         return LHS.Power == RHS.Power;
110       }
111     };
112   };
113   
114   /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
115   /// non-constant Xor-Operands into two categories:
116   ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
117   ///  C2)
118   ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
119   ///          constant.
120   ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
121   ///          operand as "E | 0"
122   class XorOpnd {
123   public:
124     XorOpnd(Value *V);
125
126     bool isInvalid() const { return SymbolicPart == nullptr; }
127     bool isOrExpr() const { return isOr; }
128     Value *getValue() const { return OrigVal; }
129     Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
130     unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
131     const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
132
133     void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = nullptr; }
134     void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
135
136     // Sort the XorOpnd-Pointer in ascending order of symbolic-value-rank.
137     // The purpose is twofold:
138     // 1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
139     // 2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which 
140     //   could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
141     //   Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME). 
142     //   So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier 
143     //   than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
144     //   "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
145     struct PtrSortFunctor {
146       bool operator()(XorOpnd * const &LHS, XorOpnd * const &RHS) {
147         return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
148       }
149     };
150   private:
151     Value *OrigVal;
152     Value *SymbolicPart;
153     APInt ConstPart;
154     unsigned SymbolicRank;
155     bool isOr;
156   };
157 }
158
159 namespace {
160   class Reassociate : public FunctionPass {
161     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
162     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
163     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
164     bool MadeChange;
165   public:
166     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
167     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
168       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
169     }
170
171     bool runOnFunction(Function &F) override;
172
173     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
174       AU.setPreservesCFG();
175     }
176   private:
177     void BuildRankMap(Function &F);
178     unsigned getRank(Value *V);
179     void canonicalizeOperands(Instruction *I);
180     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
181     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
182     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
183                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
185     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
186     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
187                         Value *&Res);
188     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
189                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
190     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
191                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
192     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
193                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
194     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
195     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
196     void EraseInst(Instruction *I);
197     void OptimizeInst(Instruction *I);
198     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
199   };
200 }
201
202 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
203   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
204   OrigVal = V;
205   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
206   SymbolicRank = 0;
207
208   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
209             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
210     Value *V0 = I->getOperand(0);
211     Value *V1 = I->getOperand(1);
212     if (isa<ConstantInt>(V0))
213       std::swap(V0, V1);
214
215     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
216       ConstPart = C->getValue();
217       SymbolicPart = V0;
218       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
219       return;
220     }
221   }
222
223   // view the operand as "V | 0"
224   SymbolicPart = V;
225   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
226   isOr = true;
227 }
228
229 char Reassociate::ID = 0;
230 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
231                 "Reassociate expressions", false, false)
232
233 // Public interface to the Reassociate pass
234 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
235
236 /// Return true if V is an instruction of the specified opcode and if it
237 /// only has one use.
238 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
239   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
240       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode &&
241       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
242        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
243     return cast<BinaryOperator>(V);
244   return nullptr;
245 }
246
247 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
248                                         unsigned Opcode2) {
249   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
250       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
251        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
252       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
253        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
254     return cast<BinaryOperator>(V);
255   return nullptr;
256 }
257
258 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
259   switch (I->getOpcode()) {
260   case Instruction::PHI:
261   case Instruction::LandingPad:
262   case Instruction::Alloca:
263   case Instruction::Load:
264   case Instruction::Invoke:
265   case Instruction::UDiv:
266   case Instruction::SDiv:
267   case Instruction::FDiv:
268   case Instruction::URem:
269   case Instruction::SRem:
270   case Instruction::FRem:
271     return true;
272   case Instruction::Call:
273     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
274   default:
275     return false;
276   }
277 }
278
279 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
280   unsigned i = 2;
281
282   // Assign distinct ranks to function arguments.
283   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
284     ValueRankMap[&*I] = ++i;
285     DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << I->getName() << "] = " << i << "\n");
286   }
287
288   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
289   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
290          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
291     BasicBlock *BB = *I;
292     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
293
294     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
295     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
296     // all different in the block.
297     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
298       if (isUnmovableInstruction(I))
299         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
300   }
301 }
302
303 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
304   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
305   if (!I) {
306     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
307     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
308   }
309
310   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
311     return Rank;    // Rank already known?
312
313   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
314   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
315   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
316   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
317   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
318   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
319        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
320     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
321
322   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
323   // assures us that X and ~X will have the same rank.
324   if  (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
325        !BinaryOperator::isFNeg(I))
326     ++Rank;
327
328   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
329
330   return ValueRankMap[I] = Rank;
331 }
332
333 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
334 void Reassociate::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
335   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
336   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
337
338   Value *LHS = I->getOperand(0);
339   Value *RHS = I->getOperand(1);
340   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
341   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
342
343   if (isa<Constant>(RHS))
344     return;
345
346   if (isa<Constant>(LHS) || RHSRank < LHSRank)
347     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
348 }
349
350 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
351                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
352   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
353     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
354   else {
355     BinaryOperator *Res =
356         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
357     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
358     return Res;
359   }
360 }
361
362 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
363                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
364   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
365     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
366   else {
367     BinaryOperator *Res =
368       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
369     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
370     return Res;
371   }
372 }
373
374 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
375                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
376   if (S1->getType()->isIntOrIntVectorTy())
377     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
378   else {
379     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
380     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
381     return Res;
382   }
383 }
384
385 /// Replace 0-X with X*-1.
