Masked Load/Store - Changed the order of parameters in intrinsics.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Vectorize / LoopVectorize.cpp
1 //===- LoopVectorize.cpp - A Loop Vectorizer ------------------------------===//
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 is the LLVM loop vectorizer. This pass modifies 'vectorizable' loops
11 // and generates target-independent LLVM-IR.
12 // The vectorizer uses the TargetTransformInfo analysis to estimate the costs
13 // of instructions in order to estimate the profitability of vectorization.
14 //
15 // The loop vectorizer combines consecutive loop iterations into a single
16 // 'wide' iteration. After this transformation the index is incremented
17 // by the SIMD vector width, and not by one.
18 //
19 // This pass has three parts:
20 // 1. The main loop pass that drives the different parts.
21 // 2. LoopVectorizationLegality - A unit that checks for the legality
22 //    of the vectorization.
23 // 3. InnerLoopVectorizer - A unit that performs the actual
24 //    widening of instructions.
25 // 4. LoopVectorizationCostModel - A unit that checks for the profitability
26 //    of vectorization. It decides on the optimal vector width, which
27 //    can be one, if vectorization is not profitable.
28 //
29 //===----------------------------------------------------------------------===//
30 //
31 // The reduction-variable vectorization is based on the paper:
32 //  D. Nuzman and R. Henderson. Multi-platform Auto-vectorization.
33 //
34 // Variable uniformity checks are inspired by:
35 //  Karrenberg, R. and Hack, S. Whole Function Vectorization.
36 //
37 // Other ideas/concepts are from:
38 //  A. Zaks and D. Nuzman. Autovectorization in GCC-two years later.
39 //
40 //  S. Maleki, Y. Gao, M. Garzaran, T. Wong and D. Padua.  An Evaluation of
41 //  Vectorizing Compilers.
42 //
43 //===----------------------------------------------------------------------===//
44
45 #include "llvm/Transforms/Vectorize.h"
46 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
47 #include "llvm/ADT/EquivalenceClasses.h"
48 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
49 #include "llvm/ADT/MapVector.h"
50 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
51 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
52 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
53 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
54 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
55 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
56 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
57 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
58 #include "llvm/Analysis/AssumptionTracker.h"
59 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfo.h"
60 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
61 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
62 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
63 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
64 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
65 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
66 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
67 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
68 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
69 #include "llvm/IR/Constants.h"
70 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
71 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
72 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
73 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
74 #include "llvm/IR/Dominators.h"
75 #include "llvm/IR/Function.h"
76 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
77 #include "llvm/IR/Instructions.h"
78 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
79 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
80 #include "llvm/IR/Module.h"
81 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
82 #include "llvm/IR/Type.h"
83 #include "llvm/IR/Value.h"
84 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
85 #include "llvm/IR/Verifier.h"
86 #include "llvm/Pass.h"
87 #include "llvm/Support/BranchProbability.h"
88 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
89 #include "llvm/Support/Debug.h"
90 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
91 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
92 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
93 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
94 #include "llvm/Transforms/Utils/VectorUtils.h"
95 #include <algorithm>
96 #include <map>
97 #include <tuple>
98
99 using namespace llvm;
100 using namespace llvm::PatternMatch;
101
102 #define LV_NAME "loop-vectorize"
103 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
104
105 STATISTIC(LoopsVectorized, "Number of loops vectorized");
106 STATISTIC(LoopsAnalyzed, "Number of loops analyzed for vectorization");
107
108 static cl::opt<unsigned>
109 VectorizationFactor("force-vector-width", cl::init(0), cl::Hidden,
110                     cl::desc("Sets the SIMD width. Zero is autoselect."));
111
112 static cl::opt<unsigned>
113 VectorizationInterleave("force-vector-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
114                     cl::desc("Sets the vectorization interleave count. "
115                              "Zero is autoselect."));
116
117 static cl::opt<bool>
118 EnableIfConversion("enable-if-conversion", cl::init(true), cl::Hidden,
119                    cl::desc("Enable if-conversion during vectorization."));
120
121 /// We don't vectorize loops with a known constant trip count below this number.
122 static cl::opt<unsigned>
123 TinyTripCountVectorThreshold("vectorizer-min-trip-count", cl::init(16),
124                              cl::Hidden,
125                              cl::desc("Don't vectorize loops with a constant "
126                                       "trip count that is smaller than this "
127                                       "value."));
128
129 /// This enables versioning on the strides of symbolically striding memory
130 /// accesses in code like the following.
131 ///   for (i = 0; i < N; ++i)
132 ///     A[i * Stride1] += B[i * Stride2] ...
133 ///
134 /// Will be roughly translated to
135 ///    if (Stride1 == 1 && Stride2 == 1) {
136 ///      for (i = 0; i < N; i+=4)
137 ///       A[i:i+3] += ...
138 ///    } else
139 ///      ...
140 static cl::opt<bool> EnableMemAccessVersioning(
141     "enable-mem-access-versioning", cl::init(true), cl::Hidden,
142     cl::desc("Enable symblic stride memory access versioning"));
143
144 /// We don't unroll loops with a known constant trip count below this number.
145 static const unsigned TinyTripCountUnrollThreshold = 128;
146
147 /// When performing memory disambiguation checks at runtime do not make more
148 /// than this number of comparisons.
149 static const unsigned RuntimeMemoryCheckThreshold = 8;
150
151 /// Maximum simd width.
152 static const unsigned MaxVectorWidth = 64;
153
154 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumScalarRegs(
155     "force-target-num-scalar-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
156     cl::desc("A flag that overrides the target's number of scalar registers."));
157
158 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumVectorRegs(
159     "force-target-num-vector-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
160     cl::desc("A flag that overrides the target's number of vector registers."));
161
162 /// Maximum vectorization interleave count.
163 static const unsigned MaxInterleaveFactor = 16;
164
165 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor(
166     "force-target-max-scalar-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
167     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
168              "scalar loops."));
169
170 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor(
171     "force-target-max-vector-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
172     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
173              "vectorized loops."));
174
175 static cl::opt<unsigned> ForceTargetInstructionCost(
176     "force-target-instruction-cost", cl::init(0), cl::Hidden,
177     cl::desc("A flag that overrides the target's expected cost for "
178              "an instruction to a single constant value. Mostly "
179              "useful for getting consistent testing."));
180
181 static cl::opt<unsigned> SmallLoopCost(
182     "small-loop-cost", cl::init(20), cl::Hidden,
183     cl::desc("The cost of a loop that is considered 'small' by the unroller."));
184
185 static cl::opt<bool> LoopVectorizeWithBlockFrequency(
186     "loop-vectorize-with-block-frequency", cl::init(false), cl::Hidden,
187     cl::desc("Enable the use of the block frequency analysis to access PGO "
188              "heuristics minimizing code growth in cold regions and being more "
189              "aggressive in hot regions."));
190
191 // Runtime unroll loops for load/store throughput.
192 static cl::opt<bool> EnableLoadStoreRuntimeUnroll(
193     "enable-loadstore-runtime-unroll", cl::init(true), cl::Hidden,
194     cl::desc("Enable runtime unrolling until load/store ports are saturated"));
195
196 /// The number of stores in a loop that are allowed to need predication.
197 static cl::opt<unsigned> NumberOfStoresToPredicate(
198     "vectorize-num-stores-pred", cl::init(1), cl::Hidden,
199     cl::desc("Max number of stores to be predicated behind an if."));
200
201 static cl::opt<bool> EnableIndVarRegisterHeur(
202     "enable-ind-var-reg-heur", cl::init(true), cl::Hidden,
203     cl::desc("Count the induction variable only once when unrolling"));
204
205 static cl::opt<bool> EnableCondStoresVectorization(
206     "enable-cond-stores-vec", cl::init(false), cl::Hidden,
207     cl::desc("Enable if predication of stores during vectorization."));
208
209 static cl::opt<unsigned> MaxNestedScalarReductionUF(
210     "max-nested-scalar-reduction-unroll", cl::init(2), cl::Hidden,
211     cl::desc("The maximum unroll factor to use when unrolling a scalar "
212              "reduction in a nested loop."));
213
214 namespace {
215
216 // Forward declarations.
217 class LoopVectorizationLegality;
218 class LoopVectorizationCostModel;
219 class LoopVectorizeHints;
220
221 /// Optimization analysis message produced during vectorization. Messages inform
222 /// the user why vectorization did not occur.
223 class Report {
224   std::string Message;
225   raw_string_ostream Out;
226   Instruction *Instr;
227
228 public:
229   Report(Instruction *I = nullptr) : Out(Message), Instr(I) {
230     Out << "loop not vectorized: ";
231   }
232
233   template <typename A> Report &operator<<(const A &Value) {
234     Out << Value;
235     return *this;
236   }
237
238   Instruction *getInstr() { return Instr; }
239
240   std::string &str() { return Out.str(); }
241   operator Twine() { return Out.str(); }
242 };
243
244 /// InnerLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
245 /// block to a specified vectorization factor (VF).
246 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
247 /// scalars. This class also implements the following features:
248 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
249 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
250 /// * It handles the code generation for reduction variables.
251 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
252 ///   instructions.
253 /// InnerLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
254 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
255 /// aspects. The InnerLoopVectorizer relies on the
256 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
257 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
258 class InnerLoopVectorizer {
259 public:
260   InnerLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
261                       DominatorTree *DT, const DataLayout *DL,
262                       const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned VecWidth,
263                       unsigned UnrollFactor)
264       : OrigLoop(OrigLoop), SE(SE), LI(LI), DT(DT), DL(DL), TLI(TLI),
265         VF(VecWidth), UF(UnrollFactor), Builder(SE->getContext()),
266         Induction(nullptr), OldInduction(nullptr), WidenMap(UnrollFactor),
267         Legal(nullptr) {}
268
269   // Perform the actual loop widening (vectorization).
270   void vectorize(LoopVectorizationLegality *L) {
271     Legal = L;
272     // Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
273     createEmptyLoop();
274     // Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
275     // Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
276     vectorizeLoop();
277     // Register the new loop and update the analysis passes.
278     updateAnalysis();
279   }
280
281   virtual ~InnerLoopVectorizer() {}
282
283 protected:
284   /// A small list of PHINodes.
285   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
286   /// When we unroll loops we have multiple vector values for each scalar.
287   /// This data structure holds the unrolled and vectorized values that
288   /// originated from one scalar instruction.
289   typedef SmallVector<Value*, 2> VectorParts;
290
291   // When we if-convert we need create edge masks. We have to cache values so
292   // that we don't end up with exponential recursion/IR.
293   typedef DenseMap<std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*>,
294                    VectorParts> EdgeMaskCache;
295
296   /// \brief Add code that checks at runtime if the accessed arrays overlap.
297   ///
298   /// Returns a pair of instructions where the first element is the first
299   /// instruction generated in possibly a sequence of instructions and the
300   /// second value is the final comparator value or NULL if no check is needed.
301   std::pair<Instruction *, Instruction *> addRuntimeCheck(Instruction *Loc);
302
303   /// \brief Add checks for strides that where assumed to be 1.
