[Reassociate] Improve rank debug information. NFC.
[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 /// PrintOps - 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 ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
180     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
181     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
182                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
183     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
185     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
186                         Value *&Res);
187     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
188                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
189     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
190                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
191     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
192                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
193     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
194     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
195     void EraseInst(Instruction *I);
196     void OptimizeInst(Instruction *I);
197     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
198   };
199 }
200
201 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
202   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
203   OrigVal = V;
204   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
205   SymbolicRank = 0;
206
207   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
208             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
209     Value *V0 = I->getOperand(0);
210     Value *V1 = I->getOperand(1);
211     if (isa<ConstantInt>(V0))
212       std::swap(V0, V1);
213
214     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
215       ConstPart = C->getValue();
216       SymbolicPart = V0;
217       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
218       return;
219     }
220   }
221
222   // view the operand as "V | 0"
223   SymbolicPart = V;
224   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
225   isOr = true;
226 }
227
228 char Reassociate::ID = 0;
229 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
230                 "Reassociate expressions", false, false)
231
232 // Public interface to the Reassociate pass
233 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
234
235 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
236 /// opcode and if it only has one use.
237 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
238   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
239       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode &&
240       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
241        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
242     return cast<BinaryOperator>(V);
243   return nullptr;
244 }
245
246 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
247                                         unsigned Opcode2) {
248   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
249       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
250        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
251       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
252        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
253     return cast<BinaryOperator>(V);
254   return nullptr;
255 }
256
257 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
258   switch (I->getOpcode()) {
259   case Instruction::PHI:
260   case Instruction::LandingPad:
261   case Instruction::Alloca:
262   case Instruction::Load:
263   case Instruction::Invoke:
264   case Instruction::UDiv:
265   case Instruction::SDiv:
266   case Instruction::FDiv:
267   case Instruction::URem:
268   case Instruction::SRem:
269   case Instruction::FRem:
270     return true;
271   case Instruction::Call:
272     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
273   default:
274     return false;
275   }
276 }
277
278 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
279   unsigned i = 2;
280
281   // Assign distinct ranks to function arguments.
282   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
283     ValueRankMap[&*I] = ++i;
284     DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << I->getName() << "] = " << i << "\n");
285   }
286
287   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
288   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
289          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
290     BasicBlock *BB = *I;
291     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
292
293     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
294     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
295     // all different in the block.
296     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
297       if (isUnmovableInstruction(I))
298         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
299   }
300 }
301
302 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
303   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
304   if (!I) {
305     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
306     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
307   }
308
309   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
310     return Rank;    // Rank already known?
311
312   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
313   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
314   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
315   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
316   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
317   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
318        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
319     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
320
321   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
322   // assures us that X and ~X will have the same rank.
323   Type *Ty = V->getType();
324   if ((!Ty->isIntegerTy() && !Ty->isFloatingPointTy()) ||
325       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
326        !BinaryOperator::isFNeg(I)))
327     ++Rank;
328
329   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
330
331   return ValueRankMap[I] = Rank;
332 }
333
334 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
335                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
336   if (S1->getType()->isIntegerTy())
337     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
338   else {
339     BinaryOperator *Res =
340         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
341     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
342     return Res;
343   }
344 }
345
346 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
347                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
348   if (S1->getType()->isIntegerTy())
349     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
350   else {
351     BinaryOperator *Res =
352       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
353     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
354     return Res;
355   }
356 }
357
358 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
359                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
360   if (S1->getType()->isIntegerTy())
361     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
362   else {
363     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
364     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
365     return Res;
366   }
367 }
368
369 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
370 ///
371 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
372   Type *Ty = Neg->getType();
373   Constant *NegOne = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)
374                                        : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
375
376   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
377   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
378   Res->takeName(Neg);
379   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
380   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
381   return Res;
382 }
383
384 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
385 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
386 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
387 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
388 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
389 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
390   if (Bitwidth < 3)
391     return Bitwidth - 1;
392   return Bitwidth - 2;
393 }
394
395 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
396 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
397 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
398 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
399 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
400 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
401 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
402 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
403   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
404   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
405   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
406   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
407   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
408   // weight back into range if wrapping would be wrong.
409
410   // If RHS is zero then the weight didn't change.
411   if (RHS.isMinValue())
412     return;
413   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
414   if (LHS.isMinValue()) {
415     LHS = RHS;
416     return;
417   }
418   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
419
420   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
421     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
422     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
423     // not a problem.
424     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
425     return; // Return a weight of 1.
426   }
427   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
428     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
429     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
430     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
431     return;
432   }
433   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
434     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
435     LHS += RHS;
436     return;
437   }
438
439   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
440          "Unknown associative operation!");
441   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
442   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
443   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
444   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
445   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
446   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
447   // which by a happy accident means that they can always be represented using
448   // Bitwidth bits.