386 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
387   Type *Ty = Neg->getType();
388   Constant *NegOne = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
389     ConstantInt::getAllOnesValue(Ty) : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
390
391   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
392   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
393   Res->takeName(Neg);
394   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
395   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
396   return Res;
397 }
398
399 /// Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda is the Carmichael
400 /// function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
401 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
402 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
403 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
404 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
405   if (Bitwidth < 3)
406     return Bitwidth - 1;
407   return Bitwidth - 2;
408 }
409
410 /// Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
411 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
412 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
413 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
414 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
415 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
416 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
417 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
418   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
419   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
420   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
421   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
422   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
423   // weight back into range if wrapping would be wrong.
424
425   // If RHS is zero then the weight didn't change.
426   if (RHS.isMinValue())
427     return;
428   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
429   if (LHS.isMinValue()) {
430     LHS = RHS;
431     return;
432   }
433   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
434
435   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
436     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
437     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
438     // not a problem.
439     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
440     return; // Return a weight of 1.
441   }
442   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
443     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
444     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
445     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
446     return;
447   }
448   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
449     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
450     LHS += RHS;
451     return;
452   }
453
454   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
455          "Unknown associative operation!");
456   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
457   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
458   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
459   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
460   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
461   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
462   // which by a happy accident means that they can always be represented using
463   // Bitwidth bits.
464   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
465   // the Carmichael number).
466   if (Bitwidth > 3) {
467     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
468     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
469     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
470     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
471     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
472     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
473     LHS += RHS;
474     while (LHS.uge(Threshold))
475       LHS -= CM;
476   } else {
477     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
478     // a larger type.
479     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
480     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
481     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
482            "Weights not reduced!");
483     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
484     while (Total >= Threshold)
485       Total -= CM;
486     LHS = Total;
487   }
488 }
489
490 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
491
492 /// Given an associative binary expression, return the leaf
493 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
494 /// original expression is the same as
495 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
496 /// op
497 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
498 /// op
499 ///   ...
500 /// op
501 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
502 ///
503 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
504 ///
505 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
506 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
507 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
508 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
509 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
510 ///
511 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
512 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
513 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
514 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
515 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
516 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
517 /// use is a non-leaf node of the expression.
518 ///
519 /// For example:
520 ///           expression graph        node names
521 ///
522 ///                     +        |        I
523 ///                    / \       |
524 ///                   +   +      |      A,  B
525 ///                  / \ / \     |
526 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
527 ///                / \ / \ / \   |
528 ///                   +   *      |      F,  G
529 ///
530 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
531 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
532 ///
533 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
534 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
535 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
536 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
537 ///
538 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
539 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
540 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
541 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
542 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
543 /// made a change by returning 'true'.
544 ///
545 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
546 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
547 ///
548 ///                     +        |        I
549 ///                    / \       |
550 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
551 ///                  / \   \     |
552 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
553 ///                / \ / \ / \   |
554 ///                   +   *      |      F,  G
555 ///
556 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
557 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
558 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
559 /// which requires passing through a phi node.
560 ///
561 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
562 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
563 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
564 /// type and thus make the expression bigger.
565
566 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
567                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
568   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
569   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
570   unsigned Opcode = I->getOpcode();
571   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
572          "Expected an associative and commutative operation!");
573
574   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
575   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
576   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
577   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
578   // while A has weight two.
579
580   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
581   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
582   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
583   // ways to get to it.
584   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
585   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
586   bool Changed = false;
587
588   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
589   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
590   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
591   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
592   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
593   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
594   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
595   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
596   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
597   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
598   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
599   // are explored.
600
601   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
602   // paths to each leaf seen so far.
603   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
604   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
605   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
606
607 #ifndef NDEBUG
608   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
609 #endif
610   while (!Worklist.empty()) {
611     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
612     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
613
614     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
615       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
616       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
617       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
618       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
619
620       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
621       // add its operands to the expression.
622       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
623         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
624         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
625         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
626         continue;
627       }
628
629       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
630       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
631       if (It == Leaves.end()) {
632         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
633         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
634         if (!Op->hasOneUse()) {
635           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
636           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
637           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
638           LeafOrder.push_back(Op);
639           Leaves[Op] = Weight;
640           continue;
641         }
642         // No uses outside the expression, try morphing it.
643       } else if (It != Leaves.end()) {
644         // Already in the leaf map.
645         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
646
647         // Update the number of paths to the leaf.
648         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
649
650 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
651         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
652         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
653         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
654         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
655         Changed = true;
656
657         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
658         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
659         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
660         // its operands to the expression.
661         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
662           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
663           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
664           Leaves.erase(It);
665           continue;
666         }
667 #endif
668
669         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
670         // then it is not safe to modify the value.
