SROA: The alloca type isn't a candidate promotion type for vectors
[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 canonicalizeOperands(Instruction *I);
180     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
181     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
182     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
183                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
185     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
186     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
187                         Value *&Res);
188     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
189                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
190     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
191                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
192     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
193                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
194     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
195     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
196     void EraseInst(Instruction *I);
197     void OptimizeInst(Instruction *I);
198     Instruction *canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I);
199   };
200 }
201
202 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
203   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
204   OrigVal = V;
205   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
206   SymbolicRank = 0;
207
208   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
209             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
210     Value *V0 = I->getOperand(0);
211     Value *V1 = I->getOperand(1);
212     if (isa<ConstantInt>(V0))
213       std::swap(V0, V1);
214
215     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
216       ConstPart = C->getValue();
217       SymbolicPart = V0;
218       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
219       return;
220     }
221   }
222
223   // view the operand as "V | 0"
224   SymbolicPart = V;
225   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
226   isOr = true;
227 }
228
229 char Reassociate::ID = 0;
230 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
231                 "Reassociate expressions", false, false)
232
233 // Public interface to the Reassociate pass
234 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
235
236 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
237 /// opcode and if it only has one use.
238 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
239   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
240       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode &&
241       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
242        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
243     return cast<BinaryOperator>(V);
244   return nullptr;
245 }
246
247 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode1,
248                                         unsigned Opcode2) {
249   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
250       (cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode1 ||
251        cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode2) &&
252       (!isa<FPMathOperator>(V) ||
253        cast<Instruction>(V)->hasUnsafeAlgebra()))
254     return cast<BinaryOperator>(V);
255   return nullptr;
256 }
257
258 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
259   switch (I->getOpcode()) {
260   case Instruction::PHI:
261   case Instruction::LandingPad:
262   case Instruction::Alloca:
263   case Instruction::Load:
264   case Instruction::Invoke:
265   case Instruction::UDiv:
266   case Instruction::SDiv:
267   case Instruction::FDiv:
268   case Instruction::URem:
269   case Instruction::SRem:
270   case Instruction::FRem:
271     return true;
272   case Instruction::Call:
273     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
274   default:
275     return false;
276   }
277 }
278
279 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
280   unsigned i = 2;
281
282   // Assign distinct ranks to function arguments.
283   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I) {
284     ValueRankMap[&*I] = ++i;
285     DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << I->getName() << "] = " << i << "\n");
286   }
287
288   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
289   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
290          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
291     BasicBlock *BB = *I;
292     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
293
294     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
295     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
296     // all different in the block.
297     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
298       if (isUnmovableInstruction(I))
299         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
300   }
301 }
302
303 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
304   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
305   if (!I) {
306     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
307     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
308   }
309
310   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
311     return Rank;    // Rank already known?
312
313   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
314   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
315   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
316   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
317   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
318   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
319        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
320     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
321
322   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
323   // assures us that X and ~X will have the same rank.
324   Type *Ty = V->getType();
325   if ((!Ty->isIntegerTy() && !Ty->isFloatingPointTy()) ||
326       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I) &&
327        !BinaryOperator::isFNeg(I)))
328     ++Rank;
329
330   DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = " << Rank << "\n");
331
332   return ValueRankMap[I] = Rank;
333 }
334
335 // Canonicalize constants to RHS.  Otherwise, sort the operands by rank.
336 void Reassociate::canonicalizeOperands(Instruction *I) {
337   assert(isa<BinaryOperator>(I) && "Expected binary operator.");
338   assert(I->isCommutative() && "Expected commutative operator.");
339
340   Value *LHS = I->getOperand(0);
341   Value *RHS = I->getOperand(1);
342   unsigned LHSRank = getRank(LHS);
343   unsigned RHSRank = getRank(RHS);
344
345   if (isa<Constant>(RHS))
346     return;
347
348   if (isa<Constant>(LHS) || RHSRank < LHSRank)
349     cast<BinaryOperator>(I)->swapOperands();
350 }
351
352 static BinaryOperator *CreateAdd(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
353                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
354   if (S1->getType()->isIntegerTy())
355     return BinaryOperator::CreateAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
356   else {
357     BinaryOperator *Res =
358         BinaryOperator::CreateFAdd(S1, S2, Name, InsertBefore);
359     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
360     return Res;
361   }
362 }
363
364 static BinaryOperator *CreateMul(Value *S1, Value *S2, const Twine &Name,
365                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
366   if (S1->getType()->isIntegerTy())
367     return BinaryOperator::CreateMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
368   else {
369     BinaryOperator *Res =
370       BinaryOperator::CreateFMul(S1, S2, Name, InsertBefore);
371     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
372     return Res;
373   }
374 }
375
376 static BinaryOperator *CreateNeg(Value *S1, const Twine &Name,
377                                  Instruction *InsertBefore, Value *FlagsOp) {
378   if (S1->getType()->isIntegerTy())
379     return BinaryOperator::CreateNeg(S1, Name, InsertBefore);
380   else {
381     BinaryOperator *Res = BinaryOperator::CreateFNeg(S1, Name, InsertBefore);
382     Res->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(FlagsOp)->getFastMathFlags());
383     return Res;
384   }
385 }
386
387 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
388 ///
389 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
390   Type *Ty = Neg->getType();
391   Constant *NegOne = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::getAllOnesValue(Ty)
392                                        : ConstantFP::get(Ty, -1.0);
393
394   BinaryOperator *Res = CreateMul(Neg->getOperand(1), NegOne, "", Neg, Neg);
395   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Ty)); // Drop use of op.