449   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
450   // the Carmichael number).
451   if (Bitwidth > 3) {
452     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
453     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
454     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
455     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
456     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
457     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
458     LHS += RHS;
459     while (LHS.uge(Threshold))
460       LHS -= CM;
461   } else {
462     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
463     // a larger type.
464     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
465     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
466     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
467            "Weights not reduced!");
468     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
469     while (Total >= Threshold)
470       Total -= CM;
471     LHS = Total;
472   }
473 }
474
475 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
476
477 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
478 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
479 /// original expression is the same as
480 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
481 /// op
482 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
483 /// op
484 ///   ...
485 /// op
486 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
487 ///
488 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
489 ///
490 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
491 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
492 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
493 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
494 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
495 ///
496 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
497 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
498 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
499 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
500 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
501 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
502 /// use is a non-leaf node of the expression.
503 ///
504 /// For example:
505 ///           expression graph        node names
506 ///
507 ///                     +        |        I
508 ///                    / \       |
509 ///                   +   +      |      A,  B
510 ///                  / \ / \     |
511 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
512 ///                / \ / \ / \   |
513 ///                   +   *      |      F,  G
514 ///
515 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
516 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
517 ///
518 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
519 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
520 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
521 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
522 ///
523 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
524 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
525 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
526 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
527 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
528 /// made a change by returning 'true'.
529 ///
530 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
531 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
532 ///
533 ///                     +        |        I
534 ///                    / \       |
535 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
536 ///                  / \   \     |
537 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
538 ///                / \ / \ / \   |
539 ///                   +   *      |      F,  G
540 ///
541 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
542 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
543 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
544 /// which requires passing through a phi node.
545 ///
546 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
547 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
548 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
549 /// type and thus make the expression bigger.
550
551 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
552                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
553   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
554   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
555   unsigned Opcode = I->getOpcode();
556   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
557          "Expected an associative and commutative operation!");
558
559   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
560   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
561   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
562   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
563   // while A has weight two.
564
565   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
566   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
567   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
568   // ways to get to it.
569   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
570   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
571   bool MadeChange = false;
572
573   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
574   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
575   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
576   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
577   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
578   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
579   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
580   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
581   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
582   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
583   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
584   // are explored.
585
586   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
587   // paths to each leaf seen so far.
588   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
589   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
590   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
591
592 #ifndef NDEBUG
593   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
594 #endif
595   while (!Worklist.empty()) {
596     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
597     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
598
599     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
600       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
601       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
602       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
603       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
604
605       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
606       // add its operands to the expression.
607       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
608         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
609         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
610         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
611         continue;
612       }
613
614       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
615       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
616       if (It == Leaves.end()) {
617         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
618         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
619         if (!Op->hasOneUse()) {
620           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
621           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
622           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
623           LeafOrder.push_back(Op);
624           Leaves[Op] = Weight;
625           continue;
626         }
627         // No uses outside the expression, try morphing it.
628       } else if (It != Leaves.end()) {
629         // Already in the leaf map.
630         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
631
632         // Update the number of paths to the leaf.
633         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
634
635 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
636         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
637         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
638         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
639         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
640         MadeChange = true;
641
642         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
643         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
644         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
645         // its operands to the expression.
646         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
647           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
648           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
649           Leaves.erase(It);
650           continue;
651         }
652 #endif
653
654         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
655         // then it is not safe to modify the value.
656         if (!Op->hasOneUse())
657           continue;
658
659         // No uses outside the expression, try morphing it.
660         Weight = It->second;
661         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
662       }
663
664       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
665       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
666       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
667       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
668       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
669               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
670               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
671                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
672              "Should have been handled above!");
673       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
674
675       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
676       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
677       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
678         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
679             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
680           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
681           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
682           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
683           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
684           MadeChange = true;
685           continue;
686         }
687
688       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
689       // a leaf.
690       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
691       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
692       LeafOrder.push_back(Op);
693       Leaves[Op] = Weight;
694     }
695   }
696
697   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
698   // form of the expression.
699   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
700     Value *V = LeafOrder[i];
701     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
702     if (It == Leaves.end())
703       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
704       continue;
705     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
706     APInt Weight = It->second;
707     if (Weight.isMinValue())
708       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
709       continue;
710     // Ensure the leaf is only output once.
711     It->second = 0;
712     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
713   }
714
715   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
716   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
717   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
718   if (Ops.empty()) {
719     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
720     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
721     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
722   }
723
724   return MadeChange;
725 }
726
727 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
728 // linearized and optimized, emit them in-order.
729 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
730                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
731   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
732
733   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
734   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
735   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
736   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
737   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
738   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
739   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
740   // nsw flags.
741
742   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
743   /// the new expression into.