671         if (!Op->hasOneUse())
672           continue;
673
674         // No uses outside the expression, try morphing it.
675         Weight = It->second;
676         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
677       }
678
679       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
680       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
681       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
682       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
683       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
684               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
685               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
686                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
687              "Should have been handled above!");
688       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
689
690       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
691       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
692       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
693         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
694             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
695           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
696           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
697           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
698           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
699           Changed = true;
700           continue;
701         }
702
703       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
704       // a leaf.
705       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
706       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
707       LeafOrder.push_back(Op);
708       Leaves[Op] = Weight;
709     }
710   }
711
712   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
713   // form of the expression.
714   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
715     Value *V = LeafOrder[i];
716     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
717     if (It == Leaves.end())
718       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
719       continue;
720     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
721     APInt Weight = It->second;
722     if (Weight.isMinValue())
723       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
724       continue;
725     // Ensure the leaf is only output once.
726     It->second = 0;
727     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
728   }
729
730   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
731   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
732   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
733   if (Ops.empty()) {
734     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
735     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
736     Ops.emplace_back(Identity, APInt(Bitwidth, 1));
737   }
738
739   return Changed;
740 }
741
742 /// Now that the operands for this expression tree are
743 /// linearized and optimized, emit them in-order.
744 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
745                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
746   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
747
748   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
749   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
750   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
751   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
752   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
753   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
754   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
755   // nsw flags.
756
757   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
758   /// the new expression into.
759   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
760   unsigned Opcode = I->getOpcode();
761   BinaryOperator *Op = I;
762
763   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
764   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
765   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
766   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
767   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
768   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
769   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
770   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
771   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
772   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
773   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
774   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
775     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
776
777   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
778   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
779   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
780   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
781   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
782     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
783     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
784     // a subexpression.
785     if (i+2 == Ops.size()) {
786       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
787       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
788       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
789       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
790
791       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
792         // Nothing changed, leave it alone.
793         break;
794
795       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
796         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
797         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
798         Op->swapOperands();
799         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
800         MadeChange = true;
801         ++NumChanged;
802         break;
803       }
804
805       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
806       // the old operands with the new ones.
807       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
808       if (NewLHS != OldLHS) {
809         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
810         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
811           NodesToRewrite.push_back(BO);
812         Op->setOperand(0, NewLHS);
813       }
814       if (NewRHS != OldRHS) {
815         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
816         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
817           NodesToRewrite.push_back(BO);
818         Op->setOperand(1, NewRHS);
819       }
820       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
821
822       ExpressionChanged = Op;
823       MadeChange = true;
824       ++NumChanged;
825
826       break;
827     }
828
829     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
830     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
831     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
832     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
833       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
834       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
835         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
836         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
837         Op->swapOperands();
838       } else {
839         // Overwrite with the new right-hand side.
840         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
841         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
842           NodesToRewrite.push_back(BO);
843         Op->setOperand(1, NewRHS);
844         ExpressionChanged = Op;
845       }
846       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
847       MadeChange = true;
848       ++NumChanged;
849     }
850
851     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
852     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
853     // into it.
854     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
855     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
856       Op = BO;
857       continue;
858     }
859
860     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
861     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
862     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
863     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
864     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
865     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
866     // stupid, create a new node if there are none left.
867     BinaryOperator *NewOp;
868     if (NodesToRewrite.empty()) {
869       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
870       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
871                                      Undef, Undef, "", I);
872       if (NewOp->getType()->isFPOrFPVectorTy())
873         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
874     } else {
875       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
876     }
877
878     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
879     Op->setOperand(0, NewOp);
880     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
881     ExpressionChanged = Op;
882     MadeChange = true;
883     ++NumChanged;
884     Op = NewOp;
885   }
886
887   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
888   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
889   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
890   // expression tree is dominated by all of Ops.
891   if (ExpressionChanged)
892     do {
893       // Preserve FastMathFlags.
894       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
895         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
896         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
897         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
898       } else
899         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
900
901       if (ExpressionChanged == I)
902         break;
903       ExpressionChanged->moveBefore(I);
904       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
905     } while (1);
906
907   // Throw away any left over nodes from the original expression.
908   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
909     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
910 }
911
912 /// Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
913 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
914 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
915 /// that should be processed next by the reassociation pass.
916 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
917   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
918     if (C->getType()->isFPOrFPVectorTy()) {
919       return ConstantExpr::getFNeg(C);
920     }
921     return ConstantExpr::getNeg(C);
922   }
923
924
925   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
926   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
927   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
928   // this means that we turn this:
929   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
930   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
931   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
932   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
933   //
934   if (BinaryOperator *I =
935           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
936     // Push the negates through the add.
937     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
938     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
939     if (I->getOpcode() == Instruction::Add) {
940       I->setHasNoUnsignedWrap(false);
941       I->setHasNoSignedWrap(false);
942     }
943
944     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
945     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
946     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
947     // instruction we are about to insert after them.