396   Res->takeName(Neg);
397   if (Ty->isIntegerTy()) {
398     bool NSW = cast<BinaryOperator>(Neg)->hasNoSignedWrap();
399     bool NUW = cast<BinaryOperator>(Neg)->hasNoUnsignedWrap();
400     if (NSW || NUW)
401       Res->setHasNoSignedWrap(true);
402     Res->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
403   }
404   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
405   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
406   return Res;
407 }
408
409 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
410 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
411 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
412 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
413 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
414 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
415   if (Bitwidth < 3)
416     return Bitwidth - 1;
417   return Bitwidth - 2;
418 }
419
420 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
421 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
422 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
423 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
424 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
425 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
426 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
427 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
428   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
429   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
430   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
431   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
432   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
433   // weight back into range if wrapping would be wrong.
434
435   // If RHS is zero then the weight didn't change.
436   if (RHS.isMinValue())
437     return;
438   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
439   if (LHS.isMinValue()) {
440     LHS = RHS;
441     return;
442   }
443   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
444
445   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
446     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
447     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
448     // not a problem.
449     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
450     return; // Return a weight of 1.
451   }
452   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
453     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
454     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
455     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
456     return;
457   }
458   if (Opcode == Instruction::Add || Opcode == Instruction::FAdd) {
459     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
460     LHS += RHS;
461     return;
462   }
463
464   assert((Opcode == Instruction::Mul || Opcode == Instruction::FMul) &&
465          "Unknown associative operation!");
466   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
467   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
468   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
469   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
470   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
471   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
472   // which by a happy accident means that they can always be represented using
473   // Bitwidth bits.
474   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
475   // the Carmichael number).
476   if (Bitwidth > 3) {
477     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
478     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
479     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
480     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
481     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
482     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
483     LHS += RHS;
484     while (LHS.uge(Threshold))
485       LHS -= CM;
486   } else {
487     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
488     // a larger type.
489     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
490     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
491     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
492            "Weights not reduced!");
493     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
494     while (Total >= Threshold)
495       Total -= CM;
496     LHS = Total;
497   }
498 }
499
500 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
501
502 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
503 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
504 /// original expression is the same as
505 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
506 /// op
507 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
508 /// op
509 ///   ...
510 /// op
511 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
512 ///
513 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
514 ///
515 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
516 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
517 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
518 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
519 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
520 ///
521 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
522 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
523 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
524 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
525 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
526 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
527 /// use is a non-leaf node of the expression.
528 ///
529 /// For example:
530 ///           expression graph        node names
531 ///
532 ///                     +        |        I
533 ///                    / \       |
534 ///                   +   +      |      A,  B
535 ///                  / \ / \     |
536 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
537 ///                / \ / \ / \   |
538 ///                   +   *      |      F,  G
539 ///
540 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
541 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
542 ///
543 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
544 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
545 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
546 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
547 ///
548 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
549 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
550 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
551 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
552 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
553 /// made a change by returning 'true'.
554 ///
555 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
556 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
557 ///
558 ///                     +        |        I
559 ///                    / \       |
560 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
561 ///                  / \   \     |
562 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
563 ///                / \ / \ / \   |
564 ///                   +   *      |      F,  G
565 ///
566 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
567 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
568 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
569 /// which requires passing through a phi node.
570 ///
571 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
572 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
573 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
574 /// type and thus make the expression bigger.
575
576 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
577                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
578   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
579   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
580   unsigned Opcode = I->getOpcode();
581   assert(I->isAssociative() && I->isCommutative() &&
582          "Expected an associative and commutative operation!");
583
584   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
585   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
586   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
587   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
588   // while A has weight two.
589
590   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
591   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
592   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
593   // ways to get to it.
594   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
595   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
596   bool Changed = false;
597
598   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
599   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
600   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
601   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
602   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
603   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
604   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
605   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
606   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
607   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
608   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
609   // are explored.
610
611   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
612   // paths to each leaf seen so far.
613   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
614   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
615   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
616
617 #ifndef NDEBUG
618   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
619 #endif
620   while (!Worklist.empty()) {
621     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
622     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
623
624     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
625       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
626       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
627       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
628       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
629
630       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
631       // add its operands to the expression.
632       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
633         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
634         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
635         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
636         continue;
637       }
638
639       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
640       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
641       if (It == Leaves.end()) {
642         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
643         assert(Visited.insert(Op).second && "Not first visit!");
644         if (!Op->hasOneUse()) {
645           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
646           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
647           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
648           LeafOrder.push_back(Op);
649           Leaves[Op] = Weight;
650           continue;
651         }
652         // No uses outside the expression, try morphing it.
653       } else if (It != Leaves.end()) {
654         // Already in the leaf map.
655         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
656
657         // Update the number of paths to the leaf.
658         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
659
660 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
661         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
662         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
663         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
664         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
665         Changed = true;
666
667         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
668         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
669         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
670         // its operands to the expression.
671         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
672           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
673           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
674           Leaves.erase(It);
675           continue;
676         }
677 #endif
678
679         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
680         // then it is not safe to modify the value.
681         if (!Op->hasOneUse())
682           continue;
683
684         // No uses outside the expression, try morphing it.
685         Weight = It->second;
686         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
687       }
688
689       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
690       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
691       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
692       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
693       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
694               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode
695               || (isa<FPMathOperator>(Op) &&
696                   !cast<Instruction>(Op)->hasUnsafeAlgebra())) &&
697              "Should have been handled above!");
698       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
699
700       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
701       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
702       if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op))
703         if ((Opcode == Instruction::Mul && BinaryOperator::isNeg(BO)) ||
704             (Opcode == Instruction::FMul && BinaryOperator::isFNeg(BO))) {
705           DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
706           BO = LowerNegateToMultiply(BO);
707           DEBUG(dbgs() << *BO << '\n');
708           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
709           Changed = true;
710           continue;
711         }
712
713       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
714       // a leaf.
