Grab-bag of reassociate tweaks. Unify handling of dead instructions and
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
24 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
25 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
26 #include "llvm/Constants.h"
27 #include "llvm/DerivedTypes.h"
28 #include "llvm/Function.h"
29 #include "llvm/Instructions.h"
30 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
31 #include "llvm/Pass.h"
32 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
33 #include "llvm/Support/CFG.h"
34 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/Support/Debug.h"
36 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
37 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
38 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
39 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
40 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
41 #include "llvm/ADT/SmallMap.h"
42 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
43 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
44 #include <algorithm>
45 using namespace llvm;
46
47 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
48 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
49 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
50
51 namespace {
52   struct ValueEntry {
53     unsigned Rank;
54     Value *Op;
55     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
56   };
57   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
58     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
59   }
60 }
61
62 #ifndef NDEBUG
63 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
64 ///
65 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
66   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
67   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
68        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
69   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
70     dbgs() << "[ ";
71     WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, false, M);
72     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
73   }
74 }
75 #endif
76
77 namespace {
78   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
79   /// factor of some product.
80   struct Factor {
81     Value *Base;
82     unsigned Power;
83
84     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
85
86     /// \brief Sort factors by their Base.
87     struct BaseSorter {
88       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
89         return LHS.Base < RHS.Base;
90       }
91     };
92
93     /// \brief Compare factors for equal bases.
94     struct BaseEqual {
95       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
96         return LHS.Base == RHS.Base;
97       }
98     };
99
100     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
101     struct PowerDescendingSorter {
102       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
103         return LHS.Power > RHS.Power;
104       }
105     };
106
107     /// \brief Compare factors for equal powers.
108     struct PowerEqual {
109       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
110         return LHS.Power == RHS.Power;
111       }
112     };
113   };
114 }
115
116 namespace {
117   class Reassociate : public FunctionPass {
118     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
119     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
120     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
121     bool MadeChange;
122   public:
123     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
124     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
125       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
126     }
127
128     bool runOnFunction(Function &F);
129
130     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
131       AU.setPreservesCFG();
132     }
133   private:
134     void BuildRankMap(Function &F);
135     unsigned getRank(Value *V);
136     Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
137     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
138     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
139                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
140     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
141     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
142                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
143     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
144                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
145     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
146     void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
147     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
148     void OptimizeInst(Instruction *I);
149   };
150 }
151
152 char Reassociate::ID = 0;
153 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
154                 "Reassociate expressions", false, false)
155
156 // Public interface to the Reassociate pass
157 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
158
159 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
160 /// opcode and if it only has one use.
161 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
162   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
163       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
164     return cast<BinaryOperator>(V);
165   return 0;
166 }
167
168 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
169   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
170       I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
171       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
172       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
173       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
174       (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
175        !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
176       I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
177       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
178       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
179       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
180       I->getOpcode() == Instruction::SRem ||
181       I->getOpcode() == Instruction::FRem)
182     return true;
183   return false;
184 }
185
186 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
187   unsigned i = 2;
188
189   // Assign distinct ranks to function arguments
190   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
191     ValueRankMap[&*I] = ++i;
192
193   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
194   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
195          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
196     BasicBlock *BB = *I;
197     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
198
199     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
200     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
201     // all different in the block.
202     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
203       if (isUnmovableInstruction(I))
204         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
205   }
206 }
207
208 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
209   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
210   if (I == 0) {
211     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
212     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
213   }
214
215   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
216     return Rank;    // Rank already known?
217
218   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
219   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
220   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
221   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
222   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
223   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
224        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
225     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
226
227   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
228   // assures us that X and ~X will have the same rank.
229   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
230       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
231     ++Rank;
232
233   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
234   //     << Rank << "\n");
235
236   return ValueRankMap[I] = Rank;
237 }
238
239 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
240 ///
241 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
242   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
243
244   BinaryOperator *Res =
245     BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
246   Res->takeName(Neg);
247   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
248   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
249   return Res;
250 }
251
252 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
253 /// nodes in Ops.  The original expression is the same as Ops[0] op ... Ops[N].