948     //
949     I->moveBefore(BI);
950     I->setName(I->getName()+".neg");
951     return I;
952   }
953
954   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
955   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
956   for (User *U : V->users()) {
957     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
958       continue;
959
960     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
961     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
962     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
963     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
964     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
965
966     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
967     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
968       continue;
969
970     BasicBlock::iterator InsertPt;
971     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
972       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
973         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
974       } else {
975         InsertPt = InstInput;
976         ++InsertPt;
977       }
978       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
979     } else {
980       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
981     }
982     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
983     if (TheNeg->getOpcode() == Instruction::Sub) {
984       TheNeg->setHasNoUnsignedWrap(false);
985       TheNeg->setHasNoSignedWrap(false);
986     } else {
987       TheNeg->andIRFlags(BI);
988     }
989     return TheNeg;
990   }
991
992   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
993   // negation.
994   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
995 }
996
997 /// Return true if we should break up this subtract of X-Y into (X + -Y).
998 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
999   // If this is a negation, we can't split it up!
1000   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
1001     return false;
1002
1003   // Don't breakup X - undef.
1004   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
1005     return false;
1006
1007   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
1008   // subtract or if this is only used by one.
1009   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
1010   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1011       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1012     return true;
1013   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
1014   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1015       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1016     return true;
1017   Value *VB = Sub->user_back();
1018   if (Sub->hasOneUse() &&
1019       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1020        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1021     return true;
1022
1023   return false;
1024 }
1025
1026 /// If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is only used by an
1027 /// add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better reassociation.
1028 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1029   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1030   // instructions to be commuted with other add instructions.
1031   //
1032   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1033   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1034   //
1035   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1036   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1037   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1038   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1039   New->takeName(Sub);
1040
1041   // Everyone now refers to the add instruction.
1042   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1043   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1044
1045   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1046   return New;
1047 }
1048
1049 /// If this is a shift of a reassociable multiply or is used by one, change
1050 /// this into a multiply by a constant to assist with further reassociation.
1051 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1052   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1053   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1054
1055   BinaryOperator *Mul =
1056     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1057   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1058   Mul->takeName(Shl);
1059
1060   // Everyone now refers to the mul instruction.
1061   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1062   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1063
1064   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1065   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1066   // handling.
1067   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1068   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1069   if (NSW && NUW)
1070     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1071   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1072   return Mul;
1073 }
1074
1075 /// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i
1076 /// to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This is useful when
1077 /// scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the same rank.
1078 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1079                                   Value *X) {
1080   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1081   unsigned e = Ops.size();
1082   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1083     if (Ops[j].Op == X)
1084       return j;
1085     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1086       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1087         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1088           return j;
1089   }
1090   // Scan backwards.
1091   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1092     if (Ops[j].Op == X)
1093       return j;
1094     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1095       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1096         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1097           return j;
1098   }
1099   return i;
1100 }
1101
1102 /// Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1103 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1104 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1105                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1106   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1107
1108   Value *V1 = Ops.back();
1109   Ops.pop_back();
1110   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1111   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1112 }
1113
1114 /// If V is an expression tree that is a multiplication sequence,
1115 /// and if this sequence contains a multiply by Factor,
1116 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1117 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1118   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1119   if (!BO)
1120     return nullptr;
1121
1122   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1123   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1124   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1125   Factors.reserve(Tree.size());
1126   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1127     RepeatedValue E = Tree[i];
1128     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1129                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1130   }
1131
1132   bool FoundFactor = false;
1133   bool NeedsNegate = false;
1134   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1135     if (Factors[i].Op == Factor) {
1136       FoundFactor = true;
1137       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1138       break;
1139     }
1140
1141     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1142     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1143       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1144         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1145           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1146           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1147           break;
1148         }
1149     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1150       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1151         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1152         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1153         F2.changeSign();
1154         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1155           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1156           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1157           break;
1158         }
1159       }
1160     }
1161   }
1162
1163   if (!FoundFactor) {
1164     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1165     RewriteExprTree(BO, Factors);
1166     return nullptr;
1167   }
1168
1169   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1170
1171   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1172   // remaining operand.
1173   if (Factors.size() == 1) {
1174     RedoInsts.insert(BO);
1175     V = Factors[0].Op;
1176   } else {
1177     RewriteExprTree(BO, Factors);
1178     V = BO;
1179   }
1180
1181   if (NeedsNegate)
1182     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1183
1184   return V;
1185 }
1186
1187 /// If V is a single-use multiply, recursively add its operands as factors,
1188 /// otherwise add V to the list of factors.
1189 ///
1190 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1191 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1192                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1193                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1194   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1195   if (!BO) {
1196     Factors.push_back(V);
1197     return;
1198   }
1199
1200   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1201   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1202   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1203 }
1204
1205 /// Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor' instruction.
1206 /// This optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value,
1207 /// it is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1208 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1209                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1210   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1211   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1212   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1213     // First, check for X and ~X in the operand list.