304   ///
305   /// Returns the last check instruction and the first check instruction in the
306   /// pair as (first, last).
307   std::pair<Instruction *, Instruction *> addStrideCheck(Instruction *Loc);
308
309   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
310   void createEmptyLoop();
311   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
312   virtual void vectorizeLoop();
313
314   /// \brief The Loop exit block may have single value PHI nodes where the
315   /// incoming value is 'Undef'. While vectorizing we only handled real values
316   /// that were defined inside the loop. Here we fix the 'undef case'.
317   /// See PR14725.
318   void fixLCSSAPHIs();
319
320   /// A helper function that computes the predicate of the block BB, assuming
321   /// that the header block of the loop is set to True. It returns the *entry*
322   /// mask for the block BB.
323   VectorParts createBlockInMask(BasicBlock *BB);
324   /// A helper function that computes the predicate of the edge between SRC
325   /// and DST.
326   VectorParts createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst);
327
328   /// A helper function to vectorize a single BB within the innermost loop.
329   void vectorizeBlockInLoop(BasicBlock *BB, PhiVector *PV);
330
331   /// Vectorize a single PHINode in a block. This method handles the induction
332   /// variable canonicalization. It supports both VF = 1 for unrolled loops and
333   /// arbitrary length vectors.
334   void widenPHIInstruction(Instruction *PN, VectorParts &Entry,
335                            unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV);
336
337   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
338   /// and update the analysis passes.
339   void updateAnalysis();
340
341   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
342   /// of scalars. If \p IfPredicateStore is true we need to 'hide' each
343   /// scalarized instruction behind an if block predicated on the control
344   /// dependence of the instruction.
345   virtual void scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
346                                     bool IfPredicateStore=false);
347
348   /// Vectorize Load and Store instructions,
349   virtual void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr);
350
351   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
352   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
353   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
354   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
355   /// element.
356   virtual Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
357
358   /// This function adds 0, 1, 2 ... to each vector element, starting at zero.
359   /// If Negate is set then negative numbers are added e.g. (0, -1, -2, ...).
360   /// The sequence starts at StartIndex.
361   virtual Value *getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx, bool Negate);
362
363   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
364   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
365   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
366   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
367   /// broadcast them into a vector.
368   VectorParts &getVectorValue(Value *V);
369
370   /// Generate a shuffle sequence that will reverse the vector Vec.
371   virtual Value *reverseVector(Value *Vec);
372
373   /// This is a helper class that holds the vectorizer state. It maps scalar
374   /// instructions to vector instructions. When the code is 'unrolled' then
375   /// then a single scalar value is mapped to multiple vector parts. The parts
376   /// are stored in the VectorPart type.
377   struct ValueMap {
378     /// C'tor.  UnrollFactor controls the number of vectors ('parts') that
379     /// are mapped.
380     ValueMap(unsigned UnrollFactor) : UF(UnrollFactor) {}
381
382     /// \return True if 'Key' is saved in the Value Map.
383     bool has(Value *Key) const { return MapStorage.count(Key); }
384
385     /// Initializes a new entry in the map. Sets all of the vector parts to the
386     /// save value in 'Val'.
387     /// \return A reference to a vector with splat values.
388     VectorParts &splat(Value *Key, Value *Val) {
389       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
390       Entry.assign(UF, Val);
391       return Entry;
392     }
393
394     ///\return A reference to the value that is stored at 'Key'.
395     VectorParts &get(Value *Key) {
396       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
397       if (Entry.empty())
398         Entry.resize(UF);
399       assert(Entry.size() == UF);
400       return Entry;
401     }
402
403   private:
404     /// The unroll factor. Each entry in the map stores this number of vector
405     /// elements.
406     unsigned UF;
407
408     /// Map storage. We use std::map and not DenseMap because insertions to a
409     /// dense map invalidates its iterators.
410     std::map<Value *, VectorParts> MapStorage;
411   };
412
413   /// The original loop.
414   Loop *OrigLoop;
415   /// Scev analysis to use.
416   ScalarEvolution *SE;
417   /// Loop Info.
418   LoopInfo *LI;
419   /// Dominator Tree.
420   DominatorTree *DT;
421   /// Alias Analysis.
422   AliasAnalysis *AA;
423   /// Data Layout.
424   const DataLayout *DL;
425   /// Target Library Info.
426   const TargetLibraryInfo *TLI;
427
428   /// The vectorization SIMD factor to use. Each vector will have this many
429   /// vector elements.
430   unsigned VF;
431
432 protected:
433   /// The vectorization unroll factor to use. Each scalar is vectorized to this
434   /// many different vector instructions.
435   unsigned UF;
436
437   /// The builder that we use
438   IRBuilder<> Builder;
439
440   // --- Vectorization state ---
441
442   /// The vector-loop preheader.
443   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
444   /// The scalar-loop preheader.
445   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
446   /// Middle Block between the vector and the scalar.
447   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
448   ///The ExitBlock of the scalar loop.
449   BasicBlock *LoopExitBlock;
450   ///The vector loop body.
451   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopVectorBody;
452   ///The scalar loop body.
453   BasicBlock *LoopScalarBody;
454   /// A list of all bypass blocks. The first block is the entry of the loop.
455   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopBypassBlocks;
456
457   /// The new Induction variable which was added to the new block.
458   PHINode *Induction;
459   /// The induction variable of the old basic block.
460   PHINode *OldInduction;
461   /// Holds the extended (to the widest induction type) start index.
462   Value *ExtendedIdx;
463   /// Maps scalars to widened vectors.
464   ValueMap WidenMap;
465   EdgeMaskCache MaskCache;
466
467   LoopVectorizationLegality *Legal;
468 };
469
470 class InnerLoopUnroller : public InnerLoopVectorizer {
471 public:
472   InnerLoopUnroller(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
473                     DominatorTree *DT, const DataLayout *DL,
474                     const TargetLibraryInfo *TLI, unsigned UnrollFactor) :
475     InnerLoopVectorizer(OrigLoop, SE, LI, DT, DL, TLI, 1, UnrollFactor) { }
476
477 private:
478   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
479                             bool IfPredicateStore = false) override;
480   void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) override;
481   Value *getBroadcastInstrs(Value *V) override;
482   Value *getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx, bool Negate) override;
483   Value *reverseVector(Value *Vec) override;
484 };
485
486 /// \brief Look for a meaningful debug location on the instruction or it's
487 /// operands.
488 static Instruction *getDebugLocFromInstOrOperands(Instruction *I) {
489   if (!I)
490     return I;
491
492   DebugLoc Empty;
493   if (I->getDebugLoc() != Empty)
494     return I;
495
496   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), OE = I->op_end(); OI != OE; ++OI) {
497     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
498       if (OpInst->getDebugLoc() != Empty)
499         return OpInst;
500   }
501
502   return I;
503 }
504
505 /// \brief Set the debug location in the builder using the debug location in the
506 /// instruction.
507 static void setDebugLocFromInst(IRBuilder<> &B, const Value *Ptr) {
508   if (const Instruction *Inst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Ptr))
509     B.SetCurrentDebugLocation(Inst->getDebugLoc());
510   else
511     B.SetCurrentDebugLocation(DebugLoc());
512 }
513
514 #ifndef NDEBUG
515 /// \return string containing a file name and a line # for the given loop.
516 static std::string getDebugLocString(const Loop *L) {
517   std::string Result;
518   if (L) {
519     raw_string_ostream OS(Result);
520     const DebugLoc LoopDbgLoc = L->getStartLoc();
521     if (!LoopDbgLoc.isUnknown())
522       LoopDbgLoc.print(L->getHeader()->getContext(), OS);
523     else
524       // Just print the module name.
525       OS << L->getHeader()->getParent()->getParent()->getModuleIdentifier();
526     OS.flush();
527   }
528   return Result;
529 }
530 #endif
531
532 /// \brief Propagate known metadata from one instruction to another.
533 static void propagateMetadata(Instruction *To, const Instruction *From) {
534   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 4> Metadata;
535   From->getAllMetadataOtherThanDebugLoc(Metadata);
536
537   for (auto M : Metadata) {
538     unsigned Kind = M.first;
539
540     // These are safe to transfer (this is safe for TBAA, even when we
541     // if-convert, because should that metadata have had a control dependency
542     // on the condition, and thus actually aliased with some other
543     // non-speculated memory access when the condition was false, this would be
544     // caught by the runtime overlap checks).
545     if (Kind != LLVMContext::MD_tbaa &&
546         Kind != LLVMContext::MD_alias_scope &&
547         Kind != LLVMContext::MD_noalias &&
548         Kind != LLVMContext::MD_fpmath)
549       continue;
550
551     To->setMetadata(Kind, M.second);
552   }
553 }
554
555 /// \brief Propagate known metadata from one instruction to a vector of others.
556 static void propagateMetadata(SmallVectorImpl<Value *> &To, const Instruction *From) {
557   for (Value *V : To)
558     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
559       propagateMetadata(I, From);
560 }
561
562 /// LoopVectorizationLegality checks if it is legal to vectorize a loop, and
563 /// to what vectorization factor.
564 /// This class does not look at the profitability of vectorization, only the
565 /// legality. This class has two main kinds of checks:
566 /// * Memory checks - The code in canVectorizeMemory checks if vectorization
567 ///   will change the order of memory accesses in a way that will change the
568 ///   correctness of the program.
569 /// * Scalars checks - The code in canVectorizeInstrs and canVectorizeMemory
570 /// checks for a number of different conditions, such as the availability of a
571 /// single induction variable, that all types are supported and vectorize-able,
572 /// etc. This code reflects the capabilities of InnerLoopVectorizer.
573 /// This class is also used by InnerLoopVectorizer for identifying
574 /// induction variable and the different reduction variables.
575 class LoopVectorizationLegality {
576 public:
577   unsigned NumLoads;
578   unsigned NumStores;
579   unsigned NumPredStores;
580
581   LoopVectorizationLegality(Loop *L, ScalarEvolution *SE, const DataLayout *DL,
582                             DominatorTree *DT, TargetLibraryInfo *TLI,
583                             AliasAnalysis *AA, Function *F,
584                             const TargetTransformInfo *TTI)
585       : NumLoads(0), NumStores(0), NumPredStores(0), TheLoop(L), SE(SE), DL(DL),
586         DT(DT), TLI(TLI), AA(AA), TheFunction(F), TTI(TTI), Induction(nullptr),
587         WidestIndTy(nullptr), HasFunNoNaNAttr(false), MaxSafeDepDistBytes(-1U) {
588   }
589
590   /// This enum represents the kinds of reductions that we support.
591   enum ReductionKind {
592     RK_NoReduction, ///< Not a reduction.
593     RK_IntegerAdd,  ///< Sum of integers.
594     RK_IntegerMult, ///< Product of integers.
595     RK_IntegerOr,   ///< Bitwise or logical OR of numbers.
596     RK_IntegerAnd,  ///< Bitwise or logical AND of numbers.
597     RK_IntegerXor,  ///< Bitwise or logical XOR of numbers.
598     RK_IntegerMinMax, ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
599     RK_FloatAdd,    ///< Sum of floats.
600     RK_FloatMult,   ///< Product of floats.
601     RK_FloatMinMax  ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
602   };
603
604   /// This enum represents the kinds of inductions that we support.