254 /// Note that a node may occur multiple times in Ops, but if so all occurrences
255 /// are consecutive in the vector.
256 ///
257 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
258 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
259 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
260 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
261 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
262 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
263 /// use is a non-leaf node of the expression.
264 ///
265 /// For example:
266 ///           expression graph        node names
267 ///
268 ///                     +        |        I
269 ///                    / \       |
270 ///                   +   +      |      A,  B
271 ///                  / \ / \     |
272 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
273 ///                / \ / \ / \   |
274 ///                   +   *      |      F,  G
275 ///
276 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
277 /// that order) C, E, F, F, G, G.
278 ///
279 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
280 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
281 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
282 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
283 ///
284 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
285 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
286 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
287 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
288 /// RewriteExprTree to put the values back in.
289 ///
290 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
291 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
292 ///
293 ///                     +        |        I
294 ///                    / \       |
295 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
296 ///                  / \   \     |
297 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
298 ///                / \ / \ / \   |
299 ///                   +   *      |      F,  G
300 ///
301 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
302 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
303 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
304 /// which requires passing through a phi node.
305 ///
306 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
307 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
308 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
309 /// type and thus make the expression bigger.
310
311 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
312                                     SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
313   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
314
315   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
316   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
317   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
318   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
319   // while A has weight two.
320
321   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
322   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
323   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
324   // ways to get to it.
325   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, unsigned>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
326   Worklist.push_back(std::make_pair(I, 1));
327   unsigned Opcode = I->getOpcode();
328
329   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
330   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
331   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
332   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
333   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
334   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
335   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
336   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
337   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
338   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
339   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
340   // are explored.
341
342   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
343   // paths to each leaf seen so far.
344   typedef SmallMap<Value*, unsigned, 8> LeafMap;
345   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
346   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
347
348 #ifndef NDEBUG
349   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
350 #endif
351   while (!Worklist.empty()) {
352     std::pair<BinaryOperator*, unsigned> P = Worklist.pop_back_val();
353     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
354     assert(P.second >= 1 && "No paths to here, so how did we get here?!");
355
356     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
357       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
358       unsigned Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
359       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
360       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
361
362       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
363       // add its operands to the expression.
364       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
365         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
366         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
367         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
368         continue;
369       }
370
371       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
372       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
373       if (It == Leaves.end()) {
374         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
375         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
376         if (!Op->hasOneUse()) {
377           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
378           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
379           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
380           LeafOrder.push_back(Op);
381           Leaves[Op] = Weight;
382           continue;
383         }
384         // No uses outside the expression, try morphing it.
385       } else if (It != Leaves.end()) {
386         // Already in the leaf map.
387         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
388
389         // Update the number of paths to the leaf.
390         It->second += Weight;
391
392         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
393         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
394         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
395         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
396         MadeChange = true;
397
398         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
399         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
400         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
401         // its operands to the expression.
402         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
403           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
404           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
405           Leaves.erase(It);
406           continue;
407         }
408
409         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
410         // then it is not safe to modify the value.
411         if (!Op->hasOneUse())
412           continue;
413
414         // No uses outside the expression, try morphing it.
415         Weight = It->second;
416         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
417       }
418
419       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
420       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
421       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
422       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
423       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
424               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
425              "Should have been handled above!");
426       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
427
428       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
429       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
430       BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
431       if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
432         DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
433         BO = LowerNegateToMultiply(BO);
434         DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
435         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
436         MadeChange = true;
437         continue;
438       }
439
440       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
441       // a leaf.
442       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
443       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
444       LeafOrder.push_back(Op);
445       Leaves[Op] = Weight;
446     }
447   }
448
449   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
450   // form of the expression.
451   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
452     Value *V = LeafOrder[i];
453     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
454     if (It == Leaves.end())
455       // Leaf already output, or node initially thought to be a leaf wasn't.
456       continue;
457     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
458     unsigned Weight = It->second;
459     assert(Weight > 0 && "No paths to this value!");
460     // FIXME: Rather than repeating values Weight times, use a vector of
461     // (ValueEntry, multiplicity) pairs.