744   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
745   unsigned Opcode = I->getOpcode();
746   BinaryOperator *Op = I;
747
748   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
749   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
750   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
751   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
752   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
753   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
754   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
755   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
756   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
757   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
758   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
759   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
760     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
761
762   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
763   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
764   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
765   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
766   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
767     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
768     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
769     // a subexpression.
770     if (i+2 == Ops.size()) {
771       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
772       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
773       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
774       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
775
776       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
777         // Nothing changed, leave it alone.
778         break;
779
780       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
781         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
782         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
783         Op->swapOperands();
784         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
785         MadeChange = true;
786         ++NumChanged;
787         break;
788       }
789
790       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
791       // the old operands with the new ones.
792       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
793       if (NewLHS != OldLHS) {
794         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
795         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
796           NodesToRewrite.push_back(BO);
797         Op->setOperand(0, NewLHS);
798       }
799       if (NewRHS != OldRHS) {
800         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
801         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
802           NodesToRewrite.push_back(BO);
803         Op->setOperand(1, NewRHS);
804       }
805       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
806
807       ExpressionChanged = Op;
808       MadeChange = true;
809       ++NumChanged;
810
811       break;
812     }
813
814     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
815     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
816     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
817     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
818       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
819       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
820         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
821         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
822         Op->swapOperands();
823       } else {
824         // Overwrite with the new right-hand side.
825         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
826         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
827           NodesToRewrite.push_back(BO);
828         Op->setOperand(1, NewRHS);
829         ExpressionChanged = Op;
830       }
831       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
832       MadeChange = true;
833       ++NumChanged;
834     }
835
836     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
837     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
838     // into it.
839     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
840     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
841       Op = BO;
842       continue;
843     }
844
845     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
846     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
847     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
848     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
849     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
850     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
851     // stupid, create a new node if there are none left.
852     BinaryOperator *NewOp;
853     if (NodesToRewrite.empty()) {
854       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
855       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
856                                      Undef, Undef, "", I);
857       if (NewOp->getType()->isFloatingPointTy())
858         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
859     } else {
860       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
861     }
862
863     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
864     Op->setOperand(0, NewOp);
865     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
866     ExpressionChanged = Op;
867     MadeChange = true;
868     ++NumChanged;
869     Op = NewOp;
870   }
871
872   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
873   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
874   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
875   // expression tree is dominated by all of Ops.
876   if (ExpressionChanged)
877     do {
878       // Preserve FastMathFlags.
879       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
880         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
881         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
882         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
883       } else
884         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
885
886       if (ExpressionChanged == I)
887         break;
888       ExpressionChanged->moveBefore(I);
889       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
890     } while (1);
891
892   // Throw away any left over nodes from the original expression.
893   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
894     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
895 }
896
897 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
898 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
899 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
900 /// that should be processed next by the reassociation pass.
901 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
902   if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V))
903     return ConstantExpr::getFNeg(C);
904   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
905     return ConstantExpr::getNeg(C);
906
907   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
908   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
909   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
910   // this means that we turn this:
911   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
912   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
913   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
914   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
915   //
916   if (BinaryOperator *I =
917           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
918     // Push the negates through the add.
919     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
920     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
921
922     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
923     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
924     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
925     // instruction we are about to insert after them.
926     //
927     I->moveBefore(BI);
928     I->setName(I->getName()+".neg");
929     return I;
930   }
931
932   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
933   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
934   for (User *U : V->users()) {
935     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
936       continue;
937
938     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
939     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
940     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
941     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
942     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
943
944     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
945     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
946       continue;
947
948     BasicBlock::iterator InsertPt;
949     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
950       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
951         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
952       } else {
953         InsertPt = InstInput;
954         ++InsertPt;
955       }
956       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
957     } else {
958       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
959     }
960     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
961     return TheNeg;
962   }
963
964   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
965   // negation.
966   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
967 }
968
969 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
970 /// X-Y into (X + -Y).
971 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
972   // If this is a negation, we can't split it up!
973   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
974     return false;
975
976   // Don't breakup X - undef.
977   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
978     return false;
979
980   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
981   // subtract or if this is only used by one.
982   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
983   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
984       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
985     return true;
986   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
987   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
988       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
989     return true;
990   Value *VB = Sub->user_back();
991   if (Sub->hasOneUse() &&
992       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
993        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
994     return true;
995
996   return false;
997 }
998
999 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
1000 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
1001 /// reassociation.
1002 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1003   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1004   // instructions to be commuted with other add instructions.
1005   //
1006   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1007   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1008   //
1009   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1010   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1011   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1012   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1013   New->takeName(Sub);
1014
1015   // Everyone now refers to the add instruction.
1016   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1017   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1018
1019   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1020   return New;
1021 }
1022
1023 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1024 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1025 /// reassociation.