605   enum InductionKind {
606     IK_NoInduction,         ///< Not an induction variable.
607     IK_IntInduction,        ///< Integer induction variable. Step = 1.
608     IK_ReverseIntInduction, ///< Reverse int induction variable. Step = -1.
609     IK_PtrInduction,        ///< Pointer induction var. Step = sizeof(elem).
610     IK_ReversePtrInduction  ///< Reverse ptr indvar. Step = - sizeof(elem).
611   };
612
613   // This enum represents the kind of minmax reduction.
614   enum MinMaxReductionKind {
615     MRK_Invalid,
616     MRK_UIntMin,
617     MRK_UIntMax,
618     MRK_SIntMin,
619     MRK_SIntMax,
620     MRK_FloatMin,
621     MRK_FloatMax
622   };
623
624   /// This struct holds information about reduction variables.
625   struct ReductionDescriptor {
626     ReductionDescriptor() : StartValue(nullptr), LoopExitInstr(nullptr),
627       Kind(RK_NoReduction), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
628
629     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K,
630                         MinMaxReductionKind MK)
631         : StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K), MinMaxKind(MK) {}
632
633     // The starting value of the reduction.
634     // It does not have to be zero!
635     TrackingVH<Value> StartValue;
636     // The instruction who's value is used outside the loop.
637     Instruction *LoopExitInstr;
638     // The kind of the reduction.
639     ReductionKind Kind;
640     // If this a min/max reduction the kind of reduction.
641     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
642   };
643
644   /// This POD struct holds information about a potential reduction operation.
645   struct ReductionInstDesc {
646     ReductionInstDesc(bool IsRedux, Instruction *I) :
647       IsReduction(IsRedux), PatternLastInst(I), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
648
649     ReductionInstDesc(Instruction *I, MinMaxReductionKind K) :
650       IsReduction(true), PatternLastInst(I), MinMaxKind(K) {}
651
652     // Is this instruction a reduction candidate.
653     bool IsReduction;
654     // The last instruction in a min/max pattern (select of the select(icmp())
655     // pattern), or the current reduction instruction otherwise.
656     Instruction *PatternLastInst;
657     // If this is a min/max pattern the comparison predicate.
658     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
659   };
660
661   /// This struct holds information about the memory runtime legality
662   /// check that a group of pointers do not overlap.
663   struct RuntimePointerCheck {
664     RuntimePointerCheck() : Need(false) {}
665
666     /// Reset the state of the pointer runtime information.
667     void reset() {
668       Need = false;
669       Pointers.clear();
670       Starts.clear();
671       Ends.clear();
672       IsWritePtr.clear();
673       DependencySetId.clear();
674       AliasSetId.clear();
675     }
676
677     /// Insert a pointer and calculate the start and end SCEVs.
678     void insert(ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr, bool WritePtr,
679                 unsigned DepSetId, unsigned ASId, ValueToValueMap &Strides);
680
681     /// This flag indicates if we need to add the runtime check.
682     bool Need;
683     /// Holds the pointers that we need to check.
684     SmallVector<TrackingVH<Value>, 2> Pointers;
685     /// Holds the pointer value at the beginning of the loop.
686     SmallVector<const SCEV*, 2> Starts;
687     /// Holds the pointer value at the end of the loop.
688     SmallVector<const SCEV*, 2> Ends;
689     /// Holds the information if this pointer is used for writing to memory.
690     SmallVector<bool, 2> IsWritePtr;
691     /// Holds the id of the set of pointers that could be dependent because of a
692     /// shared underlying object.
693     SmallVector<unsigned, 2> DependencySetId;
694     /// Holds the id of the disjoint alias set to which this pointer belongs.
695     SmallVector<unsigned, 2> AliasSetId;
696   };
697
698   /// A struct for saving information about induction variables.
699   struct InductionInfo {
700     InductionInfo(Value *Start, InductionKind K) : StartValue(Start), IK(K) {}
701     InductionInfo() : StartValue(nullptr), IK(IK_NoInduction) {}
702     /// Start value.
703     TrackingVH<Value> StartValue;
704     /// Induction kind.
705     InductionKind IK;
706   };
707
708   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
709   /// of the reductions that were found in the loop.
710   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
711
712   /// InductionList saves induction variables and maps them to the
713   /// induction descriptor.
714   typedef MapVector<PHINode*, InductionInfo> InductionList;
715
716   /// Returns true if it is legal to vectorize this loop.
717   /// This does not mean that it is profitable to vectorize this
718   /// loop, only that it is legal to do so.
719   bool canVectorize();
720
721   /// Returns the Induction variable.
722   PHINode *getInduction() { return Induction; }
723
724   /// Returns the reduction variables found in the loop.
725   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
726
727   /// Returns the induction variables found in the loop.
728   InductionList *getInductionVars() { return &Inductions; }
729
730   /// Returns the widest induction type.
731   Type *getWidestInductionType() { return WidestIndTy; }
732
733   /// Returns True if V is an induction variable in this loop.
734   bool isInductionVariable(const Value *V);
735
736   /// Return true if the block BB needs to be predicated in order for the loop
737   /// to be vectorized.
738   bool blockNeedsPredication(BasicBlock *BB);
739
740   /// Check if this  pointer is consecutive when vectorizing. This happens
741   /// when the last index of the GEP is the induction variable, or that the
742   /// pointer itself is an induction variable.
743   /// This check allows us to vectorize A[idx] into a wide load/store.
744   /// Returns:
745   /// 0 - Stride is unknown or non-consecutive.
746   /// 1 - Address is consecutive.
747   /// -1 - Address is consecutive, and decreasing.
748   int isConsecutivePtr(Value *Ptr);
749
750   /// Returns true if the value V is uniform within the loop.
751   bool isUniform(Value *V);
752
753   /// Returns true if this instruction will remain scalar after vectorization.
754   bool isUniformAfterVectorization(Instruction* I) { return Uniforms.count(I); }
755
756   /// Returns the information that we collected about runtime memory check.
757   RuntimePointerCheck *getRuntimePointerCheck() { return &PtrRtCheck; }
758
759   /// This function returns the identity element (or neutral element) for
760   /// the operation K.
761   static Constant *getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp);
762
763   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
764
765   bool hasStride(Value *V) { return StrideSet.count(V); }
766   bool mustCheckStrides() { return !StrideSet.empty(); }
767   SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator strides_begin() {
768     return StrideSet.begin();
769   }
770   SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator strides_end() { return StrideSet.end(); }
771
772   /// Returns true if the target machine supports masked store operation
773   /// for the given \p DataType and kind of access to \p Ptr.
774   bool isLegalMaskedStore(Type *DataType, Value *Ptr) {
775     return TTI->isLegalMaskedStore(DataType, isConsecutivePtr(Ptr));
776   }
777   /// Returns true if the target machine supports masked load operation
778   /// for the given \p DataType and kind of access to \p Ptr.
779   bool isLegalMaskedLoad(Type *DataType, Value *Ptr) {
780     return TTI->isLegalMaskedLoad(DataType, isConsecutivePtr(Ptr));
781   }
782   /// Returns true if vector representation of the instruction \p I
783   /// requires mask.
784   bool isMaskRequired(const Instruction* I) {
785     return (MaskedOp.count(I) != 0);
786   }
787 private:
788   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
789   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
790   /// and we only need to check individual instructions.
791   bool canVectorizeInstrs();
792
793   /// When we vectorize loops we may change the order in which
794   /// we read and write from memory. This method checks if it is
795   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
796   /// Returns true if the loop is vectorizable
797   bool canVectorizeMemory();
798
799   /// Return true if we can vectorize this loop using the IF-conversion
800   /// transformation.
801   bool canVectorizeWithIfConvert();
802
803   /// Collect the variables that need to stay uniform after vectorization.
804   void collectLoopUniforms();
805
806   /// Return true if all of the instructions in the block can be speculatively
807   /// executed. \p SafePtrs is a list of addresses that are known to be legal
808   /// and we know that we can read from them without segfault.
809   bool blockCanBePredicated(BasicBlock *BB, SmallPtrSetImpl<Value *> &SafePtrs);
810
811   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
812   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
813   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
814   /// Returns a struct describing if the instruction 'I' can be a reduction
815   /// variable of type 'Kind'. If the reduction is a min/max pattern of
816   /// select(icmp()) this function advances the instruction pointer 'I' from the
817   /// compare instruction to the select instruction and stores this pointer in
818   /// 'PatternLastInst' member of the returned struct.
819   ReductionInstDesc isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind,
820                                      ReductionInstDesc &Desc);
821   /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
822   /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
823   static ReductionInstDesc isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
824                                                     ReductionInstDesc &Prev);
825   /// Returns the induction kind of Phi. This function may return NoInduction
826   /// if the PHI is not an induction variable.
827   InductionKind isInductionVariable(PHINode *Phi);
828
829   /// \brief Collect memory access with loop invariant strides.
830   ///
831   /// Looks for accesses like "a[i * StrideA]" where "StrideA" is loop
832   /// invariant.
833   void collectStridedAcccess(Value *LoadOrStoreInst);
834
835   /// Report an analysis message to assist the user in diagnosing loops that are
836   /// not vectorized.
837   void emitAnalysis(Report &Message) {
838     DebugLoc DL = TheLoop->getStartLoc();
839     if (Instruction *I = Message.getInstr())
840       DL = I->getDebugLoc();
841     emitOptimizationRemarkAnalysis(TheFunction->getContext(), DEBUG_TYPE,
842                                    *TheFunction, DL, Message.str());
843   }
844
845   /// The loop that we evaluate.
846   Loop *TheLoop;
847   /// Scev analysis.
848   ScalarEvolution *SE;
849   /// DataLayout analysis.
850   const DataLayout *DL;
851   /// Dominators.
852   DominatorTree *DT;
853   /// Target Library Info.
854   TargetLibraryInfo *TLI;
855   /// Alias analysis.
856   AliasAnalysis *AA;
857   /// Parent function
858   Function *TheFunction;
859   /// Target Transform Info
860   const TargetTransformInfo *TTI;
861
862   //  ---  vectorization state --- //
863
864   /// Holds the integer induction variable. This is the counter of the
865   /// loop.
866   PHINode *Induction;
867   /// Holds the reduction variables.
868   ReductionList Reductions;
869   /// Holds all of the induction variables that we found in the loop.
870   /// Notice that inductions don't need to start at zero and that induction
871   /// variables can be pointers.
872   InductionList Inductions;
873   /// Holds the widest induction type encountered.
874   Type *WidestIndTy;
875
876   /// Allowed outside users. This holds the reduction
877   /// vars which can be accessed from outside the loop.
878   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
879   /// This set holds the variables which are known to be uniform after
880   /// vectorization.
881   SmallPtrSet<Instruction*, 4> Uniforms;
882   /// We need to check that all of the pointers in this list are disjoint
883   /// at runtime.