1214     assert(i < Ops.size());
1215     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1216       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1217       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1218       if (FoundX != i) {
1219         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1220           return Constant::getNullValue(X->getType());
1221
1222         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1223           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1224       }
1225     }
1226
1227     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1228     // each other, due to our sorting criteria.
1229     assert(i < Ops.size());
1230     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1231       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1232         // Drop duplicate values for And and Or.
1233         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1234         --i; --e;
1235         ++NumAnnihil;
1236         continue;
1237       }
1238
1239       // Drop pairs of values for Xor.
1240       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1241       if (e == 2)
1242         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1243
1244       // Y ^ X^X -> Y
1245       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1246       i -= 1; e -= 2;
1247       ++NumAnnihil;
1248     }
1249   }
1250   return nullptr;
1251 }
1252
1253 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1254 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1255 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1256 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1257 /// be returned.
1258 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1259                              const APInt &ConstOpnd) {
1260   if (ConstOpnd != 0) {
1261     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1262       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1263       Instruction *I;
1264       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1265                                     "and.ra", InsertBefore);
1266       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1267       return I;
1268     }
1269     return Opnd;
1270   }
1271   return nullptr;
1272 }
1273
1274 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1275 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1276 //
1277 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1278 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1279 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1280 //  
1281 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1282                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1283   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1284   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1285   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1286   // It is useful only when c1 == c2.
1287   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1288     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1289       return false;
1290
1291     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1292     if (C1 != ConstOpnd)
1293       return false;
1294
1295     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1296     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1297     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1298     ConstOpnd ^= C1;
1299
1300     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1301       RedoInsts.insert(T);
1302     return true;
1303   }
1304   return false;
1305 }
1306
1307                            
1308 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1309 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1310 // symbolic value. 
1311 // 
1312 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1313 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1314 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1315 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1316 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1317                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1318   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1319   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1320     return false;
1321
1322   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1323   int DeadInstNum = 1;
1324   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1325     DeadInstNum++;
1326   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1327     DeadInstNum++;
1328
1329   // Xor-Rule 2:
1330   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1331   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1332   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1333   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1334   //
1335   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1336     if (Opnd2->isOrExpr())
1337       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1338
1339     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1340     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1341     APInt C3((~C1) ^ C2);
1342
1343     // Do not increase code size!
1344     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1345       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1346       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1347         return false;
1348     }
1349
1350     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1351     ConstOpnd ^= C1;
1352
1353   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1354     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1355     //
1356     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1357     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1358     APInt C3 = C1 ^ C2;
1359     
1360     // Do not increase code size
1361     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1362       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1363       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1364         return false;
1365     }
1366
1367     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1368     ConstOpnd ^= C3;
1369   } else {
1370     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1371     //
1372     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1373     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1374     APInt C3 = C1 ^ C2;
1375     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1376   }
1377
1378   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1379   // as dead code.
1380   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1381     RedoInsts.insert(T);
1382   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1383     RedoInsts.insert(T);
1384
1385   return true;
1386 }
1387
1388 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1389 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1390 /// necessary.
1391 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1392                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1393   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1394     return V;
1395       
1396   if (Ops.size() == 1)
1397     return nullptr;
1398
1399   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1400   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1401   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1402   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1403
1404   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1405   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1406     Value *V = Ops[i].Op;
1407     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1408       XorOpnd O(V);
1409       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1410       Opnds.push_back(O);
1411     } else
1412       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1413   }
1414
1415   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1416   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1417   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1418   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1419   //  when new elements are added to the vector.
1420   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1421     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1422
1423   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1424   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1425   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1426   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1427   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1428
1429   // Step 3: Combine adjacent operands
1430   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1431   bool Changed = false;
1432   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1433     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1434     // The combined value
1435     Value *CV;
1436
1437     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1438     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1439       Changed = true;
1440       if (CV)
1441         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1442       else {
1443         CurrOpnd->Invalidate();
1444         continue;
1445       }
1446     }
1447
1448     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1449       PrevOpnd = CurrOpnd;
1450       continue;
1451     }
1452
1453     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1454     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1455     //    
1456     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1457       // Remove previous operand
1458       PrevOpnd->Invalidate();
1459       if (CV) {
1460         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1461         PrevOpnd = CurrOpnd;
1462       } else {
1463         CurrOpnd->Invalidate();
1464         PrevOpnd = nullptr;
1465       }
1466       Changed = true;
1467     }
1468   }
1469
1470   // Step 4: Reassemble the Ops
1471   if (Changed) {
1472     Ops.clear();
1473     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1474       XorOpnd &O = Opnds[i];
1475       if (O.isInvalid())
1476         continue;
1477       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1478       Ops.push_back(VE);
1479     }
1480     if (ConstOpnd != 0) {
1481       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1482       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1483       Ops.push_back(VE);
1484     }
1485     int Sz = Ops.size();
1486     if (Sz == 1)
1487       return Ops.back().Op;
1488     else if (Sz == 0) {
1489       assert(ConstOpnd == 0);
1490       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1491     }
1492   }
1493
1494   return nullptr;
1495 }
1496
1497 /// Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1498 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1499 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1500 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1501                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1502   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1503   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1504   // scan for any
1505   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1506
1507   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1508     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1509     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1510     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1511     // that these need to be next to each other in the vector.