1026 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1027   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1028   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1029
1030   BinaryOperator *Mul =
1031     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1032   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1033   Mul->takeName(Shl);
1034
1035   // Everyone now refers to the mul instruction.
1036   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1037   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1038
1039   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1040   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1041   // handling.
1042   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1043   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1044   if (NSW && NUW)
1045     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1046   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1047   return Mul;
1048 }
1049
1050 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1051 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1052 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1053 /// same rank.
1054 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1055                                   Value *X) {
1056   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1057   unsigned e = Ops.size();
1058   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1059     if (Ops[j].Op == X)
1060       return j;
1061     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1062       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1063         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1064           return j;
1065   }
1066   // Scan backwards.
1067   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1068     if (Ops[j].Op == X)
1069       return j;
1070     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1071       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1072         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1073           return j;
1074   }
1075   return i;
1076 }
1077
1078 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1079 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1080 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1081                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1082   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1083
1084   Value *V1 = Ops.back();
1085   Ops.pop_back();
1086   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1087   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1088 }
1089
1090 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1091 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1092 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1093 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1094   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1095   if (!BO)
1096     return nullptr;
1097
1098   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1099   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1100   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1101   Factors.reserve(Tree.size());
1102   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1103     RepeatedValue E = Tree[i];
1104     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1105                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1106   }
1107
1108   bool FoundFactor = false;
1109   bool NeedsNegate = false;
1110   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1111     if (Factors[i].Op == Factor) {
1112       FoundFactor = true;
1113       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1114       break;
1115     }
1116
1117     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1118     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1119       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1120         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1121           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1122           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1123           break;
1124         }
1125     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1126       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1127         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1128         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1129         F2.changeSign();
1130         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1131           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1132           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1133           break;
1134         }
1135       }
1136     }
1137   }
1138
1139   if (!FoundFactor) {
1140     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1141     RewriteExprTree(BO, Factors);
1142     return nullptr;
1143   }
1144
1145   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1146
1147   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1148   // remaining operand.
1149   if (Factors.size() == 1) {
1150     RedoInsts.insert(BO);
1151     V = Factors[0].Op;
1152   } else {
1153     RewriteExprTree(BO, Factors);
1154     V = BO;
1155   }
1156
1157   if (NeedsNegate)
1158     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1159
1160   return V;
1161 }
1162
1163 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1164 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1165 ///
1166 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1167 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1168                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1169                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1170   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1171   if (!BO) {
1172     Factors.push_back(V);
1173     return;
1174   }
1175
1176   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1177   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1178   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1179 }
1180
1181 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1182 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1183 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1184 /// necessary.
1185 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1186                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1187   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1188   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1189   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1190     // First, check for X and ~X in the operand list.
1191     assert(i < Ops.size());
1192     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1193       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1194       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1195       if (FoundX != i) {
1196         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1197           return Constant::getNullValue(X->getType());
1198
1199         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1200           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1201       }
1202     }
1203
1204     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1205     // each other, due to our sorting criteria.
1206     assert(i < Ops.size());
1207     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1208       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1209         // Drop duplicate values for And and Or.
1210         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1211         --i; --e;
1212         ++NumAnnihil;
1213         continue;
1214       }
1215
1216       // Drop pairs of values for Xor.
1217       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1218       if (e == 2)
1219         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1220
1221       // Y ^ X^X -> Y
1222       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1223       i -= 1; e -= 2;
1224       ++NumAnnihil;
1225     }
1226   }
1227   return nullptr;
1228 }
1229
1230 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1231 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1232 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1233 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1234 /// be returned.
1235 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1236                              const APInt &ConstOpnd) {
1237   if (ConstOpnd != 0) {
1238     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1239       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1240       Instruction *I;
1241       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1242                                     "and.ra", InsertBefore);
1243       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1244       return I;
1245     }
1246     return Opnd;
1247   }
1248   return nullptr;
1249 }
1250
1251 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1252 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1253 //
1254 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1255 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1256 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1257 //  
1258 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1259                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1260   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1261   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1262   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1263   // It is useful only when c1 == c2.
1264   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1265     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1266       return false;
1267
1268     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1269     if (C1 != ConstOpnd)
1270       return false;
1271
1272     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1273     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1274     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1275     ConstOpnd ^= C1;
1276
1277     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1278       RedoInsts.insert(T);
1279     return true;
1280   }
1281   return false;
1282 }
1283
1284                            
1285 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1286 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1287 // symbolic value. 
1288 // 
1289 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1290 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1291 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1292 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1293 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1294                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1295   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1296   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1297     return false;
1298
1299   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1300   int DeadInstNum = 1;
1301   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1302     DeadInstNum++;
1303   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1304     DeadInstNum++;
1305
1306   // Xor-Rule 2:
1307   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1308   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1309   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1310   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1311   //
1312   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1313     if (Opnd2->isOrExpr())
1314       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1315
1316     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1317     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1318     APInt C3((~C1) ^ C2);
1319
1320     // Do not increase code size!