884   RuntimePointerCheck PtrRtCheck;
885   /// Can we assume the absence of NaNs.
886   bool HasFunNoNaNAttr;
887
888   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
889
890   ValueToValueMap Strides;
891   SmallPtrSet<Value *, 8> StrideSet;
892   
893   /// While vectorizing these instructions we have to generate a
894   /// call to the appropriate masked intrinsic
895   SmallPtrSet<const Instruction*, 8> MaskedOp;
896 };
897
898 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
899 /// vectorization.
900 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because of
901 /// a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict the
902 /// expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set. We use the
903 /// TargetTransformInfo to query the different backends for the cost of
904 /// different operations.
905 class LoopVectorizationCostModel {
906 public:
907   LoopVectorizationCostModel(Loop *L, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
908                              LoopVectorizationLegality *Legal,
909                              const TargetTransformInfo &TTI,
910                              const DataLayout *DL, const TargetLibraryInfo *TLI,
911                              AssumptionTracker *AT, const Function *F,
912                              const LoopVectorizeHints *Hints)
913       : TheLoop(L), SE(SE), LI(LI), Legal(Legal), TTI(TTI), DL(DL), TLI(TLI),
914         TheFunction(F), Hints(Hints) {
915     CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AT, EphValues);
916   }
917
918   /// Information about vectorization costs
919   struct VectorizationFactor {
920     unsigned Width; // Vector width with best cost
921     unsigned Cost; // Cost of the loop with that width
922   };
923   /// \return The most profitable vectorization factor and the cost of that VF.
924   /// This method checks every power of two up to VF. If UserVF is not ZERO
925   /// then this vectorization factor will be selected if vectorization is
926   /// possible.
927   VectorizationFactor selectVectorizationFactor(bool OptForSize);
928
929   /// \return The size (in bits) of the widest type in the code that
930   /// needs to be vectorized. We ignore values that remain scalar such as
931   /// 64 bit loop indices.
932   unsigned getWidestType();
933
934   /// \return The most profitable unroll factor.
935   /// If UserUF is non-zero then this method finds the best unroll-factor
936   /// based on register pressure and other parameters.
937   /// VF and LoopCost are the selected vectorization factor and the cost of the
938   /// selected VF.
939   unsigned selectUnrollFactor(bool OptForSize, unsigned VF, unsigned LoopCost);
940
941   /// \brief A struct that represents some properties of the register usage
942   /// of a loop.
943   struct RegisterUsage {
944     /// Holds the number of loop invariant values that are used in the loop.
945     unsigned LoopInvariantRegs;
946     /// Holds the maximum number of concurrent live intervals in the loop.
947     unsigned MaxLocalUsers;
948     /// Holds the number of instructions in the loop.
949     unsigned NumInstructions;
950   };
951
952   /// \return  information about the register usage of the loop.
953   RegisterUsage calculateRegisterUsage();
954
955 private:
956   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
957   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
958   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
959   /// the factor width.
960   unsigned expectedCost(unsigned VF);
961
962   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
963   /// width. Vector width of one means scalar.
964   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
965
966   /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
967   /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
968   /// the scalar type.
969   static Type* ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF);
970
971   /// Returns whether the instruction is a load or store and will be a emitted
972   /// as a vector operation.
973   bool isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *I);
974
975   /// Report an analysis message to assist the user in diagnosing loops that are
976   /// not vectorized.
977   void emitAnalysis(Report &Message) {
978     DebugLoc DL = TheLoop->getStartLoc();
979     if (Instruction *I = Message.getInstr())
980       DL = I->getDebugLoc();
981     emitOptimizationRemarkAnalysis(TheFunction->getContext(), DEBUG_TYPE,
982                                    *TheFunction, DL, Message.str());
983   }
984
985   /// Values used only by @llvm.assume calls.
986   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
987
988   /// The loop that we evaluate.
989   Loop *TheLoop;
990   /// Scev analysis.
991   ScalarEvolution *SE;
992   /// Loop Info analysis.
993   LoopInfo *LI;
994   /// Vectorization legality.
995   LoopVectorizationLegality *Legal;
996   /// Vector target information.
997   const TargetTransformInfo &TTI;
998   /// Target data layout information.
999   const DataLayout *DL;
1000   /// Target Library Info.
1001   const TargetLibraryInfo *TLI;
1002   const Function *TheFunction;
1003   // Loop Vectorize Hint.
1004   const LoopVectorizeHints *Hints;
1005 };
1006
1007 /// Utility class for getting and setting loop vectorizer hints in the form
1008 /// of loop metadata.
1009 /// This class keeps a number of loop annotations locally (as member variables)
1010 /// and can, upon request, write them back as metadata on the loop. It will
1011 /// initially scan the loop for existing metadata, and will update the local
1012 /// values based on information in the loop.
1013 /// We cannot write all values to metadata, as the mere presence of some info,
1014 /// for example 'force', means a decision has been made. So, we need to be
1015 /// careful NOT to add them if the user hasn't specifically asked so.
1016 class LoopVectorizeHints {
1017   enum HintKind {
1018     HK_WIDTH,
1019     HK_UNROLL,
1020     HK_FORCE
1021   };
1022
1023   /// Hint - associates name and validation with the hint value.
1024   struct Hint {
1025     const char * Name;
1026     unsigned Value; // This may have to change for non-numeric values.
1027     HintKind Kind;
1028
1029     Hint(const char * Name, unsigned Value, HintKind Kind)
1030       : Name(Name), Value(Value), Kind(Kind) { }
1031
1032     bool validate(unsigned Val) {
1033       switch (Kind) {
1034       case HK_WIDTH:
1035         return isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxVectorWidth;
1036       case HK_UNROLL:
1037         return isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxInterleaveFactor;
1038       case HK_FORCE:
1039         return (Val <= 1);
1040       }
1041       return false;
1042     }
1043   };
1044
1045   /// Vectorization width.
1046   Hint Width;
1047   /// Vectorization interleave factor.
1048   Hint Interleave;
1049   /// Vectorization forced
1050   Hint Force;
1051
1052   /// Return the loop metadata prefix.
1053   static StringRef Prefix() { return "llvm.loop."; }
1054
1055 public:
1056   enum ForceKind {
1057     FK_Undefined = -1, ///< Not selected.
1058     FK_Disabled = 0,   ///< Forcing disabled.
1059     FK_Enabled = 1,    ///< Forcing enabled.
1060   };
1061
1062   LoopVectorizeHints(const Loop *L, bool DisableInterleaving)
1063       : Width("vectorize.width", VectorizationFactor, HK_WIDTH),
1064         Interleave("interleave.count", DisableInterleaving, HK_UNROLL),
1065         Force("vectorize.enable", FK_Undefined, HK_FORCE),
1066         TheLoop(L) {
1067     // Populate values with existing loop metadata.
1068     getHintsFromMetadata();
1069
1070     // force-vector-interleave overrides DisableInterleaving.
1071     if (VectorizationInterleave.getNumOccurrences() > 0)
1072       Interleave.Value = VectorizationInterleave;
1073
1074     DEBUG(if (DisableInterleaving && Interleave.Value == 1) dbgs()
1075           << "LV: Interleaving disabled by the pass manager\n");
1076   }
1077
1078   /// Mark the loop L as already vectorized by setting the width to 1.
1079   void setAlreadyVectorized() {
1080     Width.Value = Interleave.Value = 1;
1081     Hint Hints[] = {Width, Interleave};
1082     writeHintsToMetadata(Hints);
1083   }
1084
1085   /// Dumps all the hint information.
1086   std::string emitRemark() const {
1087     Report R;
1088     if (Force.Value == LoopVectorizeHints::FK_Disabled)
1089       R << "vectorization is explicitly disabled";
1090     else {
1091       R << "use -Rpass-analysis=loop-vectorize for more info";
1092       if (Force.Value == LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1093         R << " (Force=true";
1094         if (Width.Value != 0)
1095           R << ", Vector Width=" << Width.Value;
1096         if (Interleave.Value != 0)
1097           R << ", Interleave Count=" << Interleave.Value;
1098         R << ")";
1099       }
1100     }
1101
1102     return R.str();
1103   }
1104
1105   unsigned getWidth() const { return Width.Value; }
1106   unsigned getInterleave() const { return Interleave.Value; }
1107   enum ForceKind getForce() const { return (ForceKind)Force.Value; }
1108
1109 private:
1110   /// Find hints specified in the loop metadata and update local values.
1111   void getHintsFromMetadata() {
1112     MDNode *LoopID = TheLoop->getLoopID();
1113     if (!LoopID)
1114       return;
1115
1116     // First operand should refer to the loop id itself.
1117     assert(LoopID->getNumOperands() > 0 && "requires at least one operand");
1118     assert(LoopID->getOperand(0) == LoopID && "invalid loop id");
1119
1120     for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
1121       const MDString *S = nullptr;
1122       SmallVector<Metadata *, 4> Args;
1123
1124       // The expected hint is either a MDString or a MDNode with the first
1125       // operand a MDString.
1126       if (const MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i))) {
1127         if (!MD || MD->getNumOperands() == 0)
1128           continue;
1129         S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
1130         for (unsigned i = 1, ie = MD->getNumOperands(); i < ie; ++i)
1131           Args.push_back(MD->getOperand(i));
1132       } else {
1133         S = dyn_cast<MDString>(LoopID->getOperand(i));
1134         assert(Args.size() == 0 && "too many arguments for MDString");
1135       }
1136
1137       if (!S)
1138         continue;
1139
1140       // Check if the hint starts with the loop metadata prefix.
1141       StringRef Name = S->getString();
1142       if (Args.size() == 1)
1143         setHint(Name, Args[0]);
1144     }
1145   }
1146
1147   /// Checks string hint with one operand and set value if valid.
1148   void setHint(StringRef Name, Metadata *Arg) {
1149     if (!Name.startswith(Prefix()))
1150       return;
1151     Name = Name.substr(Prefix().size(), StringRef::npos);
1152
1153     const ConstantInt *C = mdconst::dyn_extract<ConstantInt>(Arg);
1154     if (!C) return;
1155     unsigned Val = C->getZExtValue();
1156
1157     Hint *Hints[] = {&Width, &Interleave, &Force};
1158     for (auto H : Hints) {
1159       if (Name == H->Name) {
1160         if (H->validate(Val))
1161           H->Value = Val;
1162         else
1163           DEBUG(dbgs() << "LV: ignoring invalid hint '" << Name << "'\n");
1164         break;
1165       }
1166     }
1167   }
1168
1169   /// Create a new hint from name / value pair.
1170   MDNode *createHintMetadata(StringRef Name, unsigned V) const {
1171     LLVMContext &Context = TheLoop->getHeader()->getContext();
1172     Metadata *MDs[] = {MDString::get(Context, Name),
1173                        ConstantAsMetadata::get(
1174                            ConstantInt::get(Type::getInt32Ty(Context), V))};
1175     return MDNode::get(Context, MDs);
1176   }
1177
1178   /// Matches metadata with hint name.