1512     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1513       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1514       unsigned NumFound = 0;
1515       do {
1516         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1517         ++NumFound;
1518       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1519
1520       DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1521       ++NumFactor;
1522
1523       // Insert a new multiply.
1524       Type *Ty = TheOp->getType();
1525       Constant *C = Ty->isIntOrIntVectorTy() ?
1526         ConstantInt::get(Ty, NumFound) : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1527       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1528
1529       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1530       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1531       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1532       RedoInsts.insert(Mul);
1533
1534       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1535       if (Ops.empty())
1536         return Mul;
1537
1538       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1539       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1540       // things being added by this operation.
1541       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1542
1543       --i;
1544       e = Ops.size();
1545       continue;
1546     }
1547
1548     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1549     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1550         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1551       continue;
1552
1553     Value *X = nullptr;
1554     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1555       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1556     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1557       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1558
1559     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1560     if (FoundX == i)
1561       continue;
1562
1563     // Remove X and -X from the operand list.
1564     if (Ops.size() == 2 &&
1565         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1566       return Constant::getNullValue(X->getType());
1567
1568     // Remove X and ~X from the operand list.
1569     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1570       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1571
1572     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1573     if (i < FoundX)
1574       --FoundX;
1575     else
1576       --i;   // Need to back up an extra one.
1577     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1578     ++NumAnnihil;
1579     --i;     // Revisit element.
1580     e -= 2;  // Removed two elements.
1581
1582     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1583     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1584       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1585       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1586       e += 1;
1587     }
1588   }
1589
1590   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1591   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1592   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1593   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1594   // for any ADD operands that are MULs.
1595   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1596
1597   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1598   // where they are actually the same multiply.
1599   unsigned MaxOcc = 0;
1600   Value *MaxOccVal = nullptr;
1601   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1602     BinaryOperator *BOp =
1603         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1604     if (!BOp)
1605       continue;
1606
1607     // Compute all of the factors of this added value.
1608     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1609     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1610     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1611
1612     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1613     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1614     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1615       Value *Factor = Factors[i];
1616       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1617         continue;
1618
1619       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1620       if (Occ > MaxOcc) {
1621         MaxOcc = Occ;
1622         MaxOccVal = Factor;
1623       }
1624
1625       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1626       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1627       // cannot be positivified.
1628       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1629         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1630           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1631           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1632                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1633           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1634           if (Occ > MaxOcc) {
1635             MaxOcc = Occ;
1636             MaxOccVal = Factor;
1637           }
1638         }
1639       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1640         if (CF->isNegative()) {
1641           APFloat F(CF->getValueAPF());
1642           F.changeSign();
1643           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1644           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1645                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1646           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1647           if (Occ > MaxOcc) {
1648             MaxOcc = Occ;
1649             MaxOccVal = Factor;
1650           }
1651         }
1652       }
1653     }
1654   }
1655
1656   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1657   if (MaxOcc > 1) {
1658     DEBUG(dbgs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1659     ++NumFactor;
1660
1661     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1662     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1663     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1664     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1665     Instruction *DummyInst =
1666         I->getType()->isIntOrIntVectorTy()
1667             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1668             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1669
1670     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1671     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1672       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1673       BinaryOperator *BOp =
1674           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1675       if (!BOp)
1676         continue;
1677
1678       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1679         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1680         // one fell swoop.
1681         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1682           --j;
1683           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1684             NewMulOps.push_back(V);
1685             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1686           }
1687         }
1688         --i;
1689       }
1690     }
1691
1692     // No need for extra uses anymore.
1693     delete DummyInst;
1694
1695     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1696     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1697
1698     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1699     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1700     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1701     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1702     (void)NumAddedValues;
1703     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1704       RedoInsts.insert(VI);
1705
1706     // Create the multiply.
1707     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1708
1709     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1710     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1711     RedoInsts.insert(V2);
1712
1713     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1714     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1715     if (Ops.empty())
1716       return V2;
1717
1718     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1719     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1720     // things being added by this operation.
1721     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1722   }
1723
1724   return nullptr;
1725 }
1726
1727 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1728 ///
1729 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1730 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1731 /// the order of descending power.
1732 ///
1733 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1734 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1735 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1736 ///
1737 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1738 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1739                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1740   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1741   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1742   unsigned FactorPowerSum = 0;
1743   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1744     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1745
1746     // Count the number of occurrences of this value.
1747     unsigned Count = 1;
1748     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1749       ++Count;
1750     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1751     if (Count > 1)
1752       FactorPowerSum += Count;
1753   }
1754
1755   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1756   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1757   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1758   // trying to simplify already minimal formations.
1759   if (FactorPowerSum < 4)
1760     return false;
1761
1762   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1763   FactorPowerSum = 0;
1764   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1765     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1766
1767     // Count the number of occurrences of this value.