462     Ops.append(Weight, ValueEntry(getRank(V), V));
463     // Ensure the leaf is only output once.
464     Leaves.erase(It);
465   }
466 }
467
468 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
469 // linearized and optimized, emit them in-order.
470 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
471                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
472   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
473
474   // Since our optimizations never increase the number of operations, the new
475   // expression can always be written by reusing the existing binary operators
476   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
477   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
478   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
479   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
480   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
481   // nsw flags.
482
483   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
484   /// the new expression into.
485   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
486   unsigned Opcode = I->getOpcode();
487   NodesToRewrite.push_back(I);
488
489   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
490   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
491   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
492   BinaryOperator *ExpressionChanged = 0;
493   BinaryOperator *Previous;
494   BinaryOperator *Op = 0;
495   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
496     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
497            "Optimized expressions has more nodes than original!");
498     Previous = Op; Op = NodesToRewrite.pop_back_val();
499     if (ExpressionChanged)
500       // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
501       // that the expression tree is dominated by all of Ops.
502       Op->moveBefore(Previous);
503
504     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
505     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
506     // a subexpression.
507     if (i+2 == Ops.size()) {
508       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
509       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
510       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
511       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
512
513       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
514         // Nothing changed, leave it alone.
515         break;
516
517       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
518         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
519         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
520         Op->swapOperands();
521         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
522         MadeChange = true;
523         ++NumChanged;
524         break;
525       }
526
527       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
528       // the old operands with the new ones.
529       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
530       if (NewLHS != OldLHS) {
531         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode))
532           NodesToRewrite.push_back(BO);
533         Op->setOperand(0, NewLHS);
534       }
535       if (NewRHS != OldRHS) {
536         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode))
537           NodesToRewrite.push_back(BO);
538         Op->setOperand(1, NewRHS);
539       }
540       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
541
542       ExpressionChanged = Op;
543       MadeChange = true;
544       ++NumChanged;
545
546       break;
547     }
548
549     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
550     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
551     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
552     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
553       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
554       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
555         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
556         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
557         Op->swapOperands();
558       } else {
559         // Overwrite with the new right-hand side.
560         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode))
561           NodesToRewrite.push_back(BO);
562         Op->setOperand(1, NewRHS);
563         ExpressionChanged = Op;
564       }
565       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
566       MadeChange = true;
567       ++NumChanged;
568     }
569
570     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
571     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
572     // into it.
573     if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode)) {
574       NodesToRewrite.push_back(BO);
575       continue;
576     }
577
578     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
579     // the left-hand side.
580     assert(!NodesToRewrite.empty() &&
581            "Optimized expressions has more nodes than original!");
582     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
583     Op->setOperand(0, NodesToRewrite.back());
584     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
585     ExpressionChanged = Op;
586     MadeChange = true;
587     ++NumChanged;
588   }
589
590   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
591   // starting from the operator specified in ExpressionChanged.
592   if (ExpressionChanged) {
593     do {
594       ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
595       if (ExpressionChanged == I)
596         break;
597       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->use_begin());
598     } while (1);
599   }
600
601   // Throw away any left over nodes from the original expression.
602   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
603     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
604 }
605
606 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
607 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
608 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
609 /// that should be processed next by the reassociation pass.
610 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
611   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
612     return ConstantExpr::getNeg(C);
613
614   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
615   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
616   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
617   // this means that we turn this:
618   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
619   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
620   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
621   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
622   //
623   if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
624     // Push the negates through the add.
625     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
626     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
627
628     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
629     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
630     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
631     // instruction we are about to insert after them.
632     //
633     I->moveBefore(BI);
634     I->setName(I->getName()+".neg");
635     return I;
636   }
637
638   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
639   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
640   for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
641     User *U = *UI;
642     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
643
644     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
645     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
646     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
647     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
648     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
649
650     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
651     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
652       continue;
653
654     BasicBlock::iterator InsertPt;
655     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
656       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
657         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
658       } else {
659         InsertPt = InstInput;
660         ++InsertPt;
661       }
662       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
663     } else {
664       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
665     }
666     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
667     return TheNeg;
668   }
669
670   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
671   // negation.