1179   bool matchesHintMetadataName(MDNode *Node, ArrayRef<Hint> HintTypes) {
1180     MDString* Name = dyn_cast<MDString>(Node->getOperand(0));
1181     if (!Name)
1182       return false;
1183
1184     for (auto H : HintTypes)
1185       if (Name->getString().endswith(H.Name))
1186         return true;
1187     return false;
1188   }
1189
1190   /// Sets current hints into loop metadata, keeping other values intact.
1191   void writeHintsToMetadata(ArrayRef<Hint> HintTypes) {
1192     if (HintTypes.size() == 0)
1193       return;
1194
1195     // Reserve the first element to LoopID (see below).
1196     SmallVector<Metadata *, 4> MDs(1);
1197     // If the loop already has metadata, then ignore the existing operands.
1198     MDNode *LoopID = TheLoop->getLoopID();
1199     if (LoopID) {
1200       for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
1201         MDNode *Node = cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
1202         // If node in update list, ignore old value.
1203         if (!matchesHintMetadataName(Node, HintTypes))
1204           MDs.push_back(Node);
1205       }
1206     }
1207
1208     // Now, add the missing hints.
1209     for (auto H : HintTypes)
1210       MDs.push_back(createHintMetadata(Twine(Prefix(), H.Name).str(), H.Value));
1211
1212     // Replace current metadata node with new one.
1213     LLVMContext &Context = TheLoop->getHeader()->getContext();
1214     MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
1215     // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
1216     NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
1217
1218     TheLoop->setLoopID(NewLoopID);
1219   }
1220
1221   /// The loop these hints belong to.
1222   const Loop *TheLoop;
1223 };
1224
1225 static void emitMissedWarning(Function *F, Loop *L,
1226                               const LoopVectorizeHints &LH) {
1227   emitOptimizationRemarkMissed(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1228                                L->getStartLoc(), LH.emitRemark());
1229
1230   if (LH.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1231     if (LH.getWidth() != 1)
1232       emitLoopVectorizeWarning(
1233           F->getContext(), *F, L->getStartLoc(),
1234           "failed explicitly specified loop vectorization");
1235     else if (LH.getInterleave() != 1)
1236       emitLoopInterleaveWarning(
1237           F->getContext(), *F, L->getStartLoc(),
1238           "failed explicitly specified loop interleaving");
1239   }
1240 }
1241
1242 static void addInnerLoop(Loop &L, SmallVectorImpl<Loop *> &V) {
1243   if (L.empty())
1244     return V.push_back(&L);
1245
1246   for (Loop *InnerL : L)
1247     addInnerLoop(*InnerL, V);
1248 }
1249
1250 /// The LoopVectorize Pass.
1251 struct LoopVectorize : public FunctionPass {
1252   /// Pass identification, replacement for typeid
1253   static char ID;
1254
1255   explicit LoopVectorize(bool NoUnrolling = false, bool AlwaysVectorize = true)
1256     : FunctionPass(ID),
1257       DisableUnrolling(NoUnrolling),
1258       AlwaysVectorize(AlwaysVectorize) {
1259     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
1260   }
1261
1262   ScalarEvolution *SE;
1263   const DataLayout *DL;
1264   LoopInfo *LI;
1265   TargetTransformInfo *TTI;
1266   DominatorTree *DT;
1267   BlockFrequencyInfo *BFI;
1268   TargetLibraryInfo *TLI;
1269   AliasAnalysis *AA;
1270   AssumptionTracker *AT;
1271   bool DisableUnrolling;
1272   bool AlwaysVectorize;
1273
1274   BlockFrequency ColdEntryFreq;
1275
1276   bool runOnFunction(Function &F) override {
1277     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1278     DataLayoutPass *DLP = getAnalysisIfAvailable<DataLayoutPass>();
1279     DL = DLP ? &DLP->getDataLayout() : nullptr;
1280     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
1281     TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfo>();
1282     DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1283     BFI = &getAnalysis<BlockFrequencyInfo>();
1284     TLI = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfo>();
1285     AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
1286     AT = &getAnalysis<AssumptionTracker>();
1287
1288     // Compute some weights outside of the loop over the loops. Compute this
1289     // using a BranchProbability to re-use its scaling math.
1290     const BranchProbability ColdProb(1, 5); // 20%
1291     ColdEntryFreq = BlockFrequency(BFI->getEntryFreq()) * ColdProb;
1292
1293     // If the target claims to have no vector registers don't attempt
1294     // vectorization.
1295     if (!TTI->getNumberOfRegisters(true))
1296       return false;
1297
1298     if (!DL) {
1299       DEBUG(dbgs() << "\nLV: Not vectorizing " << F.getName()
1300                    << ": Missing data layout\n");
1301       return false;
1302     }
1303
1304     // Build up a worklist of inner-loops to vectorize. This is necessary as
1305     // the act of vectorizing or partially unrolling a loop creates new loops
1306     // and can invalidate iterators across the loops.
1307     SmallVector<Loop *, 8> Worklist;
1308
1309     for (Loop *L : *LI)
1310       addInnerLoop(*L, Worklist);
1311
1312     LoopsAnalyzed += Worklist.size();
1313
1314     // Now walk the identified inner loops.
1315     bool Changed = false;
1316     while (!Worklist.empty())
1317       Changed |= processLoop(Worklist.pop_back_val());
1318
1319     // Process each loop nest in the function.
1320     return Changed;
1321   }
1322
1323   bool processLoop(Loop *L) {
1324     assert(L->empty() && "Only process inner loops.");
1325
1326 #ifndef NDEBUG
1327     const std::string DebugLocStr = getDebugLocString(L);
1328 #endif /* NDEBUG */
1329
1330     DEBUG(dbgs() << "\nLV: Checking a loop in \""
1331                  << L->getHeader()->getParent()->getName() << "\" from "
1332                  << DebugLocStr << "\n");
1333
1334     LoopVectorizeHints Hints(L, DisableUnrolling);
1335
1336     DEBUG(dbgs() << "LV: Loop hints:"
1337                  << " force="
1338                  << (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled
1339                          ? "disabled"
1340                          : (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled
1341                                 ? "enabled"
1342                                 : "?")) << " width=" << Hints.getWidth()
1343                  << " unroll=" << Hints.getInterleave() << "\n");
1344
1345     // Function containing loop
1346     Function *F = L->getHeader()->getParent();
1347
1348     // Looking at the diagnostic output is the only way to determine if a loop
1349     // was vectorized (other than looking at the IR or machine code), so it
1350     // is important to generate an optimization remark for each loop. Most of
1351     // these messages are generated by emitOptimizationRemarkAnalysis. Remarks
1352     // generated by emitOptimizationRemark and emitOptimizationRemarkMissed are
1353     // less verbose reporting vectorized loops and unvectorized loops that may
1354     // benefit from vectorization, respectively.
1355
1356     if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled) {
1357       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: #pragma vectorize disable.\n");
1358       emitOptimizationRemarkAnalysis(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1359                                      L->getStartLoc(), Hints.emitRemark());
1360       return false;
1361     }
1362
1363     if (!AlwaysVectorize && Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1364       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: No #pragma vectorize enable.\n");
1365       emitOptimizationRemarkAnalysis(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1366                                      L->getStartLoc(), Hints.emitRemark());
1367       return false;
1368     }
1369
1370     if (Hints.getWidth() == 1 && Hints.getInterleave() == 1) {
1371       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Disabled/already vectorized.\n");
1372       emitOptimizationRemarkAnalysis(
1373           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1374           "loop not vectorized: vector width and interleave count are "
1375           "explicitly set to 1");
1376       return false;
1377     }
1378
1379     // Check the loop for a trip count threshold:
1380     // do not vectorize loops with a tiny trip count.
1381     const unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(L);
1382     if (TC > 0u && TC < TinyTripCountVectorThreshold) {
1383       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. "
1384                    << "This loop is not worth vectorizing.");
1385       if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled)
1386         DEBUG(dbgs() << " But vectorizing was explicitly forced.\n");
1387       else {
1388         DEBUG(dbgs() << "\n");
1389         emitOptimizationRemarkAnalysis(
1390             F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1391             "vectorization is not beneficial and is not explicitly forced");
1392         return false;
1393       }
1394     }
1395
1396     // Check if it is legal to vectorize the loop.
1397     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL, DT, TLI, AA, F, TTI);
1398     if (!LVL.canVectorize()) {
1399       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Cannot prove legality.\n");
1400       emitMissedWarning(F, L, Hints);
1401       return false;
1402     }
1403
1404     // Use the cost model.
1405     LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, LI, &LVL, *TTI, DL, TLI, AT, F,
1406                                   &Hints);
1407
1408     // Check the function attributes to find out if this function should be
1409     // optimized for size.
1410     bool OptForSize = Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled &&
1411                       F->hasFnAttribute(Attribute::OptimizeForSize);
1412
1413     // Compute the weighted frequency of this loop being executed and see if it
1414     // is less than 20% of the function entry baseline frequency. Note that we
1415     // always have a canonical loop here because we think we *can* vectoriez.
1416     // FIXME: This is hidden behind a flag due to pervasive problems with
1417     // exactly what block frequency models.
1418     if (LoopVectorizeWithBlockFrequency) {
1419       BlockFrequency LoopEntryFreq = BFI->getBlockFreq(L->getLoopPreheader());
1420       if (Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled &&
1421           LoopEntryFreq < ColdEntryFreq)
1422         OptForSize = true;
1423     }
1424
1425     // Check the function attributes to see if implicit floats are allowed.a
1426     // FIXME: This check doesn't seem possibly correct -- what if the loop is
1427     // an integer loop and the vector instructions selected are purely integer
1428     // vector instructions?
1429     if (F->hasFnAttribute(Attribute::NoImplicitFloat)) {
1430       DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
1431             "attribute is used.\n");
1432       emitOptimizationRemarkAnalysis(
1433           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1434           "loop not vectorized due to NoImplicitFloat attribute");
1435       emitMissedWarning(F, L, Hints);
1436       return false;
1437     }
1438
1439     // Select the optimal vectorization factor.
1440     const LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor VF =
1441         CM.selectVectorizationFactor(OptForSize);
1442
1443     // Select the unroll factor.
1444     const unsigned UF =
1445         CM.selectUnrollFactor(OptForSize, VF.Width, VF.Cost);
1446
1447     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop (" << VF.Width << ") in "
1448                  << DebugLocStr << '\n');
1449     DEBUG(dbgs() << "LV: Unroll Factor is " << UF << '\n');
1450
1451     if (VF.Width == 1) {
1452       DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial\n");
1453
1454       if (UF == 1) {
1455         emitOptimizationRemarkAnalysis(
1456             F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1457             "not beneficial to vectorize and user disabled interleaving");
1458         return false;
1459       }
1460       DEBUG(dbgs() << "LV: Trying to at least unroll the loops.\n");
1461
1462       // Report the unrolling decision.
1463       emitOptimizationRemark(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1464                              Twine("unrolled with interleaving factor " +
1465                                    Twine(UF) +
1466                                    " (vectorization not beneficial)"));
1467
1468       // We decided not to vectorize, but we may want to unroll.