1768     unsigned Count = 1;
1769     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1770       ++Count;
1771     if (Count == 1)
1772       continue;
1773     // Move an even number of occurrences to Factors.
1774     Count &= ~1U;
1775     Idx -= Count;
1776     FactorPowerSum += Count;
1777     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1778     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1779   }
1780
1781   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1782   // below our mininum of '4'.
1783   assert(FactorPowerSum >= 4);
1784
1785   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1786   return true;
1787 }
1788
1789 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1790 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1791                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1792   if (Ops.size() == 1)
1793     return Ops.back();
1794
1795   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1796   do {
1797     if (LHS->getType()->isIntOrIntVectorTy())
1798       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1799     else
1800       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1801   } while (!Ops.empty());
1802
1803   return LHS;
1804 }
1805
1806 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1807 ///
1808 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1809 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1810 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1811 /// value.
1812 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1813                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1814   assert(Factors[0].Power);
1815   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1816   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1817        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1818     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1819       LastIdx = Idx;
1820       continue;
1821     }
1822
1823     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1824     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1825     // for that.
1826     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1827     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1828     do {
1829       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1830       ++Idx;
1831     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1832
1833     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1834     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1835     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1836     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1837       RedoInsts.insert(MI);
1838
1839     LastIdx = Idx;
1840   }
1841   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1842   // base.
1843   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1844                             Factor::PowerEqual()),
1845                 Factors.end());
1846
1847   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1848   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1849   // expression.
1850   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1851     if (Factors[Idx].Power & 1)
1852       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1853     Factors[Idx].Power >>= 1;
1854   }
1855   if (Factors[0].Power) {
1856     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1857     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1858     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1859   }
1860   if (OuterProduct.size() == 1)
1861     return OuterProduct.front();
1862
1863   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1864   return V;
1865 }
1866
1867 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1868                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1869   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1870   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1871   if (Ops.size() < 4)
1872     return nullptr;
1873
1874   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1875   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1876   // re-use.
1877   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1878   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1879     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1880
1881   IRBuilder<> Builder(I);
1882   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1883   if (Ops.empty())
1884     return V;
1885
1886   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1887   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1888   return nullptr;
1889 }
1890
1891 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1892                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1893   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1894   // Start by folding any constants that we found.
1895   Constant *Cst = nullptr;
1896   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1897   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1898     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1899     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1900   }
1901   // If there was nothing but constants then we are done.
1902   if (Ops.empty())
1903     return Cst;
1904
1905   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1906   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1907   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1908   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1909     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1910       return Cst;
1911     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1912   }
1913
1914   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1915
1916   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1917   // argument list here.
1918   unsigned NumOps = Ops.size();
1919   switch (Opcode) {
1920   default: break;
1921   case Instruction::And:
1922   case Instruction::Or:
1923     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1924       return Result;
1925     break;
1926
1927   case Instruction::Xor:
1928     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1929       return Result;
1930     break;
1931
1932   case Instruction::Add:
1933   case Instruction::FAdd:
1934     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1935       return Result;
1936     break;
1937
1938   case Instruction::Mul:
1939   case Instruction::FMul:
1940     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1941       return Result;
1942     break;
1943   }
1944
1945   if (Ops.size() != NumOps)
1946     return OptimizeExpression(I, Ops);
1947   return nullptr;
1948 }
1949
1950 /// Zap the given instruction, adding interesting operands to the work list.
1951 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1952   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1953   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1954   // Erase the dead instruction.
1955   ValueRankMap.erase(I);
1956   RedoInsts.remove(I);
1957   I->eraseFromParent();
1958   // Optimize its operands.
1959   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1960   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1961     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1962       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1963       // and add that since that's where optimization actually happens.
1964       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1965       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1966              Visited.insert(Op).second)
1967         Op = Op->user_back();
1968       RedoInsts.insert(Op);
1969     }
1970 }
1971
1972 // Canonicalize expressions of the following form:
1973 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1974 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1975 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1976   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1977     return nullptr;
1978
1979   // Must be a fmul or fdiv instruction.
1980   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1981   if (Opcode != Instruction::FMul && Opcode != Instruction::FDiv)
1982     return nullptr;
1983
1984   auto *C0 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(0));
1985   auto *C1 = dyn_cast<ConstantFP>(I->getOperand(1));
1986
1987   // Both operands are constant, let it get constant folded away.
1988   if (C0 && C1)
1989     return nullptr;
1990
1991   ConstantFP *CF = C0 ? C0 : C1;
1992
1993   // Must have one constant operand.
1994   if (!CF)
1995     return nullptr;
1996
1997   // Must be a negative ConstantFP.
1998   if (!CF->isNegative())
1999     return nullptr;
2000
2001   // User must be a binary operator with one or more uses.
2002   Instruction *User = I->user_back();
2003   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->hasNUsesOrMore(1))
2004     return nullptr;
2005
2006   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
2007   if (UserOpcode != Instruction::FAdd && UserOpcode != Instruction::FSub)
2008     return nullptr;
2009
2010   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
2011   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
2012   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
2013     return nullptr;
2014
2015   // Change the sign of the constant.