672   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
673 }
674
675 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
676 /// X-Y into (X + -Y).
677 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
678   // If this is a negation, we can't split it up!
679   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
680     return false;
681
682   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
683   // subtract or if this is only used by one.
684   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
685       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
686     return true;
687   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
688       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
689     return true;
690   if (Sub->hasOneUse() &&
691       (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
692        isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
693     return true;
694
695   return false;
696 }
697
698 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
699 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
700 /// reassociation.
701 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
702   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
703   // instructions to be commuted with other add instructions.
704   //
705   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
706   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
707   //
708   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
709   BinaryOperator *New =
710     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
711   New->takeName(Sub);
712
713   // Everyone now refers to the add instruction.
714   Sub->replaceAllUsesWith(New);
715   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
716
717   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
718   return New;
719 }
720
721 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
722 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
723 /// reassociation.
724 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
725   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
726   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
727
728   BinaryOperator *Mul =
729     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
730   Mul->takeName(Shl);
731   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
732   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
733   return Mul;
734 }
735
736 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
737 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
738 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
739 /// same rank.
740 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
741                                   Value *X) {
742   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
743   unsigned e = Ops.size();
744   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
745     if (Ops[j].Op == X)
746       return j;
747   // Scan backwards.
748   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
749     if (Ops[j].Op == X)
750       return j;
751   return i;
752 }
753
754 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
755 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
756 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
757                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
758   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
759
760   Value *V1 = Ops.back();
761   Ops.pop_back();
762   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
763   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
764 }
765
766 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
767 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
768 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
769 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
770   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
771   if (!BO) return 0;
772
773   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
774   LinearizeExprTree(BO, Factors);
775
776   bool FoundFactor = false;
777   bool NeedsNegate = false;
778   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
779     if (Factors[i].Op == Factor) {
780       FoundFactor = true;
781       Factors.erase(Factors.begin()+i);
782       break;
783     }
784
785     // If this is a negative version of this factor, remove it.
786     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
787       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
788         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
789           FoundFactor = NeedsNegate = true;
790           Factors.erase(Factors.begin()+i);
791           break;
792         }
793   }
794
795   if (!FoundFactor) {
796     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
797     RewriteExprTree(BO, Factors);
798     return 0;
799   }
800
801   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
802
803   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
804   // remaining operand.
805   if (Factors.size() == 1) {
806     RedoInsts.insert(BO);
807     V = Factors[0].Op;
808   } else {
809     RewriteExprTree(BO, Factors);
810     V = BO;
811   }
812
813   if (NeedsNegate)
814     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
815
816   return V;
817 }
818
819 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
820 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
821 ///
822 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
823 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
824                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
825                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
826   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
827   if (!BO) {
828     Factors.push_back(V);
829     return;
830   }
831
832   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
833   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
834   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
835 }
836
837 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
838 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
839 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
840 /// necessary.
841 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
842                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
843   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
844   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
845   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
846     // First, check for X and ~X in the operand list.
847     assert(i < Ops.size());
848     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
849       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
850       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
851       if (FoundX != i) {
852         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
853           return Constant::getNullValue(X->getType());
854
855         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
856           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
857       }
858     }
859
860     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
861     // each other, due to our sorting criteria.
862     assert(i < Ops.size());
863     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
864       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
865         // Drop duplicate values for And and Or.
866         Ops.erase(Ops.begin()+i);
867         --i; --e;
868         ++NumAnnihil;
869         continue;
870       }
871
872       // Drop pairs of values for Xor.
873       assert(Opcode == Instruction::Xor);
874       if (e == 2)
875         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
876
877       // Y ^ X^X -> Y
878       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
879       i -= 1; e -= 2;
880       ++NumAnnihil;
881     }
882   }
883   return 0;
884 }
885
886 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
887 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
888 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
889 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
890                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
891   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
892   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
893   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
894   //
895   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
896   //
897   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
898     Value *TheOp = Ops[i].Op;
899     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
900     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
901     // that these need to be next to each other in the vector.