715       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
716       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
717       LeafOrder.push_back(Op);
718       Leaves[Op] = Weight;
719     }
720   }
721
722   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
723   // form of the expression.
724   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
725     Value *V = LeafOrder[i];
726     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
727     if (It == Leaves.end())
728       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
729       continue;
730     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
731     APInt Weight = It->second;
732     if (Weight.isMinValue())
733       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
734       continue;
735     // Ensure the leaf is only output once.
736     It->second = 0;
737     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
738   }
739
740   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
741   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
742   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
743   if (Ops.empty()) {
744     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
745     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
746     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
747   }
748
749   return Changed;
750 }
751
752 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
753 // linearized and optimized, emit them in-order.
754 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
755                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
756   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
757
758   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
759   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
760   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
761   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
762   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
763   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
764   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
765   // nsw flags.
766
767   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
768   /// the new expression into.
769   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
770   unsigned Opcode = I->getOpcode();
771   BinaryOperator *Op = I;
772
773   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
774   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
775   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
776   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
777   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
778   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
779   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
780   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
781   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
782   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
783   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
784   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
785     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
786
787   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
788   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
789   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
790   BinaryOperator *ExpressionChanged = nullptr;
791   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
792     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
793     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
794     // a subexpression.
795     if (i+2 == Ops.size()) {
796       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
797       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
798       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
799       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
800
801       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
802         // Nothing changed, leave it alone.
803         break;
804
805       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
806         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
807         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
808         Op->swapOperands();
809         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
810         MadeChange = true;
811         ++NumChanged;
812         break;
813       }
814
815       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
816       // the old operands with the new ones.
817       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
818       if (NewLHS != OldLHS) {
819         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
820         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
821           NodesToRewrite.push_back(BO);
822         Op->setOperand(0, NewLHS);
823       }
824       if (NewRHS != OldRHS) {
825         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
826         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
827           NodesToRewrite.push_back(BO);
828         Op->setOperand(1, NewRHS);
829       }
830       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
831
832       ExpressionChanged = Op;
833       MadeChange = true;
834       ++NumChanged;
835
836       break;
837     }
838
839     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
840     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
841     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
842     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
843       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
844       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
845         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
846         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
847         Op->swapOperands();
848       } else {
849         // Overwrite with the new right-hand side.
850         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
851         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
852           NodesToRewrite.push_back(BO);
853         Op->setOperand(1, NewRHS);
854         ExpressionChanged = Op;
855       }
856       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
857       MadeChange = true;
858       ++NumChanged;
859     }
860
861     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
862     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
863     // into it.
864     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
865     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
866       Op = BO;
867       continue;
868     }
869
870     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
871     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
872     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
873     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
874     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
875     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
876     // stupid, create a new node if there are none left.
877     BinaryOperator *NewOp;
878     if (NodesToRewrite.empty()) {
879       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
880       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
881                                      Undef, Undef, "", I);
882       if (NewOp->getType()->isFloatingPointTy())
883         NewOp->setFastMathFlags(I->getFastMathFlags());
884     } else {
885       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
886     }
887
888     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
889     Op->setOperand(0, NewOp);
890     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
891     ExpressionChanged = Op;
892     MadeChange = true;
893     ++NumChanged;
894     Op = NewOp;
895   }
896
897   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
898   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
899   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
900   // expression tree is dominated by all of Ops.
901   if (ExpressionChanged)
902     do {
903       // Preserve FastMathFlags.
904       if (isa<FPMathOperator>(I)) {
905         FastMathFlags Flags = I->getFastMathFlags();
906         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
907         ExpressionChanged->setFastMathFlags(Flags);
908       } else
909         ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
910
911       if (ExpressionChanged == I)
912         break;
913       ExpressionChanged->moveBefore(I);
914       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
915     } while (1);
916
917   // Throw away any left over nodes from the original expression.
918   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
919     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
920 }
921
922 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
923 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
924 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
925 /// that should be processed next by the reassociation pass.
926 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
927   if (ConstantFP *C = dyn_cast<ConstantFP>(V))
928     return ConstantExpr::getFNeg(C);
929   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
930     return ConstantExpr::getNeg(C);
931
932   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
933   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
934   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
935   // this means that we turn this:
936   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
937   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
938   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
939   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
940   //
941   if (BinaryOperator *I =
942           isReassociableOp(V, Instruction::Add, Instruction::FAdd)) {
943     // Push the negates through the add.
944     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
945     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
946
947     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
948     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
949     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
950     // instruction we are about to insert after them.
951     //
952     I->moveBefore(BI);
953     I->setName(I->getName()+".neg");
954     return I;
955   }
956
957   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
958   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
959   for (User *U : V->users()) {
960     if (!BinaryOperator::isNeg(U) && !BinaryOperator::isFNeg(U))
961       continue;
962
963     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
964     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
965     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
966     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
967     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
968
969     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
970     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
971       continue;
972
973     BasicBlock::iterator InsertPt;
974     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
975       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
976         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
977       } else {
978         InsertPt = InstInput;
979         ++InsertPt;
980       }
981       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
982     } else {
983       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
984     }
985     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
986     return TheNeg;
987   }
988
989   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
990   // negation.
991   return CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI, BI);
992 }
993
994 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
995 /// X-Y into (X + -Y).
996 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
997   // If this is a negation, we can't split it up!
998   if (BinaryOperator::isNeg(Sub) || BinaryOperator::isFNeg(Sub))
999     return false;
1000
1001   // Don't breakup X - undef.
1002   if (isa<UndefValue>(Sub->getOperand(1)))
1003     return false;
1004
1005   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
1006   // subtract or if this is only used by one.