1469
1470       InnerLoopUnroller Unroller(L, SE, LI, DT, DL, TLI, UF);
1471       Unroller.vectorize(&LVL);
1472     } else {
1473       // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop then do it.
1474       InnerLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, DL, TLI, VF.Width, UF);
1475       LB.vectorize(&LVL);
1476       ++LoopsVectorized;
1477
1478       // Report the vectorization decision.
1479       emitOptimizationRemark(
1480           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1481           Twine("vectorized loop (vectorization factor: ") + Twine(VF.Width) +
1482               ", unrolling interleave factor: " + Twine(UF) + ")");
1483     }
1484
1485     // Mark the loop as already vectorized to avoid vectorizing again.
1486     Hints.setAlreadyVectorized();
1487
1488     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
1489     return true;
1490   }
1491
1492   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1493     AU.addRequired<AssumptionTracker>();
1494     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
1495     AU.addRequiredID(LCSSAID);
1496     AU.addRequired<BlockFrequencyInfo>();
1497     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
1498     AU.addRequired<LoopInfo>();
1499     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
1500     AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
1501     AU.addRequired<AliasAnalysis>();
1502     AU.addPreserved<LoopInfo>();
1503     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
1504     AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
1505   }
1506
1507 };
1508
1509 } // end anonymous namespace
1510
1511 //===----------------------------------------------------------------------===//
1512 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
1513 // LoopVectorizationCostModel.
1514 //===----------------------------------------------------------------------===//
1515
1516 static Value *stripIntegerCast(Value *V) {
1517   if (CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(V))
1518     if (CI->getOperand(0)->getType()->isIntegerTy())
1519       return CI->getOperand(0);
1520   return V;
1521 }
1522
1523 ///\brief Replaces the symbolic stride in a pointer SCEV expression by one.
1524 ///
1525 /// If \p OrigPtr is not null, use it to look up the stride value instead of
1526 /// \p Ptr.
1527 static const SCEV *replaceSymbolicStrideSCEV(ScalarEvolution *SE,
1528                                              ValueToValueMap &PtrToStride,
1529                                              Value *Ptr, Value *OrigPtr = nullptr) {
1530
1531   const SCEV *OrigSCEV = SE->getSCEV(Ptr);
1532
1533   // If there is an entry in the map return the SCEV of the pointer with the
1534   // symbolic stride replaced by one.
1535   ValueToValueMap::iterator SI = PtrToStride.find(OrigPtr ? OrigPtr : Ptr);
1536   if (SI != PtrToStride.end()) {
1537     Value *StrideVal = SI->second;
1538
1539     // Strip casts.
1540     StrideVal = stripIntegerCast(StrideVal);
1541
1542     // Replace symbolic stride by one.
1543     Value *One = ConstantInt::get(StrideVal->getType(), 1);
1544     ValueToValueMap RewriteMap;
1545     RewriteMap[StrideVal] = One;
1546
1547     const SCEV *ByOne =
1548         SCEVParameterRewriter::rewrite(OrigSCEV, *SE, RewriteMap, true);
1549     DEBUG(dbgs() << "LV: Replacing SCEV: " << *OrigSCEV << " by: " << *ByOne
1550                  << "\n");
1551     return ByOne;
1552   }
1553
1554   // Otherwise, just return the SCEV of the original pointer.
1555   return SE->getSCEV(Ptr);
1556 }
1557
1558 void LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck::insert(
1559     ScalarEvolution *SE, Loop *Lp, Value *Ptr, bool WritePtr, unsigned DepSetId,
1560     unsigned ASId, ValueToValueMap &Strides) {
1561   // Get the stride replaced scev.
1562   const SCEV *Sc = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, Ptr);
1563   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Sc);
1564   assert(AR && "Invalid addrec expression");
1565   const SCEV *Ex = SE->getBackedgeTakenCount(Lp);
1566   const SCEV *ScEnd = AR->evaluateAtIteration(Ex, *SE);
1567   Pointers.push_back(Ptr);
1568   Starts.push_back(AR->getStart());
1569   Ends.push_back(ScEnd);
1570   IsWritePtr.push_back(WritePtr);
1571   DependencySetId.push_back(DepSetId);
1572   AliasSetId.push_back(ASId);
1573 }
1574
1575 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
1576   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
1577   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
1578   bool NewInstr =
1579       (Instr && std::find(LoopVectorBody.begin(), LoopVectorBody.end(),
1580                           Instr->getParent()) != LoopVectorBody.end());
1581   bool Invariant = OrigLoop->isLoopInvariant(V) && !NewInstr;
1582
1583   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
1584   IRBuilder<>::InsertPointGuard Guard(Builder);
1585   if (Invariant)
1586     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1587
1588   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
1589   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
1590
1591   return Shuf;
1592 }
1593
1594 Value *InnerLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
1595                                                  bool Negate) {
1596   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
1597   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
1598          "Elem must be an integer");
1599   // Create the types.
1600   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
1601   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
1602   int VLen = Ty->getNumElements();
1603   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
1604
1605   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
1606   for (int i = 0; i < VLen; ++i) {
1607     int64_t Idx = Negate ? (-i) : i;
1608     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, StartIdx + Idx, Negate));
1609   }
1610
1611   // Add the consecutive indices to the vector value.
1612   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
1613   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
1614   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
1615 }
1616
1617 /// \brief Find the operand of the GEP that should be checked for consecutive
1618 /// stores. This ignores trailing indices that have no effect on the final
1619 /// pointer.
1620 static unsigned getGEPInductionOperand(const DataLayout *DL,
1621                                        const GetElementPtrInst *Gep) {
1622   unsigned LastOperand = Gep->getNumOperands() - 1;
1623   unsigned GEPAllocSize = DL->getTypeAllocSize(
1624       cast<PointerType>(Gep->getType()->getScalarType())->getElementType());
1625
1626   // Walk backwards and try to peel off zeros.
1627   while (LastOperand > 1 && match(Gep->getOperand(LastOperand), m_Zero())) {
1628     // Find the type we're currently indexing into.
1629     gep_type_iterator GEPTI = gep_type_begin(Gep);
1630     std::advance(GEPTI, LastOperand - 1);
1631
1632     // If it's a type with the same allocation size as the result of the GEP we
1633     // can peel off the zero index.
1634     if (DL->getTypeAllocSize(*GEPTI) != GEPAllocSize)
1635       break;
1636     --LastOperand;
1637   }
1638
1639   return LastOperand;
1640 }
1641
1642 int LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
1643   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non-ptr");
1644   // Make sure that the pointer does not point to structs.
1645   if (Ptr->getType()->getPointerElementType()->isAggregateType())
1646     return 0;
1647
1648   // If this value is a pointer induction variable we know it is consecutive.
1649   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
1650   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1651     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1652     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1653       return 1;
1654     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1655       return -1;
1656   }
1657
1658   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
1659   if (!Gep)
1660     return 0;
1661
1662   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1663   Value *GpPtr = Gep->getPointerOperand();
1664   // If this GEP value is a consecutive pointer induction variable and all of
1665   // the indices are constant then we know it is consecutive. We can
1666   Phi = dyn_cast<PHINode>(GpPtr);
1667   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1668
1669     // Make sure that the pointer does not point to structs.
1670     PointerType *GepPtrType = cast<PointerType>(GpPtr->getType());
1671     if (GepPtrType->getElementType()->isAggregateType())
1672       return 0;
1673
1674     // Make sure that all of the index operands are loop invariant.
1675     for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i)
1676       if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1677         return 0;
1678
1679     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1680     if (IK_PtrInduction == II.IK)
1681       return 1;
1682     else if (IK_ReversePtrInduction == II.IK)
1683       return -1;
1684   }
1685
1686   unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(DL, Gep);
1687
1688   // Check that all of the gep indices are uniform except for our induction
1689   // operand.
1690   for (unsigned i = 0; i != NumOperands; ++i)
1691     if (i != InductionOperand &&
1692         !SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1693       return 0;
1694
1695   // We can emit wide load/stores only if the last non-zero index is the
1696   // induction variable.
1697   const SCEV *Last = nullptr;
1698   if (!Strides.count(Gep))
1699     Last = SE->getSCEV(Gep->getOperand(InductionOperand));
1700   else {
1701     // Because of the multiplication by a stride we can have a s/zext cast.
1702     // We are going to replace this stride by 1 so the cast is safe to ignore.
1703     //
1704     //  %indvars.iv = phi i64 [ 0, %entry ], [ %indvars.iv.next, %for.body ]
1705     //  %0 = trunc i64 %indvars.iv to i32
1706     //  %mul = mul i32 %0, %Stride1
1707     //  %idxprom = zext i32 %mul to i64  << Safe cast.
1708     //  %arrayidx = getelementptr inbounds i32* %B, i64 %idxprom
1709     //
1710     Last = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides,
1711                                      Gep->getOperand(InductionOperand), Gep);
1712     if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(Last))
1713       Last =
1714           (C->getSCEVType() == scSignExtend || C->getSCEVType() == scZeroExtend)
1715               ? C->getOperand()
1716               : Last;
1717   }
1718   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
1719     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1720
1721     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
1722     // and all other indices are loop invariant.
1723     if (Step->isOne())
1724       return 1;
1725     if (Step->isAllOnesValue())
1726       return -1;
1727   }
1728
1729   return 0;
1730 }
1731
1732 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
1733   return (SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(V), TheLoop));
1734 }
1735
1736 InnerLoopVectorizer::VectorParts&
1737 InnerLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
1738   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
1739   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
1740
1741   // If we have a stride that is replaced by one, do it here.
1742   if (Legal->hasStride(V))
1743     V = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1744
1745   // If we have this scalar in the map, return it.
1746   if (WidenMap.has(V))
1747     return WidenMap.get(V);
1748
1749   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
1750   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
1751   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
1752   return WidenMap.splat(V, B);
1753 }
1754
1755 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
1756   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
1757   SmallVector<Constant*, 8> ShuffleMask;
1758   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
1759     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
1760
1761   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
1762                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
1763                                      "reverse");
1764 }
1765
1766 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) {
1767   // Attempt to issue a wide load.
1768   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
1769   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
1770
1771   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
1772
1773   Type *ScalarDataTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
1774   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
1775   Value *Ptr = LI ? LI->getPointerOperand() : SI->getPointerOperand();
1776   unsigned Alignment = LI ? LI->getAlignment() : SI->getAlignment();
1777   // An alignment of 0 means target abi alignment. We need to use the scalar's
1778   // target abi alignment in such a case.
1779   if (!Alignment)
1780     Alignment = DL->getABITypeAlignment(ScalarDataTy);
1781   unsigned AddressSpace = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
1782   unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ScalarDataTy);
1783   unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(DataTy)/VF;
1784
1785   if (SI && Legal->blockNeedsPredication(SI->getParent()) &&
1786       !Legal->isMaskRequired(SI))
1787     return scalarizeInstruction(Instr, true);
1788
1789   if (ScalarAllocatedSize != VectorElementSize)
1790     return scalarizeInstruction(Instr);
1791
1792   // If the pointer is loop invariant or if it is non-consecutive,
1793   // scalarize the load.