902     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
903       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
904       unsigned NumFound = 0;
905       do {
906         Ops.erase(Ops.begin()+i);
907         ++NumFound;
908       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
909
910       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
911       ++NumFactor;
912
913       // Insert a new multiply.
914       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
915       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
916
917       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
918       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
919       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
920       RedoInsts.insert(cast<Instruction>(Mul));
921
922       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
923       if (Ops.empty())
924         return Mul;
925
926       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
927       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
928       // things being added by this operation.
929       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
930
931       --i;
932       e = Ops.size();
933       continue;
934     }
935
936     // Check for X and -X in the operand list.
937     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
938       continue;
939
940     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
941     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
942     if (FoundX == i)
943       continue;
944
945     // Remove X and -X from the operand list.
946     if (Ops.size() == 2)
947       return Constant::getNullValue(X->getType());
948
949     Ops.erase(Ops.begin()+i);
950     if (i < FoundX)
951       --FoundX;
952     else
953       --i;   // Need to back up an extra one.
954     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
955     ++NumAnnihil;
956     --i;     // Revisit element.
957     e -= 2;  // Removed two elements.
958   }
959
960   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
961   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
962   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
963   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
964   // for any ADD operands that are MULs.
965   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
966
967   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
968   // where they are actually the same multiply.
969   unsigned MaxOcc = 0;
970   Value *MaxOccVal = 0;
971   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
972     BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
973     if (!BOp)
974       continue;
975
976     // Compute all of the factors of this added value.
977     SmallVector<Value*, 8> Factors;
978     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
979     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
980
981     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
982     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
983     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
984       Value *Factor = Factors[i];
985       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
986
987       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
988       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
989
990       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
991       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
992       // cannot be positivified.
993       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
994         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
995           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
996           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
997                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
998
999           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1000           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1001         }
1002     }
1003   }
1004
1005   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1006   if (MaxOcc > 1) {
1007     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1008     ++NumFactor;
1009
1010     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1011     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1012     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1013     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1014     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1015     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1016     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1017       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1018       BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1019       if (!BOp)
1020         continue;
1021
1022       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1023         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1024         // one fell swoop.
1025         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1026           --j;
1027           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1028             NewMulOps.push_back(V);
1029             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1030           }
1031         }
1032         --i;
1033       }
1034     }
1035
1036     // No need for extra uses anymore.
1037     delete DummyInst;
1038
1039     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1040     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1041
1042     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1043     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1044     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1045     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1046     (void)NumAddedValues;
1047     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1048       RedoInsts.insert(VI);
1049
1050     // Create the multiply.
1051     Instruction *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
1052
1053     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1054     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1055     RedoInsts.insert(V2);
1056
1057     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1058     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1059     if (Ops.empty())
1060       return V2;
1061
1062     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1063     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1064     // things being added by this operation.
1065     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1066   }
1067
1068   return 0;
1069 }
1070
1071 namespace {
1072   /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
1073   struct IsValueInMap {
1074     const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
1075
1076     IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
1077
1078     bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
1079       return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
1080     }
1081   };
1082 }
1083
1084 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1085 ///
1086 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1087 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1088 /// the order of descending power.
1089 ///
1090 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1091 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1092 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1093 ///
1094 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1095 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1096                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1097   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1098   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1099   unsigned FactorPowerSum = 0;
1100   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1101     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1102
1103     // Count the number of occurrences of this value.
1104     unsigned Count = 1;
1105     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1106       ++Count;
1107     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1108     if (Count > 1)
1109       FactorPowerSum += Count;
1110   }
1111
1112   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1113   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1114   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1115   // trying to simplify already minimal formations.
1116   if (FactorPowerSum < 4)
1117     return false;
1118
1119   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1120   FactorPowerSum = 0;
1121   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1122     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1123
1124     // Count the number of occurrences of this value.
1125     unsigned Count = 1;
1126     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1127       ++Count;
1128     if (Count == 1)
1129       continue;
1130     // Move an even number of occurrences to Factors.
1131     Count &= ~1U;
1132     Idx -= Count;
1133     FactorPowerSum += Count;
1134     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1135     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1136   }
1137
1138   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1139   // below our mininum of '4'.