1321     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1322       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1323       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1324         return false;
1325     }
1326
1327     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1328     ConstOpnd ^= C1;
1329
1330   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1331     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1332     //
1333     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1334     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1335     APInt C3 = C1 ^ C2;
1336     
1337     // Do not increase code size
1338     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1339       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1340       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1341         return false;
1342     }
1343
1344     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1345     ConstOpnd ^= C3;
1346   } else {
1347     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1348     //
1349     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1350     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1351     APInt C3 = C1 ^ C2;
1352     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1353   }
1354
1355   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1356   // as dead code.
1357   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1358     RedoInsts.insert(T);
1359   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1360     RedoInsts.insert(T);
1361
1362   return true;
1363 }
1364
1365 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1366 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1367 /// necessary.
1368 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1369                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1370   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1371     return V;
1372       
1373   if (Ops.size() == 1)
1374     return nullptr;
1375
1376   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1377   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1378   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1379   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1380
1381   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1382   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1383     Value *V = Ops[i].Op;
1384     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1385       XorOpnd O(V);
1386       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1387       Opnds.push_back(O);
1388     } else
1389       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1390   }
1391
1392   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1393   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1394   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1395   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1396   //  when new elements are added to the vector.
1397   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1398     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1399
1400   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1401   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1402   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1403   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1404   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1405
1406   // Step 3: Combine adjacent operands
1407   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1408   bool Changed = false;
1409   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1410     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1411     // The combined value
1412     Value *CV;
1413
1414     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1415     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1416       Changed = true;
1417       if (CV)
1418         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1419       else {
1420         CurrOpnd->Invalidate();
1421         continue;
1422       }
1423     }
1424
1425     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1426       PrevOpnd = CurrOpnd;
1427       continue;
1428     }
1429
1430     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1431     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1432     //    
1433     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1434       // Remove previous operand
1435       PrevOpnd->Invalidate();
1436       if (CV) {
1437         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1438         PrevOpnd = CurrOpnd;
1439       } else {
1440         CurrOpnd->Invalidate();
1441         PrevOpnd = nullptr;
1442       }
1443       Changed = true;
1444     }
1445   }
1446
1447   // Step 4: Reassemble the Ops
1448   if (Changed) {
1449     Ops.clear();
1450     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1451       XorOpnd &O = Opnds[i];
1452       if (O.isInvalid())
1453         continue;
1454       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1455       Ops.push_back(VE);
1456     }
1457     if (ConstOpnd != 0) {
1458       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1459       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1460       Ops.push_back(VE);
1461     }
1462     int Sz = Ops.size();
1463     if (Sz == 1)
1464       return Ops.back().Op;
1465     else if (Sz == 0) {
1466       assert(ConstOpnd == 0);
1467       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1468     }
1469   }
1470
1471   return nullptr;
1472 }
1473
1474 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1475 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1476 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1477 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1478                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1479   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1480   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1481   // scan for any
1482   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1483
1484   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1485     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1486     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1487     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1488     // that these need to be next to each other in the vector.
1489     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1490       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1491       unsigned NumFound = 0;
1492       do {
1493         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1494         ++NumFound;
1495       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1496
1497       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1498       ++NumFactor;
1499
1500       // Insert a new multiply.
1501       Type *Ty = TheOp->getType();
1502       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1503                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1504       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1505
1506       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1507       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1508       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1509       RedoInsts.insert(Mul);
1510
1511       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1512       if (Ops.empty())
1513         return Mul;
1514
1515       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1516       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1517       // things being added by this operation.
1518       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1519
1520       --i;
1521       e = Ops.size();
1522       continue;
1523     }
1524
1525     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1526     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1527         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1528       continue;
1529
1530     Value *X = nullptr;
1531     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1532       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1533     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1534       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1535
1536     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1537     if (FoundX == i)
1538       continue;
1539
1540     // Remove X and -X from the operand list.
1541     if (Ops.size() == 2 &&
1542         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1543       return Constant::getNullValue(X->getType());
1544
1545     // Remove X and ~X from the operand list.
1546     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1547       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1548
1549     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1550     if (i < FoundX)
1551       --FoundX;
1552     else
1553       --i;   // Need to back up an extra one.
1554     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1555     ++NumAnnihil;
1556     --i;     // Revisit element.
1557     e -= 2;  // Removed two elements.
1558
1559     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1560     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1561       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1562       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1563       e += 1;
1564     }
1565   }
1566
1567   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1568   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1569   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1570   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1571   // for any ADD operands that are MULs.
1572   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1573
1574   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1575   // where they are actually the same multiply.