1007   Value *V0 = Sub->getOperand(0);
1008   if (isReassociableOp(V0, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1009       isReassociableOp(V0, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1010     return true;
1011   Value *V1 = Sub->getOperand(1);
1012   if (isReassociableOp(V1, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1013       isReassociableOp(V1, Instruction::Sub, Instruction::FSub))
1014     return true;
1015   Value *VB = Sub->user_back();
1016   if (Sub->hasOneUse() &&
1017       (isReassociableOp(VB, Instruction::Add, Instruction::FAdd) ||
1018        isReassociableOp(VB, Instruction::Sub, Instruction::FSub)))
1019     return true;
1020
1021   return false;
1022 }
1023
1024 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
1025 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
1026 /// reassociation.
1027 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
1028   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
1029   // instructions to be commuted with other add instructions.
1030   //
1031   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
1032   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
1033   //
1034   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
1035   BinaryOperator *New = CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub, Sub);
1036   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1037   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
1038   New->takeName(Sub);
1039
1040   // Everyone now refers to the add instruction.
1041   Sub->replaceAllUsesWith(New);
1042   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
1043
1044   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
1045   return New;
1046 }
1047
1048 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
1049 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
1050 /// reassociation.
1051 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
1052   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
1053   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
1054
1055   BinaryOperator *Mul =
1056     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
1057   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
1058   Mul->takeName(Shl);
1059
1060   // Everyone now refers to the mul instruction.
1061   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
1062   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
1063
1064   // We can safely preserve the nuw flag in all cases.  It's also safe to turn a
1065   // nuw nsw shl into a nuw nsw mul.  However, nsw in isolation requires special
1066   // handling.
1067   bool NSW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoSignedWrap();
1068   bool NUW = cast<BinaryOperator>(Shl)->hasNoUnsignedWrap();
1069   if (NSW && NUW)
1070     Mul->setHasNoSignedWrap(true);
1071   Mul->setHasNoUnsignedWrap(NUW);
1072   return Mul;
1073 }
1074
1075 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
1076 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
1077 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
1078 /// same rank.
1079 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
1080                                   Value *X) {
1081   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
1082   unsigned e = Ops.size();
1083   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j) {
1084     if (Ops[j].Op == X)
1085       return j;
1086     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1087       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1088         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1089           return j;
1090   }
1091   // Scan backwards.
1092   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j) {
1093     if (Ops[j].Op == X)
1094       return j;
1095     if (Instruction *I1 = dyn_cast<Instruction>(Ops[j].Op))
1096       if (Instruction *I2 = dyn_cast<Instruction>(X))
1097         if (I1->isIdenticalTo(I2))
1098           return j;
1099   }
1100   return i;
1101 }
1102
1103 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
1104 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
1105 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
1106                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
1107   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
1108
1109   Value *V1 = Ops.back();
1110   Ops.pop_back();
1111   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
1112   return CreateAdd(V2, V1, "tmp", I, I);
1113 }
1114
1115 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
1116 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
1117 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
1118 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
1119   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1120   if (!BO)
1121     return nullptr;
1122
1123   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1124   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1125   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1126   Factors.reserve(Tree.size());
1127   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1128     RepeatedValue E = Tree[i];
1129     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1130                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1131   }
1132
1133   bool FoundFactor = false;
1134   bool NeedsNegate = false;
1135   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1136     if (Factors[i].Op == Factor) {
1137       FoundFactor = true;
1138       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1139       break;
1140     }
1141
1142     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1143     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1144       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1145         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1146           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1147           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1148           break;
1149         }
1150     } else if (ConstantFP *FC1 = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1151       if (ConstantFP *FC2 = dyn_cast<ConstantFP>(Factors[i].Op)) {
1152         APFloat F1(FC1->getValueAPF());
1153         APFloat F2(FC2->getValueAPF());
1154         F2.changeSign();
1155         if (F1.compare(F2) == APFloat::cmpEqual) {
1156           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1157           Factors.erase(Factors.begin() + i);
1158           break;
1159         }
1160       }
1161     }
1162   }
1163
1164   if (!FoundFactor) {
1165     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1166     RewriteExprTree(BO, Factors);
1167     return nullptr;
1168   }
1169
1170   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1171
1172   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1173   // remaining operand.
1174   if (Factors.size() == 1) {
1175     RedoInsts.insert(BO);
1176     V = Factors[0].Op;
1177   } else {
1178     RewriteExprTree(BO, Factors);
1179     V = BO;
1180   }
1181
1182   if (NeedsNegate)
1183     V = CreateNeg(V, "neg", InsertPt, BO);
1184
1185   return V;
1186 }
1187
1188 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1189 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1190 ///
1191 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1192 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1193                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1194                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1195   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1196   if (!BO) {
1197     Factors.push_back(V);
1198     return;
1199   }
1200
1201   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1202   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1203   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1204 }
1205
1206 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1207 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1208 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1209 /// necessary.
1210 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1211                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1212   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1213   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1214   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1215     // First, check for X and ~X in the operand list.
1216     assert(i < Ops.size());
1217     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1218       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1219       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1220       if (FoundX != i) {
1221         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1222           return Constant::getNullValue(X->getType());
1223
1224         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1225           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1226       }
1227     }
1228
1229     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1230     // each other, due to our sorting criteria.
1231     assert(i < Ops.size());
1232     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1233       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1234         // Drop duplicate values for And and Or.
1235         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1236         --i; --e;
1237         ++NumAnnihil;
1238         continue;
1239       }
1240
1241       // Drop pairs of values for Xor.
1242       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1243       if (e == 2)
1244         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1245
1246       // Y ^ X^X -> Y
1247       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1248       i -= 1; e -= 2;
1249       ++NumAnnihil;
1250     }
1251   }
1252   return nullptr;
1253 }
1254
1255 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1256 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1257 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1258 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1259 /// be returned.