2016   APFloat Val = CF->getValueAPF();
2017   Val.changeSign();
2018   I->setOperand(C0 ? 0 : 1, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2019
2020   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2021   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2022   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2023     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2024
2025   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2026   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2027   BinaryOperator *NI;
2028   switch (UserOpcode) {
2029   default:
2030     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2031   case Instruction::FAdd:
2032     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2033     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2034     break;
2035   case Instruction::FSub:
2036     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2037     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2038     break;
2039   }
2040
2041   NI->insertBefore(User);
2042   NI->setName(User->getName());
2043   User->replaceAllUsesWith(NI);
2044   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2045   RedoInsts.insert(I);
2046   MadeChange = true;
2047   return NI;
2048 }
2049
2050 /// Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2051 /// instructions is not allowed.
2052 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2053   // Only consider operations that we understand.
2054   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2055     return;
2056
2057   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2058     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2059     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2060     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2061         (I->hasOneUse() &&
2062          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2063           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2064       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2065       RedoInsts.insert(I);
2066       MadeChange = true;
2067       I = NI;
2068     }
2069
2070   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2071   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2072     I = Res;
2073
2074   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2075   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2076   // transformations simpler.
2077   if (I->isCommutative())
2078     canonicalizeOperands(I);
2079
2080   // TODO: We should optimize vector Xor instructions, but they are
2081   // currently unsupported.
2082   if (I->getType()->isVectorTy() && I->getOpcode() == Instruction::Xor)
2083     return;
2084
2085   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2086   if (I->getType()->isFloatingPointTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2087     return;
2088
2089   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2090   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2091   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2092   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2093   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2094   // optimized for the most likely conditions.
2095   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2096     return;
2097
2098   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2099   // see if we can convert it to X+-Y.
2100   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2101     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2102       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2103       RedoInsts.insert(I);
2104       MadeChange = true;
2105       I = NI;
2106     } else if (BinaryOperator::isNeg(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::Mul) &&
2110           (!I->hasOneUse() ||
2111            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2112         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2113         RedoInsts.insert(I);
2114         MadeChange = true;
2115         I = NI;
2116       }
2117     }
2118   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2119     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2120       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2121       RedoInsts.insert(I);
2122       MadeChange = true;
2123       I = NI;
2124     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2125       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2126       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2127       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2128           (!I->hasOneUse() ||
2129            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2130         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2131         RedoInsts.insert(I);
2132         MadeChange = true;
2133         I = NI;
2134       }
2135     }
2136   }
2137
2138   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2139   if (!I->isAssociative()) return;
2140   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2141
2142   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2143   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2144   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2145   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2146     return;
2147
2148   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2149   // until we process the subtract.
2150   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2151       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2152     return;
2153   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2154       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2155     return;
2156
2157   ReassociateExpression(BO);
2158 }
2159
2160 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2161   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2162   // operand information.
2163   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2164   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2165   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2166   Ops.reserve(Tree.size());
2167   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2168     RepeatedValue E = Tree[i];
2169     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2170                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2171   }
2172
2173   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2174
2175   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2176   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2177   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2178   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2179   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2180   // the vector.
2181   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2182
2183   // Now that we have the expression tree in a convenient
2184   // sorted form, optimize it globally if possible.
2185   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2186     if (V == I)
2187       // Self-referential expression in unreachable code.
2188       return;
2189     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2190     // eliminate it.
2191     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2192     I->replaceAllUsesWith(V);
2193     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2194       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2195     RedoInsts.insert(I);
2196     ++NumAnnihil;
2197     return;
2198   }
2199
2200   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2201   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2202   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2203   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2204   if (I->hasOneUse()) {
2205     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2206         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2207         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2208         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2209       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2210       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2211     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2212                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2213                    Instruction::FAdd &&
2214                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2215                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2216       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2217       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2218     }
2219   }
2220
2221   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2222
2223   if (Ops.size() == 1) {
2224     if (Ops[0].Op == I)
2225       // Self-referential expression in unreachable code.
2226       return;
2227
2228     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2229     // eliminate it.
2230     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2231     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2232       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2233     RedoInsts.insert(I);
2234     return;
2235   }
2236
2237   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2238   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2239   RewriteExprTree(I, Ops);
2240 }
2241
2242 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2243   if (skipOptnoneFunction(F))
2244     return false;
2245
2246   // Calculate the rank map for F
2247   BuildRankMap(F);
2248
2249   MadeChange = false;
2250   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2251     // Optimize every instruction in the basic block.
2252     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2253       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2254         EraseInst(II++);
2255       } else {
2256         OptimizeInst(II);
2257         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2258         ++II;
2259       }
2260
2261     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2262     while (!RedoInsts.empty()) {
2263       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2264       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2265         EraseInst(I);
2266       else
2267         OptimizeInst(I);
2268     }
2269   }
2270
2271   // We are done with the rank map.
2272   RankMap.clear();
2273   ValueRankMap.clear();
2274
2275   return MadeChange;
2276 }