1576   unsigned MaxOcc = 0;
1577   Value *MaxOccVal = nullptr;
1578   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1579     BinaryOperator *BOp =
1580         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1581     if (!BOp)
1582       continue;
1583
1584     // Compute all of the factors of this added value.
1585     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1586     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1587     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1588
1589     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1590     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1591     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1592       Value *Factor = Factors[i];
1593       if (!Duplicates.insert(Factor))
1594         continue;
1595
1596       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1597       if (Occ > MaxOcc) {
1598         MaxOcc = Occ;
1599         MaxOccVal = Factor;
1600       }
1601
1602       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1603       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1604       // cannot be positivified.
1605       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1606         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1607           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1608           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1609                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1610           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1611           if (Occ > MaxOcc) {
1612             MaxOcc = Occ;
1613             MaxOccVal = Factor;
1614           }
1615         }
1616       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1617         if (CF->isNegative()) {
1618           APFloat F(CF->getValueAPF());
1619           F.changeSign();
1620           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1621           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1622                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1623           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1624           if (Occ > MaxOcc) {
1625             MaxOcc = Occ;
1626             MaxOccVal = Factor;
1627           }
1628         }
1629       }
1630     }
1631   }
1632
1633   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1634   if (MaxOcc > 1) {
1635     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1636     ++NumFactor;
1637
1638     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1639     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1640     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1641     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1642     Instruction *DummyInst =
1643         I->getType()->isIntegerTy()
1644             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1645             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1646
1647     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1648     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1649       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1650       BinaryOperator *BOp =
1651           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1652       if (!BOp)
1653         continue;
1654
1655       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1656         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1657         // one fell swoop.
1658         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1659           --j;
1660           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1661             NewMulOps.push_back(V);
1662             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1663           }
1664         }
1665         --i;
1666       }
1667     }
1668
1669     // No need for extra uses anymore.
1670     delete DummyInst;
1671
1672     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1673     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1674
1675     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1676     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1677     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1678     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1679     (void)NumAddedValues;
1680     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1681       RedoInsts.insert(VI);
1682
1683     // Create the multiply.
1684     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1685
1686     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1687     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1688     RedoInsts.insert(V2);
1689
1690     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1691     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1692     if (Ops.empty())
1693       return V2;
1694
1695     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1696     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1697     // things being added by this operation.
1698     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1699   }
1700
1701   return nullptr;
1702 }
1703
1704 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1705 ///
1706 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1707 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1708 /// the order of descending power.
1709 ///
1710 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1711 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1712 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1713 ///
1714 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1715 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1716                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1717   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1718   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1719   unsigned FactorPowerSum = 0;
1720   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1721     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1722
1723     // Count the number of occurrences of this value.
1724     unsigned Count = 1;
1725     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1726       ++Count;
1727     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1728     if (Count > 1)
1729       FactorPowerSum += Count;
1730   }
1731
1732   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1733   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1734   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1735   // trying to simplify already minimal formations.
1736   if (FactorPowerSum < 4)
1737     return false;
1738
1739   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1740   FactorPowerSum = 0;
1741   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1742     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1743
1744     // Count the number of occurrences of this value.
1745     unsigned Count = 1;
1746     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1747       ++Count;
1748     if (Count == 1)
1749       continue;
1750     // Move an even number of occurrences to Factors.
1751     Count &= ~1U;
1752     Idx -= Count;
1753     FactorPowerSum += Count;
1754     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1755     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1756   }
1757
1758   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1759   // below our mininum of '4'.
1760   assert(FactorPowerSum >= 4);
1761
1762   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1763   return true;
1764 }
1765
1766 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1767 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1768                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1769   if (Ops.size() == 1)
1770     return Ops.back();
1771
1772   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1773   do {
1774     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1775       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1776     else
1777       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1778   } while (!Ops.empty());
1779
1780   return LHS;
1781 }
1782
1783 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1784 ///
1785 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1786 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1787 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1788 /// value.
1789 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1790                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1791   assert(Factors[0].Power);
1792   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1793   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1794        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1795     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1796       LastIdx = Idx;
1797       continue;
1798     }
1799
1800     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1801     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1802     // for that.
1803     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1804     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1805     do {
1806       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1807       ++Idx;
1808     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1809
1810     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1811     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1812     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1813     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1814       RedoInsts.insert(MI);
1815
1816     LastIdx = Idx;
1817   }
1818   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1819   // base.
1820   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1821                             Factor::PowerEqual()),
1822                 Factors.end());
1823
1824   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1825   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1826   // expression.
1827   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1828     if (Factors[Idx].Power & 1)
1829       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1830     Factors[Idx].Power >>= 1;
1831   }
1832   if (Factors[0].Power) {
1833     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1834     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1835     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1836   }
1837   if (OuterProduct.size() == 1)
1838     return OuterProduct.front();
1839
1840   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1841   return V;
1842 }
1843
1844 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1845                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1846   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1847   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1848   if (Ops.size() < 4)
1849     return nullptr;
1850
1851   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1852   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1853   // re-use.