1260 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1261                              const APInt &ConstOpnd) {
1262   if (ConstOpnd != 0) {
1263     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1264       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1265       Instruction *I;
1266       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1267                                     "and.ra", InsertBefore);
1268       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1269       return I;
1270     }
1271     return Opnd;
1272   }
1273   return nullptr;
1274 }
1275
1276 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1277 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1278 //
1279 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1280 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1281 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1282 //  
1283 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1284                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1285   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1286   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1287   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1288   // It is useful only when c1 == c2.
1289   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1290     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1291       return false;
1292
1293     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1294     if (C1 != ConstOpnd)
1295       return false;
1296
1297     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1298     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1299     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1300     ConstOpnd ^= C1;
1301
1302     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1303       RedoInsts.insert(T);
1304     return true;
1305   }
1306   return false;
1307 }
1308
1309                            
1310 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1311 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1312 // symbolic value. 
1313 // 
1314 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1315 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1316 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1317 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1318 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1319                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1320   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1321   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1322     return false;
1323
1324   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1325   int DeadInstNum = 1;
1326   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1327     DeadInstNum++;
1328   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1329     DeadInstNum++;
1330
1331   // Xor-Rule 2:
1332   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1333   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1334   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1335   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1336   //
1337   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1338     if (Opnd2->isOrExpr())
1339       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1340
1341     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1342     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1343     APInt C3((~C1) ^ C2);
1344
1345     // Do not increase code size!
1346     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1347       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1348       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1349         return false;
1350     }
1351
1352     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1353     ConstOpnd ^= C1;
1354
1355   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1356     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1357     //
1358     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1359     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1360     APInt C3 = C1 ^ C2;
1361     
1362     // Do not increase code size
1363     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1364       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1365       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1366         return false;
1367     }
1368
1369     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1370     ConstOpnd ^= C3;
1371   } else {
1372     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1373     //
1374     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1375     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1376     APInt C3 = C1 ^ C2;
1377     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1378   }
1379
1380   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1381   // as dead code.
1382   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1383     RedoInsts.insert(T);
1384   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1385     RedoInsts.insert(T);
1386
1387   return true;
1388 }
1389
1390 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1391 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1392 /// necessary.
1393 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1394                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1395   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1396     return V;
1397       
1398   if (Ops.size() == 1)
1399     return nullptr;
1400
1401   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1402   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1403   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1404   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1405
1406   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1407   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1408     Value *V = Ops[i].Op;
1409     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1410       XorOpnd O(V);
1411       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1412       Opnds.push_back(O);
1413     } else
1414       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1415   }
1416
1417   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1418   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1419   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1420   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1421   //  when new elements are added to the vector.
1422   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1423     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1424
1425   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1426   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1427   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1428   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1429   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1430
1431   // Step 3: Combine adjacent operands
1432   XorOpnd *PrevOpnd = nullptr;
1433   bool Changed = false;
1434   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1435     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1436     // The combined value
1437     Value *CV;
1438
1439     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1440     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1441       Changed = true;
1442       if (CV)
1443         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1444       else {
1445         CurrOpnd->Invalidate();
1446         continue;
1447       }
1448     }
1449
1450     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1451       PrevOpnd = CurrOpnd;
1452       continue;
1453     }
1454
1455     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1456     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1457     //    
1458     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1459       // Remove previous operand
1460       PrevOpnd->Invalidate();
1461       if (CV) {
1462         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1463         PrevOpnd = CurrOpnd;
1464       } else {
1465         CurrOpnd->Invalidate();
1466         PrevOpnd = nullptr;
1467       }
1468       Changed = true;
1469     }
1470   }
1471
1472   // Step 4: Reassemble the Ops
1473   if (Changed) {
1474     Ops.clear();
1475     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1476       XorOpnd &O = Opnds[i];
1477       if (O.isInvalid())
1478         continue;
1479       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1480       Ops.push_back(VE);
1481     }
1482     if (ConstOpnd != 0) {
1483       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1484       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1485       Ops.push_back(VE);
1486     }
1487     int Sz = Ops.size();
1488     if (Sz == 1)
1489       return Ops.back().Op;
1490     else if (Sz == 0) {
1491       assert(ConstOpnd == 0);
1492       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1493     }
1494   }
1495
1496   return nullptr;
1497 }
1498
1499 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1500 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1501 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1502 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1503                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1504   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1505   // can simplify expressions like X+-X == 0 and X+~X ==-1.  While we're at it,
1506   // scan for any
1507   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1508
1509   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1510     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1511     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1512     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1513     // that these need to be next to each other in the vector.
1514     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1515       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1516       unsigned NumFound = 0;
1517       do {
1518         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1519         ++NumFound;
1520       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1521
1522       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1523       ++NumFactor;
1524
1525       // Insert a new multiply.
1526       Type *Ty = TheOp->getType();
1527       Constant *C = Ty->isIntegerTy() ? ConstantInt::get(Ty, NumFound)
1528                                       : ConstantFP::get(Ty, NumFound);
1529       Instruction *Mul = CreateMul(TheOp, C, "factor", I, I);
1530
1531       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1532       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1533       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1534       RedoInsts.insert(Mul);
1535
1536       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1537       if (Ops.empty())
1538         return Mul;
1539
1540       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1541       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1542       // things being added by this operation.
1543       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1544
1545       --i;
1546       e = Ops.size();
1547       continue;
1548     }
1549
1550     // Check for X and -X or X and ~X in the operand list.
1551     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp) && !BinaryOperator::isFNeg(TheOp) &&
1552         !BinaryOperator::isNot(TheOp))
1553       continue;
1554
1555     Value *X = nullptr;
1556     if (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp))
1557       X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1558     else if (BinaryOperator::isNot(TheOp))
1559       X = BinaryOperator::getNotArgument(TheOp);
1560
1561     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1562     if (FoundX == i)
1563       continue;
1564
1565     // Remove X and -X from the operand list.