1140   assert(FactorPowerSum >= 4);
1141
1142   std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1143   return true;
1144 }
1145
1146 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1147 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1148                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1149   if (Ops.size() == 1)
1150     return Ops.back();
1151
1152   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1153   do {
1154     LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1155   } while (!Ops.empty());
1156
1157   return LHS;
1158 }
1159
1160 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1161 ///
1162 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1163 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1164 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1165 /// value.
1166 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1167                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1168   assert(Factors[0].Power);
1169   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1170   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1171        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1172     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1173       LastIdx = Idx;
1174       continue;
1175     }
1176
1177     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1178     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1179     // for that.
1180     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1181     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1182     do {
1183       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1184       ++Idx;
1185     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1186
1187     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1188     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1189     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1190     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1191       RedoInsts.insert(MI);
1192
1193     LastIdx = Idx;
1194   }
1195   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1196   // base.
1197   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1198                             Factor::PowerEqual()),
1199                 Factors.end());
1200
1201   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1202   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1203   // expression.
1204   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1205     if (Factors[Idx].Power & 1)
1206       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1207     Factors[Idx].Power >>= 1;
1208   }
1209   if (Factors[0].Power) {
1210     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1211     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1212     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1213   }
1214   if (OuterProduct.size() == 1)
1215     return OuterProduct.front();
1216
1217   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1218   return V;
1219 }
1220
1221 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1222                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1223   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1224   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1225   if (Ops.size() < 4)
1226     return 0;
1227
1228   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1229   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1230   // re-use.
1231   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1232   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1233     return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1234
1235   IRBuilder<> Builder(I);
1236   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1237   if (Ops.empty())
1238     return V;
1239
1240   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1241   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1242   return 0;
1243 }
1244
1245 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1246                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1247   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1248   // Start by folding any constants that we found.
1249   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1250
1251   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1252
1253   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
1254     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
1255       Ops.pop_back();
1256       Ops.back().Op = ConstantExpr::get(Opcode, V1, V2);
1257       return OptimizeExpression(I, Ops);
1258     }
1259
1260   // Check for destructive annihilation due to a constant being used.
1261   if (ConstantInt *CstVal = dyn_cast<ConstantInt>(Ops.back().Op))
1262     switch (Opcode) {
1263     default: break;
1264     case Instruction::And:
1265       if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
1266         return CstVal;
1267       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
1268         Ops.pop_back();
1269       break;
1270     case Instruction::Mul:
1271       if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
1272         ++NumAnnihil;
1273         return CstVal;
1274       }
1275
1276       if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
1277         Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
1278       break;
1279     case Instruction::Or:
1280       if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
1281         return CstVal;
1282       // FALLTHROUGH!
1283     case Instruction::Add:
1284     case Instruction::Xor:
1285       if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
1286         Ops.pop_back();
1287       break;
1288     }
1289   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1290
1291   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1292   // argument list here.
1293   unsigned NumOps = Ops.size();
1294   switch (Opcode) {
1295   default: break;
1296   case Instruction::And:
1297   case Instruction::Or:
1298   case Instruction::Xor:
1299     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1300       return Result;
1301     break;
1302
1303   case Instruction::Add:
1304     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1305       return Result;
1306     break;
1307
1308   case Instruction::Mul:
1309     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1310       return Result;
1311     break;
1312   }
1313
1314   if (Ops.size() != NumOps)
1315     return OptimizeExpression(I, Ops);
1316   return 0;
1317 }
1318
1319 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction, possibly erasing
1320 /// it.
1321 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
1322   // Reassociation can expose instructions as dead. Erasing them, removing uses,
1323   // can free up their operands for reassociation.
1324   if (isInstructionTriviallyDead(I)) {
1325     SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1326     // Erase the dead instruction.
1327     ValueRankMap.erase(I);
1328     I->eraseFromParent();
1329     // Optimize its operands.
1330     for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1331       if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1332         // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1333         // and add that since that's where optimization actually happens.