1794   int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
1795   bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
1796   bool UniformLoad = LI && Legal->isUniform(Ptr);
1797   if (!ConsecutiveStride || UniformLoad)
1798     return scalarizeInstruction(Instr);
1799
1800   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1801   VectorParts &Entry = WidenMap.get(Instr);
1802
1803   // Handle consecutive loads/stores.
1804   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1805   if (Gep && Legal->isInductionVariable(Gep->getPointerOperand())) {
1806     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1807     Value *PtrOperand = Gep->getPointerOperand();
1808     Value *FirstBasePtr = getVectorValue(PtrOperand)[0];
1809     FirstBasePtr = Builder.CreateExtractElement(FirstBasePtr, Zero);
1810
1811     // Create the new GEP with the new induction variable.
1812     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1813     Gep2->setOperand(0, FirstBasePtr);
1814     Gep2->setName("gep.indvar.base");
1815     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1816   } else if (Gep) {
1817     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1818     assert(SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getPointerOperand()),
1819                                OrigLoop) && "Base ptr must be invariant");
1820
1821     // The last index does not have to be the induction. It can be
1822     // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1823     unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1824     unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(DL, Gep);
1825     // Create the new GEP with the new induction variable.
1826     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1827
1828     for (unsigned i = 0; i < NumOperands; ++i) {
1829       Value *GepOperand = Gep->getOperand(i);
1830       Instruction *GepOperandInst = dyn_cast<Instruction>(GepOperand);
1831
1832       // Update last index or loop invariant instruction anchored in loop.
1833       if (i == InductionOperand ||
1834           (GepOperandInst && OrigLoop->contains(GepOperandInst))) {
1835         assert((i == InductionOperand ||
1836                SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GepOperandInst), OrigLoop)) &&
1837                "Must be last index or loop invariant");
1838
1839         VectorParts &GEPParts = getVectorValue(GepOperand);
1840         Value *Index = GEPParts[0];
1841         Index = Builder.CreateExtractElement(Index, Zero);
1842         Gep2->setOperand(i, Index);
1843         Gep2->setName("gep.indvar.idx");
1844       }
1845     }
1846     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1847   } else {
1848     // Use the induction element ptr.
1849     assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1850     setDebugLocFromInst(Builder, Ptr);
1851     VectorParts &PtrVal = getVectorValue(Ptr);
1852     Ptr = Builder.CreateExtractElement(PtrVal[0], Zero);
1853   }
1854
1855   // Handle Stores:
1856   if (SI) {
1857     assert(!Legal->isUniform(SI->getPointerOperand()) &&
1858            "We do not allow storing to uniform addresses");
1859     setDebugLocFromInst(Builder, SI);
1860     // We don't want to update the value in the map as it might be used in
1861     // another expression. So don't use a reference type for "StoredVal".
1862     VectorParts StoredVal = getVectorValue(SI->getValueOperand());
1863
1864     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1865       // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1866       Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1867
1868       if (Reverse) {
1869         // If we store to reverse consecutive memory locations then we need
1870         // to reverse the order of elements in the stored value.
1871         StoredVal[Part] = reverseVector(StoredVal[Part]);
1872         // If the address is consecutive but reversed, then the
1873         // wide store needs to start at the last vector element.
1874         PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1875         PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1876       }
1877
1878       Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1879                                             DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1880
1881       Instruction *NewSI;
1882       if (Legal->isMaskRequired(SI)) {
1883         VectorParts Cond = createBlockInMask(SI->getParent());
1884         SmallVector <Value *, 8> Ops;
1885         Ops.push_back(StoredVal[Part]);
1886         Ops.push_back(VecPtr);
1887         Ops.push_back(Builder.getInt32(Alignment));
1888         Ops.push_back(Cond[Part]);
1889         NewSI = Builder.CreateMaskedStore(Ops);
1890       }
1891       else 
1892         NewSI = Builder.CreateAlignedStore(StoredVal[Part], VecPtr, Alignment);
1893       propagateMetadata(NewSI, SI);
1894     }
1895     return;
1896   }
1897
1898   // Handle loads.
1899   assert(LI && "Must have a load instruction");
1900   setDebugLocFromInst(Builder, LI);
1901   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1902     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1903     Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1904
1905     if (Reverse) {
1906       // If the address is consecutive but reversed, then the
1907       // wide load needs to start at the last vector element.
1908       PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1909       PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1910     }
1911
1912     Instruction* NewLI;
1913     Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1914                                           DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1915     if (Legal->isMaskRequired(LI)) {
1916       VectorParts SrcMask = createBlockInMask(LI->getParent());
1917       SmallVector <Value *, 8> Ops;
1918       Ops.push_back(VecPtr);
1919       Ops.push_back(Builder.getInt32(Alignment));
1920       Ops.push_back(SrcMask[Part]);
1921       Ops.push_back(UndefValue::get(DataTy));
1922       NewLI = Builder.CreateMaskedLoad(Ops);
1923     }
1924     else {
1925       NewLI = Builder.CreateAlignedLoad(VecPtr, Alignment, "wide.load");
1926     }
1927     propagateMetadata(NewLI, LI);
1928     Entry[Part] = Reverse ? reverseVector(NewLI) :  NewLI;
1929   }
1930 }
1931
1932 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr, bool IfPredicateStore) {
1933   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
1934   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
1935   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
1936
1937   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
1938
1939   // Find all of the vectorized parameters.
1940   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1941     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
1942
1943     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
1944     if (SrcOp == OldInduction) {
1945       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
1946       continue;
1947     }
1948
1949     // Try using previously calculated values.
1950     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
1951
1952     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
1953     // then it should already be vectorized.
1954     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
1955       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
1956       // The parameter is a vector value from earlier.
1957       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
1958     } else {
1959       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
1960       VectorParts Scalars;
1961       Scalars.append(UF, SrcOp);
1962       Params.push_back(Scalars);
1963     }
1964   }
1965
1966   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
1967          "Invalid number of operands");
1968
1969   // Does this instruction return a value ?
1970   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
1971
1972   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? nullptr :
1973     UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
1974   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
1975   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
1976
1977   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
1978   BasicBlock *IfBlock = Builder.GetInsertBlock();
1979   BasicBlock *CondBlock = nullptr;
1980
1981   VectorParts Cond;
1982   Loop *VectorLp = nullptr;
1983   if (IfPredicateStore) {
1984     assert(Instr->getParent()->getSinglePredecessor() &&
1985            "Only support single predecessor blocks");
1986     Cond = createEdgeMask(Instr->getParent()->getSinglePredecessor(),
1987                           Instr->getParent());
1988     VectorLp = LI->getLoopFor(IfBlock);
1989     assert(VectorLp && "Must have a loop for this block");
1990   }
1991
1992   // For each vector unroll 'part':
1993   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1994     // For each scalar that we create:
1995     for (unsigned Width = 0; Width < VF; ++Width) {
1996
1997       // Start if-block.
1998       Value *Cmp = nullptr;
1999       if (IfPredicateStore) {
2000         Cmp = Builder.CreateExtractElement(Cond[Part], Builder.getInt32(Width));
2001         Cmp = Builder.CreateICmp(ICmpInst::ICMP_EQ, Cmp, ConstantInt::get(Cmp->getType(), 1));
2002         CondBlock = IfBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "cond.store");
2003         LoopVectorBody.push_back(CondBlock);
2004         VectorLp->addBasicBlockToLoop(CondBlock, LI->getBase());
2005         // Update Builder with newly created basic block.
2006         Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
2007       }
2008
2009       Instruction *Cloned = Instr->clone();
2010       if (!IsVoidRetTy)
2011         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
2012       // Replace the operands of the cloned instructions with extracted scalars.
2013       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
2014         Value *Op = Params[op][Part];
2015         // Param is a vector. Need to extract the right lane.
2016         if (Op->getType()->isVectorTy())
2017           Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(Width));
2018         Cloned->setOperand(op, Op);
2019       }
2020
2021       // Place the cloned scalar in the new loop.
2022       Builder.Insert(Cloned);
2023
2024       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
2025       // so that future users will be able to use it.
2026       if (!IsVoidRetTy)
2027         VecResults[Part] = Builder.CreateInsertElement(VecResults[Part], Cloned,
2028                                                        Builder.getInt32(Width));
2029       // End if-block.
2030       if (IfPredicateStore) {
2031          BasicBlock *NewIfBlock = CondBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "else");
2032          LoopVectorBody.push_back(NewIfBlock);
2033          VectorLp->addBasicBlockToLoop(NewIfBlock, LI->getBase());
2034          Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
2035          Instruction *OldBr = IfBlock->getTerminator();
2036          BranchInst::Create(CondBlock, NewIfBlock, Cmp, OldBr);
2037          OldBr->eraseFromParent();
2038          IfBlock = NewIfBlock;
2039       }
2040     }
2041   }
2042 }
2043
2044 static Instruction *getFirstInst(Instruction *FirstInst, Value *V,
2045                                  Instruction *Loc) {
2046   if (FirstInst)
2047     return FirstInst;
2048   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
2049     return I->getParent() == Loc->getParent() ? I : nullptr;
2050   return nullptr;
2051 }
2052
2053 std::pair<Instruction *, Instruction *>
2054 InnerLoopVectorizer::addStrideCheck(Instruction *Loc) {
2055   Instruction *tnullptr = nullptr;
2056   if (!Legal->mustCheckStrides())
2057     return std::pair<Instruction *, Instruction *>(tnullptr, tnullptr);
2058
2059   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
2060
2061   // Emit checks.
2062   Value *Check = nullptr;
2063   Instruction *FirstInst = nullptr;
2064   for (SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator SI = Legal->strides_begin(),
2065                                          SE = Legal->strides_end();
2066        SI != SE; ++SI) {
2067     Value *Ptr = stripIntegerCast(*SI);
2068     Value *C = ChkBuilder.CreateICmpNE(Ptr, ConstantInt::get(Ptr->getType(), 1),
2069                                        "stride.chk");
2070     // Store the first instruction we create.
2071     FirstInst = getFirstInst(FirstInst, C, Loc);
2072     if (Check)
2073       Check = ChkBuilder.CreateOr(Check, C);
2074     else
2075       Check = C;
2076   }
2077
2078   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
2079   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
2080   // the block.