1566     if (Ops.size() == 2 &&
1567         (BinaryOperator::isNeg(TheOp) || BinaryOperator::isFNeg(TheOp)))
1568       return Constant::getNullValue(X->getType());
1569
1570     // Remove X and ~X from the operand list.
1571     if (Ops.size() == 2 && BinaryOperator::isNot(TheOp))
1572       return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1573
1574     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1575     if (i < FoundX)
1576       --FoundX;
1577     else
1578       --i;   // Need to back up an extra one.
1579     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1580     ++NumAnnihil;
1581     --i;     // Revisit element.
1582     e -= 2;  // Removed two elements.
1583
1584     // if X and ~X we append -1 to the operand list.
1585     if (BinaryOperator::isNot(TheOp)) {
1586       Value *V = Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1587       Ops.insert(Ops.end(), ValueEntry(getRank(V), V));
1588       e += 1;
1589     }
1590   }
1591
1592   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1593   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1594   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1595   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1596   // for any ADD operands that are MULs.
1597   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1598
1599   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1600   // where they are actually the same multiply.
1601   unsigned MaxOcc = 0;
1602   Value *MaxOccVal = nullptr;
1603   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1604     BinaryOperator *BOp =
1605         isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1606     if (!BOp)
1607       continue;
1608
1609     // Compute all of the factors of this added value.
1610     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1611     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1612     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1613
1614     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1615     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1616     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1617       Value *Factor = Factors[i];
1618       if (!Duplicates.insert(Factor).second)
1619         continue;
1620
1621       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1622       if (Occ > MaxOcc) {
1623         MaxOcc = Occ;
1624         MaxOccVal = Factor;
1625       }
1626
1627       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1628       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1629       // cannot be positivified.
1630       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor)) {
1631         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1632           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1633           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1634                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1635           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1636           if (Occ > MaxOcc) {
1637             MaxOcc = Occ;
1638             MaxOccVal = Factor;
1639           }
1640         }
1641       } else if (ConstantFP *CF = dyn_cast<ConstantFP>(Factor)) {
1642         if (CF->isNegative()) {
1643           APFloat F(CF->getValueAPF());
1644           F.changeSign();
1645           Factor = ConstantFP::get(CF->getContext(), F);
1646           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1647                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1648           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1649           if (Occ > MaxOcc) {
1650             MaxOcc = Occ;
1651             MaxOccVal = Factor;
1652           }
1653         }
1654       }
1655     }
1656   }
1657
1658   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1659   if (MaxOcc > 1) {
1660     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1661     ++NumFactor;
1662
1663     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1664     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1665     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1666     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1667     Instruction *DummyInst =
1668         I->getType()->isIntegerTy()
1669             ? BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal)
1670             : BinaryOperator::CreateFAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1671
1672     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1673     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1674       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1675       BinaryOperator *BOp =
1676           isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul, Instruction::FMul);
1677       if (!BOp)
1678         continue;
1679
1680       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1681         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1682         // one fell swoop.
1683         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1684           --j;
1685           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1686             NewMulOps.push_back(V);
1687             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1688           }
1689         }
1690         --i;
1691       }
1692     }
1693
1694     // No need for extra uses anymore.
1695     delete DummyInst;
1696
1697     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1698     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1699
1700     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1701     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1702     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1703     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1704     (void)NumAddedValues;
1705     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1706       RedoInsts.insert(VI);
1707
1708     // Create the multiply.
1709     Instruction *V2 = CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I, I);
1710
1711     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1712     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1713     RedoInsts.insert(V2);
1714
1715     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1716     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1717     if (Ops.empty())
1718       return V2;
1719
1720     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1721     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1722     // things being added by this operation.
1723     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1724   }
1725
1726   return nullptr;
1727 }
1728
1729 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1730 ///
1731 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1732 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1733 /// the order of descending power.
1734 ///
1735 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1736 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1737 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1738 ///
1739 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1740 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1741                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1742   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1743   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1744   unsigned FactorPowerSum = 0;
1745   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1746     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1747
1748     // Count the number of occurrences of this value.
1749     unsigned Count = 1;
1750     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1751       ++Count;
1752     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1753     if (Count > 1)
1754       FactorPowerSum += Count;
1755   }
1756
1757   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1758   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1759   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1760   // trying to simplify already minimal formations.
1761   if (FactorPowerSum < 4)
1762     return false;
1763
1764   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1765   FactorPowerSum = 0;
1766   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1767     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1768
1769     // Count the number of occurrences of this value.
1770     unsigned Count = 1;
1771     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1772       ++Count;
1773     if (Count == 1)
1774       continue;
1775     // Move an even number of occurrences to Factors.
1776     Count &= ~1U;
1777     Idx -= Count;
1778     FactorPowerSum += Count;
1779     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1780     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1781   }
1782
1783   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1784   // below our mininum of '4'.
1785   assert(FactorPowerSum >= 4);
1786
1787   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1788   return true;
1789 }
1790
1791 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1792 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1793                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1794   if (Ops.size() == 1)
1795     return Ops.back();
1796
1797   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1798   do {
1799     if (LHS->getType()->isIntegerTy())
1800       LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1801     else
1802       LHS = Builder.CreateFMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1803   } while (!Ops.empty());
1804
1805   return LHS;
1806 }
1807
1808 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1809 ///
1810 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1811 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1812 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1813 /// value.
1814 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1815                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1816   assert(Factors[0].Power);
1817   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1818   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1819        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1820     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1821       LastIdx = Idx;
1822       continue;
1823     }
1824
1825     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1826     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1827     // for that.
1828     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1829     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1830     do {
1831       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1832       ++Idx;
1833     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1834
1835     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1836     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1837     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1838     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1839       RedoInsts.insert(MI);
1840
1841     LastIdx = Idx;
1842   }
1843   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1844   // base.