1854   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1855   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1856     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1857
1858   IRBuilder<> Builder(I);
1859   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1860   if (Ops.empty())
1861     return V;
1862
1863   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1864   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1865   return nullptr;
1866 }
1867
1868 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1869                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1870   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1871   // Start by folding any constants that we found.
1872   Constant *Cst = nullptr;
1873   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1874   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1875     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1876     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1877   }
1878   // If there was nothing but constants then we are done.
1879   if (Ops.empty())
1880     return Cst;
1881
1882   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1883   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1884   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1885   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1886     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1887       return Cst;
1888     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1889   }
1890
1891   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1892
1893   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1894   // argument list here.
1895   unsigned NumOps = Ops.size();
1896   switch (Opcode) {
1897   default: break;
1898   case Instruction::And:
1899   case Instruction::Or:
1900     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1901       return Result;
1902     break;
1903
1904   case Instruction::Xor:
1905     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1906       return Result;
1907     break;
1908
1909   case Instruction::Add:
1910   case Instruction::FAdd:
1911     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1912       return Result;
1913     break;
1914
1915   case Instruction::Mul:
1916   case Instruction::FMul:
1917     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1918       return Result;
1919     break;
1920   }
1921
1922   if (Ops.size() != NumOps)
1923     return OptimizeExpression(I, Ops);
1924   return nullptr;
1925 }
1926
1927 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1928 /// work list.
1929 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1930   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1931   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1932   // Erase the dead instruction.
1933   ValueRankMap.erase(I);
1934   RedoInsts.remove(I);
1935   I->eraseFromParent();
1936   // Optimize its operands.
1937   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1938   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1939     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1940       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1941       // and add that since that's where optimization actually happens.
1942       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1943       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1944              Visited.insert(Op))
1945         Op = Op->user_back();
1946       RedoInsts.insert(Op);
1947     }
1948 }
1949
1950 // Canonicalize expressions of the following form:
1951 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1952 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1953 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1954   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1955     return nullptr;
1956
1957   // Must be a mul, fmul, or fdiv instruction.
1958   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1959   if (Opcode != Instruction::Mul && Opcode != Instruction::FMul &&
1960       Opcode != Instruction::FDiv)
1961     return nullptr;
1962
1963   // Must have at least one constant operand.
1964   Constant *C0 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(0));
1965   Constant *C1 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1));
1966   if (!C0 && !C1)
1967     return nullptr;
1968
1969   // Must be a negative ConstantInt or ConstantFP.
1970   Constant *C = C0 ? C0 : C1;
1971   unsigned ConstIdx = C0 ? 0 : 1;
1972   if (auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C)) {
1973     if (!CI->isNegative())
1974       return nullptr;
1975   } else if (auto *CF = dyn_cast<ConstantFP>(C)) {
1976     if (!CF->isNegative())
1977       return nullptr;
1978   } else
1979     return nullptr;
1980
1981   // User must be a binary operator with one or more uses.
1982   Instruction *User = I->user_back();
1983   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->getNumUses())
1984     return nullptr;
1985
1986   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
1987   if (UserOpcode != Instruction::Add && UserOpcode != Instruction::FAdd &&
1988       UserOpcode != Instruction::Sub && UserOpcode != Instruction::FSub)
1989     return nullptr;
1990
1991   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
1992   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
1993   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
1994     return nullptr;
1995
1996   // Change the sign of the constant.
1997   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C))
1998     I->setOperand(ConstIdx, ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue()));
1999   else {
2000     ConstantFP *CF = cast<ConstantFP>(C);
2001     APFloat Val = CF->getValueAPF();
2002     Val.changeSign();
2003     I->setOperand(ConstIdx, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2004   }
2005
2006   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2007   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2008   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2009     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2010
2011   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2012   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2013   BinaryOperator *NI;
2014   switch(UserOpcode) {
2015   default:
2016     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2017   case Instruction::Add:
2018     NI = BinaryOperator::CreateSub(Op0, Op1);
2019     break;
2020   case Instruction::Sub:
2021     NI = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Op1);
2022     break;
2023   case Instruction::FAdd:
2024     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2025     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2026     break;
2027   case Instruction::FSub:
2028     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2029     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2030     break;
2031   }
2032
2033   NI->insertBefore(User);
2034   NI->setName(User->getName());
2035   User->replaceAllUsesWith(NI);
2036   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2037   RedoInsts.insert(I);
2038   MadeChange = true;
2039   return NI;
2040 }
2041
2042 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2043 /// instructions is not allowed.
2044 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2045   // Only consider operations that we understand.