1334         unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1335         while (Op->hasOneUse() && Op->use_back()->getOpcode() == Opcode)
1336           Op = Op->use_back();
1337         RedoInsts.insert(Op);
1338       }
1339     return;
1340   }
1341
1342   // Only consider operations that we understand.
1343   if (!isa<BinaryOperator>(I))
1344     return;
1345
1346   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1347       isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1348     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
1349     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
1350     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
1351         (I->hasOneUse() &&
1352          (isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul) ||
1353           isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Add)))) {
1354       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
1355       ValueRankMap.erase(I);
1356       I->eraseFromParent();
1357       MadeChange = true;
1358       I = NI;
1359     }
1360
1361   // Floating point binary operators are not associative, but we can still
1362   // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
1363   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
1364   // other transformations simpler.
1365   if ((I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy())) {
1366     // FAdd and FMul can be commuted.
1367     if (I->getOpcode() != Instruction::FMul &&
1368         I->getOpcode() != Instruction::FAdd)
1369       return;
1370
1371     Value *LHS = I->getOperand(0);
1372     Value *RHS = I->getOperand(1);
1373     unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1374     unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1375
1376     // Sort the operands by rank.
1377     if (RHSRank < LHSRank) {
1378       I->setOperand(0, RHS);
1379       I->setOperand(1, LHS);
1380     }
1381
1382     return;
1383   }
1384
1385   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1386   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1387   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1388   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1389   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1390   // optimized for the most likely conditions.
1391   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
1392     return;
1393
1394   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1395   // see if we can convert it to X+-Y.
1396   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1397     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
1398       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
1399       ValueRankMap.erase(I);
1400       I->eraseFromParent();
1401       MadeChange = true;
1402       I = NI;
1403     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
1404       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1405       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1406       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1407           (!I->hasOneUse() ||
1408            !isReassociableOp(I->use_back(), Instruction::Mul))) {
1409         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
1410         ValueRankMap.erase(I);
1411         I->eraseFromParent();
1412         MadeChange = true;
1413         I = NI;
1414       }
1415     }
1416   }
1417
1418   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
1419   if (!I->isAssociative()) return;
1420   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
1421
1422   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1423   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1424   if (BO->hasOneUse() && BO->use_back()->getOpcode() == BO->getOpcode())
1425     return;
1426
1427   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
1428   // until we process the subtract.
1429   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
1430       cast<Instruction>(BO->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1431     return;
1432
1433   ReassociateExpression(BO);
1434 }
1435
1436 Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1437
1438   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1439   // operand information.
1440   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1441   LinearizeExprTree(I, Ops);
1442
1443   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1444
1445   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1446   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1447   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1448   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1449   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1450   // the vector.
1451   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1452
1453   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1454   // sorted form, optimize it globally if possible.
1455   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1456     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1457     // eliminate it.
1458     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1459     I->replaceAllUsesWith(V);
1460     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1461       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1462     RedoInsts.insert(I);
1463     ++NumAnnihil;
1464     return V;
1465   }
1466
1467   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1468   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1469   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1470   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1471   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1472       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1473       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1474       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1475     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1476     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1477   }
1478
1479   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1480
1481   if (Ops.size() == 1) {
1482     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1483     // eliminate it.
1484     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1485     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
1486       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1487     RedoInsts.insert(I);
1488     return Ops[0].Op;
1489   }
1490
1491   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1492   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1493   RewriteExprTree(I, Ops);
1494   return I;
1495 }
1496
1497 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1498   // Calculate the rank map for F
1499   BuildRankMap(F);
1500
1501   MadeChange = false;
1502   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI)
1503     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; ) {
1504       // Optimize the current instruction, possibly erasing it.  If this creates
1505       // new instructions that need optimizing then optimize all such too before
1506       // moving on to the next instruction.
1507       RedoInsts.insert(AssertingVH<Instruction>(II));
1508       while (!RedoInsts.empty()) {
1509         Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
1510         if ((Instruction*)II == I)
1511           ++II;
1512         OptimizeInst(I);
1513       }
1514     }
1515
1516   // We are done with the rank map.
1517   RankMap.clear();
1518   ValueRankMap.clear();
1519
1520   return MadeChange;
1521 }