1845   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1846                             Factor::PowerEqual()),
1847                 Factors.end());
1848
1849   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1850   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1851   // expression.
1852   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1853     if (Factors[Idx].Power & 1)
1854       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1855     Factors[Idx].Power >>= 1;
1856   }
1857   if (Factors[0].Power) {
1858     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1859     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1860     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1861   }
1862   if (OuterProduct.size() == 1)
1863     return OuterProduct.front();
1864
1865   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1866   return V;
1867 }
1868
1869 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1870                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1871   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1872   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1873   if (Ops.size() < 4)
1874     return nullptr;
1875
1876   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1877   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1878   // re-use.
1879   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1880   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1881     return nullptr; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1882
1883   IRBuilder<> Builder(I);
1884   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1885   if (Ops.empty())
1886     return V;
1887
1888   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1889   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1890   return nullptr;
1891 }
1892
1893 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1894                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1895   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1896   // Start by folding any constants that we found.
1897   Constant *Cst = nullptr;
1898   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1899   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1900     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1901     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1902   }
1903   // If there was nothing but constants then we are done.
1904   if (Ops.empty())
1905     return Cst;
1906
1907   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1908   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1909   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1910   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1911     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1912       return Cst;
1913     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1914   }
1915
1916   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1917
1918   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1919   // argument list here.
1920   unsigned NumOps = Ops.size();
1921   switch (Opcode) {
1922   default: break;
1923   case Instruction::And:
1924   case Instruction::Or:
1925     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1926       return Result;
1927     break;
1928
1929   case Instruction::Xor:
1930     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1931       return Result;
1932     break;
1933
1934   case Instruction::Add:
1935   case Instruction::FAdd:
1936     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1937       return Result;
1938     break;
1939
1940   case Instruction::Mul:
1941   case Instruction::FMul:
1942     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1943       return Result;
1944     break;
1945   }
1946
1947   if (Ops.size() != NumOps)
1948     return OptimizeExpression(I, Ops);
1949   return nullptr;
1950 }
1951
1952 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1953 /// work list.
1954 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1955   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1956   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1957   // Erase the dead instruction.
1958   ValueRankMap.erase(I);
1959   RedoInsts.remove(I);
1960   I->eraseFromParent();
1961   // Optimize its operands.
1962   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1963   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1964     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1965       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1966       // and add that since that's where optimization actually happens.
1967       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1968       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1969              Visited.insert(Op).second)
1970         Op = Op->user_back();
1971       RedoInsts.insert(Op);
1972     }
1973 }
1974
1975 // Canonicalize expressions of the following form:
1976 //  x + (-Constant * y) -> x - (Constant * y)
1977 //  x - (-Constant * y) -> x + (Constant * y)
1978 Instruction *Reassociate::canonicalizeNegConstExpr(Instruction *I) {
1979   if (!I->hasOneUse() || I->getType()->isVectorTy())
1980     return nullptr;
1981
1982   // Must be a mul, fmul, or fdiv instruction.
1983   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1984   if (Opcode != Instruction::Mul && Opcode != Instruction::FMul &&
1985       Opcode != Instruction::FDiv)
1986     return nullptr;
1987
1988   // Must have at least one constant operand.
1989   Constant *C0 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(0));
1990   Constant *C1 = dyn_cast<Constant>(I->getOperand(1));
1991   if (!C0 && !C1)
1992     return nullptr;
1993
1994   // Must be a negative ConstantInt or ConstantFP.
1995   Constant *C = C0 ? C0 : C1;
1996   unsigned ConstIdx = C0 ? 0 : 1;
1997   if (auto *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C)) {
1998     if (!CI->isNegative())
1999       return nullptr;
2000   } else if (auto *CF = dyn_cast<ConstantFP>(C)) {
2001     if (!CF->isNegative())
2002       return nullptr;
2003   } else
2004     return nullptr;
2005
2006   // User must be a binary operator with one or more uses.
2007   Instruction *User = I->user_back();
2008   if (!isa<BinaryOperator>(User) || !User->getNumUses())
2009     return nullptr;
2010
2011   unsigned UserOpcode = User->getOpcode();
2012   if (UserOpcode != Instruction::Add && UserOpcode != Instruction::FAdd &&
2013       UserOpcode != Instruction::Sub && UserOpcode != Instruction::FSub)
2014     return nullptr;
2015
2016   // Subtraction is not commutative. Explicitly, the following transform is
2017   // not valid: (-Constant * y) - x  -> x + (Constant * y)
2018   if (!User->isCommutative() && User->getOperand(1) != I)
2019     return nullptr;
2020
2021   // Change the sign of the constant.
2022   if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(C))
2023     I->setOperand(ConstIdx, ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue()));
2024   else {
2025     ConstantFP *CF = cast<ConstantFP>(C);
2026     APFloat Val = CF->getValueAPF();
2027     Val.changeSign();
2028     I->setOperand(ConstIdx, ConstantFP::get(CF->getContext(), Val));
2029   }
2030
2031   // Canonicalize I to RHS to simplify the next bit of logic. E.g.,
2032   // ((-Const*y) + x) -> (x + (-Const*y)).