2046   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2047     return;
2048
2049   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2050     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2051     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2052     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2053         (I->hasOneUse() &&
2054          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2055           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2056       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2057       RedoInsts.insert(I);
2058       MadeChange = true;
2059       I = NI;
2060     }
2061
2062   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2063   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2064     I = Res;
2065
2066   // Commute floating point binary operators, to canonicalize the order of their
2067   // operands.  This can potentially expose more CSE opportunities, and makes
2068   // writing other transformations simpler.
2069   if (I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy()) {
2070
2071     // FAdd and FMul can be commuted.
2072     unsigned Opcode = I->getOpcode();
2073     if (Opcode == Instruction::FMul || Opcode == Instruction::FAdd) {
2074       Value *LHS = I->getOperand(0);
2075       Value *RHS = I->getOperand(1);
2076       unsigned LHSRank = getRank(LHS);
2077       unsigned RHSRank = getRank(RHS);
2078
2079       // Sort the operands by rank.
2080       if (RHSRank < LHSRank) {
2081         I->setOperand(0, RHS);
2082         I->setOperand(1, LHS);
2083       }
2084     }
2085
2086     // FIXME: We should commute vector instructions as well.  However, this 
2087     // requires further analysis to determine the effect on later passes.
2088
2089     // Don't try to optimize vector instructions or anything that doesn't have
2090     // unsafe algebra.
2091     if (I->getType()->isVectorTy() || !I->hasUnsafeAlgebra())
2092       return;
2093   }
2094
2095   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2096   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2097   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2098   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2099   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2100   // optimized for the most likely conditions.
2101   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2102     return;
2103
2104   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2105   // see if we can convert it to X+-Y.
2106   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2107     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2108       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2109       RedoInsts.insert(I);
2110       MadeChange = true;
2111       I = NI;
2112     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2113       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2114       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2115       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2116           (!I->hasOneUse() ||
2117            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2118         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2119         RedoInsts.insert(I);
2120         MadeChange = true;
2121         I = NI;
2122       }
2123     }
2124   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2125     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2126       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2127       RedoInsts.insert(I);
2128       MadeChange = true;
2129       I = NI;
2130     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2131       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2132       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2133       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2134           (!I->hasOneUse() ||
2135            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2136         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2137         RedoInsts.insert(I);
2138         MadeChange = true;
2139         I = NI;
2140       }
2141     }
2142   }
2143
2144   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2145   if (!I->isAssociative()) return;
2146   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2147
2148   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2149   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2150   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2151   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2152     return;
2153
2154   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2155   // until we process the subtract.
2156   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2157       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2158     return;
2159   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2160       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2161     return;
2162
2163   ReassociateExpression(BO);
2164 }
2165
2166 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2167   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2168          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2169
2170   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2171   // operand information.
2172   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2173   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2174   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2175   Ops.reserve(Tree.size());
2176   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2177     RepeatedValue E = Tree[i];
2178     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2179                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2180   }
2181
2182   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2183
2184   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2185   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2186   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2187   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2188   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2189   // the vector.
2190   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2191
2192   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2193   // sorted form, optimize it globally if possible.
2194   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2195     if (V == I)
2196       // Self-referential expression in unreachable code.
2197       return;
2198     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2199     // eliminate it.
2200     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2201     I->replaceAllUsesWith(V);
2202     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2203       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2204     RedoInsts.insert(I);
2205     ++NumAnnihil;
2206     return;
2207   }
2208
2209   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2210   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2211   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2212   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2213   if (I->hasOneUse()) {
2214     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2215         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2216         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2217         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2218       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2219       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2220     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2221                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2222                    Instruction::FAdd &&
2223                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2224                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2225       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2226       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2227     }
2228   }
2229
2230   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2231
2232   if (Ops.size() == 1) {
2233     if (Ops[0].Op == I)
2234       // Self-referential expression in unreachable code.
2235       return;
2236
2237     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2238     // eliminate it.
2239     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2240     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2241       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2242     RedoInsts.insert(I);
2243     return;
2244   }
2245
2246   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2247   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2248   RewriteExprTree(I, Ops);
2249 }
2250
2251 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2252   if (skipOptnoneFunction(F))
2253     return false;
2254
2255   // Calculate the rank map for F
2256   BuildRankMap(F);
2257
2258   MadeChange = false;
2259   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2260     // Optimize every instruction in the basic block.
2261     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2262       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2263         EraseInst(II++);
2264       } else {
2265         OptimizeInst(II);
2266         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2267         ++II;
2268       }
2269
2270     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2271     while (!RedoInsts.empty()) {
2272       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2273       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2274         EraseInst(I);
2275       else
2276         OptimizeInst(I);
2277     }
2278   }
2279
2280   // We are done with the rank map.
2281   RankMap.clear();
2282   ValueRankMap.clear();
2283
2284   return MadeChange;
2285 }