2033   if (User->getOperand(0) == I && User->isCommutative())
2034     cast<BinaryOperator>(User)->swapOperands();
2035
2036   Value *Op0 = User->getOperand(0);
2037   Value *Op1 = User->getOperand(1);
2038   BinaryOperator *NI;
2039   switch(UserOpcode) {
2040   default:
2041     llvm_unreachable("Unexpected Opcode!");
2042   case Instruction::Add:
2043     NI = BinaryOperator::CreateSub(Op0, Op1);
2044     break;
2045   case Instruction::Sub:
2046     NI = BinaryOperator::CreateAdd(Op0, Op1);
2047     break;
2048   case Instruction::FAdd:
2049     NI = BinaryOperator::CreateFSub(Op0, Op1);
2050     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2051     break;
2052   case Instruction::FSub:
2053     NI = BinaryOperator::CreateFAdd(Op0, Op1);
2054     NI->setFastMathFlags(cast<FPMathOperator>(User)->getFastMathFlags());
2055     break;
2056   }
2057
2058   NI->insertBefore(User);
2059   NI->setName(User->getName());
2060   User->replaceAllUsesWith(NI);
2061   NI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2062   RedoInsts.insert(I);
2063   MadeChange = true;
2064   return NI;
2065 }
2066
2067 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
2068 /// instructions is not allowed.
2069 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
2070   // Only consider operations that we understand.
2071   if (!isa<BinaryOperator>(I))
2072     return;
2073
2074   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl && isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
2075     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
2076     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
2077     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
2078         (I->hasOneUse() &&
2079          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
2080           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
2081       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
2082       RedoInsts.insert(I);
2083       MadeChange = true;
2084       I = NI;
2085     }
2086
2087   // Canonicalize negative constants out of expressions.
2088   if (Instruction *Res = canonicalizeNegConstExpr(I))
2089     I = Res;
2090
2091   // Commute binary operators, to canonicalize the order of their operands.
2092   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing other
2093   // transformations simpler.
2094   if (I->isCommutative())
2095     canonicalizeOperands(I);
2096
2097   // Don't optimize vector instructions.
2098   if (I->getType()->isVectorTy())
2099     return;
2100
2101   // Don't optimize floating point instructions that don't have unsafe algebra.
2102   if (I->getType()->isFloatingPointTy() && !I->hasUnsafeAlgebra())
2103     return;
2104
2105   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
2106   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
2107   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
2108   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
2109   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
2110   // optimized for the most likely conditions.
2111   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
2112     return;
2113
2114   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
2115   // see if we can convert it to X+-Y.
2116   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
2117     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2118       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2119       RedoInsts.insert(I);
2120       MadeChange = true;
2121       I = NI;
2122     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
2123       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2124       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2125       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
2126           (!I->hasOneUse() ||
2127            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
2128         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2129         RedoInsts.insert(I);
2130         MadeChange = true;
2131         I = NI;
2132       }
2133     }
2134   } else if (I->getOpcode() == Instruction::FSub) {
2135     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
2136       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
2137       RedoInsts.insert(I);
2138       MadeChange = true;
2139       I = NI;
2140     } else if (BinaryOperator::isFNeg(I)) {
2141       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
2142       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
2143       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::FMul) &&
2144           (!I->hasOneUse() ||
2145            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::FMul))) {
2146         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
2147         RedoInsts.insert(I);
2148         MadeChange = true;
2149         I = NI;
2150       }
2151     }
2152   }
2153
2154   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
2155   if (!I->isAssociative()) return;
2156   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
2157
2158   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
2159   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
2160   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
2161   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
2162     return;
2163
2164   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
2165   // until we process the subtract.
2166   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
2167       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
2168     return;
2169   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::FAdd &&
2170       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::FSub)
2171     return;
2172
2173   ReassociateExpression(BO);
2174 }
2175
2176 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
2177   assert(!I->getType()->isVectorTy() &&
2178          "Reassociation of vector instructions is not supported.");
2179
2180   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
2181   // operand information.
2182   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
2183   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
2184   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
2185   Ops.reserve(Tree.size());
2186   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
2187     RepeatedValue E = Tree[i];
2188     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
2189                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
2190   }
2191
2192   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2193
2194   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
2195   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
2196   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
2197   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
2198   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
2199   // the vector.
2200   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
2201
2202   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
2203   // sorted form, optimize it globally if possible.
2204   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
2205     if (V == I)
2206       // Self-referential expression in unreachable code.
2207       return;
2208     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2209     // eliminate it.
2210     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
2211     I->replaceAllUsesWith(V);
2212     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
2213       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2214     RedoInsts.insert(I);
2215     ++NumAnnihil;
2216     return;
2217   }
2218
2219   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
2220   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
2221   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
2222   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
2223   if (I->hasOneUse()) {
2224     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul &&
2225         cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
2226         isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
2227         cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
2228       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2229       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2230     } else if (I->getOpcode() == Instruction::FMul &&
2231                cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() ==
2232                    Instruction::FAdd &&
2233                isa<ConstantFP>(Ops.back().Op) &&
2234                cast<ConstantFP>(Ops.back().Op)->isExactlyValue(-1.0)) {
2235       ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
2236       Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
2237     }
2238   }
2239
2240   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
2241
2242   if (Ops.size() == 1) {
2243     if (Ops[0].Op == I)
2244       // Self-referential expression in unreachable code.
2245       return;
2246
2247     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
2248     // eliminate it.
2249     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
2250     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
2251       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
2252     RedoInsts.insert(I);
2253     return;
2254   }
2255
2256   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
2257   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
2258   RewriteExprTree(I, Ops);
2259 }
2260
2261 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
2262   if (skipOptnoneFunction(F))
2263     return false;
2264
2265   // Calculate the rank map for F
2266   BuildRankMap(F);
2267
2268   MadeChange = false;
2269   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
2270     // Optimize every instruction in the basic block.
2271     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
2272       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
2273         EraseInst(II++);
2274       } else {
2275         OptimizeInst(II);
2276         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
2277         ++II;
2278       }
2279
2280     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
2281     while (!RedoInsts.empty()) {
2282       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
2283       if (isInstructionTriviallyDead(I))
2284         EraseInst(I);
2285       else
2286         OptimizeInst(I);
2287     }
2288   }
2289
2290   // We are done with the rank map.
2291   RankMap.clear();
2292   ValueRankMap.clear();
2293
2294   return MadeChange;
2295 }