2081   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
2082   Instruction *TheCheck =
2083       BinaryOperator::CreateAnd(Check, ConstantInt::getTrue(Ctx));
2084   ChkBuilder.Insert(TheCheck, "stride.not.one");
2085   FirstInst = getFirstInst(FirstInst, TheCheck, Loc);
2086
2087   return std::make_pair(FirstInst, TheCheck);
2088 }
2089
2090 std::pair<Instruction *, Instruction *>
2091 InnerLoopVectorizer::addRuntimeCheck(Instruction *Loc) {
2092   LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck *PtrRtCheck =
2093   Legal->getRuntimePointerCheck();
2094
2095   Instruction *tnullptr = nullptr;
2096   if (!PtrRtCheck->Need)
2097     return std::pair<Instruction *, Instruction *>(tnullptr, tnullptr);
2098
2099   unsigned NumPointers = PtrRtCheck->Pointers.size();
2100   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Starts;
2101   SmallVector<TrackingVH<Value> , 2> Ends;
2102
2103   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
2104   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
2105   Instruction *FirstInst = nullptr;
2106
2107   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
2108     Value *Ptr = PtrRtCheck->Pointers[i];
2109     const SCEV *Sc = SE->getSCEV(Ptr);
2110
2111     if (SE->isLoopInvariant(Sc, OrigLoop)) {
2112       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for a loop invariant ptr:" <<
2113             *Ptr <<"\n");
2114       Starts.push_back(Ptr);
2115       Ends.push_back(Ptr);
2116     } else {
2117       DEBUG(dbgs() << "LV: Adding RT check for range:" << *Ptr << '\n');
2118       unsigned AS = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
2119
2120       // Use this type for pointer arithmetic.
2121       Type *PtrArithTy = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS);
2122
2123       Value *Start = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Starts[i], PtrArithTy, Loc);
2124       Value *End = Exp.expandCodeFor(PtrRtCheck->Ends[i], PtrArithTy, Loc);
2125       Starts.push_back(Start);
2126       Ends.push_back(End);
2127     }
2128   }
2129
2130   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
2131   // Our instructions might fold to a constant.
2132   Value *MemoryRuntimeCheck = nullptr;
2133   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
2134     for (unsigned j = i+1; j < NumPointers; ++j) {
2135       // No need to check if two readonly pointers intersect.
2136       if (!PtrRtCheck->IsWritePtr[i] && !PtrRtCheck->IsWritePtr[j])
2137         continue;
2138
2139       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
2140       if (PtrRtCheck->DependencySetId[i] == PtrRtCheck->DependencySetId[j])
2141        continue;
2142       // Only need to check pointers in the same alias set.
2143       if (PtrRtCheck->AliasSetId[i] != PtrRtCheck->AliasSetId[j])
2144         continue;
2145
2146       unsigned AS0 = Starts[i]->getType()->getPointerAddressSpace();
2147       unsigned AS1 = Starts[j]->getType()->getPointerAddressSpace();
2148
2149       assert((AS0 == Ends[j]->getType()->getPointerAddressSpace()) &&
2150              (AS1 == Ends[i]->getType()->getPointerAddressSpace()) &&
2151              "Trying to bounds check pointers with different address spaces");
2152
2153       Type *PtrArithTy0 = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS0);
2154       Type *PtrArithTy1 = Type::getInt8PtrTy(Ctx, AS1);
2155
2156       Value *Start0 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[i], PtrArithTy0, "bc");
2157       Value *Start1 = ChkBuilder.CreateBitCast(Starts[j], PtrArithTy1, "bc");
2158       Value *End0 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[i],   PtrArithTy1, "bc");
2159       Value *End1 =   ChkBuilder.CreateBitCast(Ends[j],   PtrArithTy0, "bc");
2160
2161       Value *Cmp0 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start0, End1, "bound0");
2162       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Cmp0, Loc);
2163       Value *Cmp1 = ChkBuilder.CreateICmpULE(Start1, End0, "bound1");
2164       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Cmp1, Loc);
2165       Value *IsConflict = ChkBuilder.CreateAnd(Cmp0, Cmp1, "found.conflict");
2166       FirstInst = getFirstInst(FirstInst, IsConflict, Loc);
2167       if (MemoryRuntimeCheck) {
2168         IsConflict = ChkBuilder.CreateOr(MemoryRuntimeCheck, IsConflict,
2169                                          "conflict.rdx");
2170         FirstInst = getFirstInst(FirstInst, IsConflict, Loc);
2171       }
2172       MemoryRuntimeCheck = IsConflict;
2173     }
2174   }
2175
2176   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
2177   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
2178   // the block.
2179   Instruction *Check = BinaryOperator::CreateAnd(MemoryRuntimeCheck,
2180                                                  ConstantInt::getTrue(Ctx));
2181   ChkBuilder.Insert(Check, "memcheck.conflict");
2182   FirstInst = getFirstInst(FirstInst, Check, Loc);
2183   return std::make_pair(FirstInst, Check);
2184 }
2185
2186 void InnerLoopVectorizer::createEmptyLoop() {
2187   /*
2188    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
2189    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
2190    scalar remainder.
2191
2192        [ ] <-- Back-edge taken count overflow check.
2193     /   |
2194    /    v
2195   |    [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
2196   |  /  |
2197   | /   v
2198   ||   [ ]     <-- vector pre header.
2199   ||    |
2200   ||    v
2201   ||   [  ] \
2202   ||   [  ]_|   <-- vector loop.
2203   ||    |
2204   | \   v
2205   |   >[ ]   <--- middle-block.
2206   |  /  |
2207   | /   v
2208   -|- >[ ]     <--- new preheader.
2209    |    |
2210    |    v
2211    |   [ ] \
2212    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
2213     \   |
2214      \  v
2215       >[ ]     <-- exit block.
2216    ...
2217    */
2218
2219   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
2220   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
2221   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
2222   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
2223   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
2224
2225   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
2226   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
2227   // induction variables. In the code below we also support a case where we
2228   // don't have a single induction variable.
2229   OldInduction = Legal->getInduction();
2230   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
2231
2232   // Find the loop boundaries.
2233   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(OrigLoop);
2234   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
2235
2236   // The exit count might have the type of i64 while the phi is i32. This can
2237   // happen if we have an induction variable that is sign extended before the
2238   // compare. The only way that we get a backedge taken count is that the
2239   // induction variable was signed and as such will not overflow. In such a case
2240   // truncation is legal.
2241   if (ExitCount->getType()->getPrimitiveSizeInBits() >
2242       IdxTy->getPrimitiveSizeInBits())
2243     ExitCount = SE->getTruncateOrNoop(ExitCount, IdxTy);
2244
2245   const SCEV *BackedgeTakeCount = SE->getNoopOrZeroExtend(ExitCount, IdxTy);
2246   // Get the total trip count from the count by adding 1.
2247   ExitCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakeCount,
2248                              SE->getConstant(BackedgeTakeCount->getType(), 1));
2249
2250   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
2251   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
2252   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
2253
2254   // We need to test whether the backedge-taken count is uint##_max. Adding one
2255   // to it will cause overflow and an incorrect loop trip count in the vector
2256   // body. In case of overflow we want to directly jump to the scalar remainder
2257   // loop.
2258   Value *BackedgeCount =
2259       Exp.expandCodeFor(BackedgeTakeCount, BackedgeTakeCount->getType(),
2260                         BypassBlock->getTerminator());
2261   if (BackedgeCount->getType()->isPointerTy())
2262     BackedgeCount = CastInst::CreatePointerCast(BackedgeCount, IdxTy,
2263                                                 "backedge.ptrcnt.to.int",
2264                                                 BypassBlock->getTerminator());
2265   Instruction *CheckBCOverflow =
2266       CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, BackedgeCount,
2267                       Constant::getAllOnesValue(BackedgeCount->getType()),
2268                       "backedge.overflow", BypassBlock->getTerminator());
2269
2270   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
2271   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
2272   // then we know that it starts at zero.
2273   Builder.SetInsertPoint(BypassBlock->getTerminator());
2274   Value *StartIdx = ExtendedIdx = OldInduction ?
2275     Builder.CreateZExt(OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock),
2276                        IdxTy):
2277     ConstantInt::get(IdxTy, 0);
2278
2279   // We need an instruction to anchor the overflow check on. StartIdx needs to
2280   // be defined before the overflow check branch. Because the scalar preheader
2281   // is going to merge the start index and so the overflow branch block needs to
2282   // contain a definition of the start index.
2283   Instruction *OverflowCheckAnchor = BinaryOperator::CreateAdd(
2284       StartIdx, ConstantInt::get(IdxTy, 0), "overflow.check.anchor",
2285       BypassBlock->getTerminator());
2286
2287   // Count holds the overall loop count (N).
2288   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
2289                                    BypassBlock->getTerminator());
2290
2291   LoopBypassBlocks.push_back(BypassBlock);
2292
2293   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
2294   BasicBlock *VectorPH =
2295   BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
2296   BasicBlock *VecBody =
2297   VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
2298   BasicBlock *MiddleBlock =
2299   VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
2300   BasicBlock *ScalarPH =
2301   MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
2302
2303   // Create and register the new vector loop.
2304   Loop* Lp = new Loop();
2305   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
2306
2307   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks
2308   // before calling any utilities such as SCEV that require valid LoopInfo.
2309   if (ParentLoop) {
2310     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
2311     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
2312     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
2313     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
2314   } else {
2315     LI->addTopLevelLoop(Lp);
2316   }
2317   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
2318
2319   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
2320   // inside the loop.
2321   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstNonPHI());
2322
2323   // Generate the induction variable.
2324   setDebugLocFromInst(Builder, getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2325   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
2326   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
2327   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
2328   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
2329
2330   // This is the IR builder that we use to add all of the logic for bypassing
2331   // the new vector loop.
2332   IRBuilder<> BypassBuilder(BypassBlock->getTerminator());
2333   setDebugLocFromInst(BypassBuilder,
2334                       getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2335
2336   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
2337   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
2338   if (Count->getType() != IdxTy) {
2339     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
2340     // integer type.
2341     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
2342       Count = BypassBuilder.CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int");
2343     else
2344       Count = BypassBuilder.CreateZExtOrTrunc(Count, IdxTy, "cnt.cast");
2345   }
2346
2347   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
2348   Value *IdxEnd = BypassBuilder.CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx");
2349
2350   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
2351   // the part that the vectorized body will execute.
2352   Value *R = BypassBuilder.CreateURem(Count, Step, "n.mod.vf");
2353   Value *CountRoundDown = BypassBuilder.CreateSub(Count, R, "n.vec");
2354   Value *IdxEndRoundDown = BypassBuilder.CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
2355                                                      "end.idx.rnd.down");
2356
2357   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
2358   // jump to the scalar loop.
2359   Value *Cmp =
2360       BypassBuilder.CreateICmpEQ(IdxEndRoundDown, StartIdx, "cmp.zero");
2361
2362   BasicBlock *LastBypassBlock = BypassBlock;
2363
2364   // Generate code to check that the loops trip count that we computed by adding
2365   // one to the backedge-taken count will not overflow.
2366   {
2367     auto PastOverflowCheck =
2368         std::next(BasicBlock::iterator(OverflowCheckAnchor));
2369     BasicBlock *CheckBlock =
2370       LastBypassBlock->splitBasicBlock(PastOverflowCheck, "overflow.checked");
2371     if (ParentLoop)
2372       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
2373     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2374     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2375     BranchInst::Create(ScalarPH, CheckBlock, CheckBCOverflow, OldTerm);
2376     OldTerm->eraseFromParent();
2377     LastBypassBlock = CheckBlock;
2378   }
2379
2380   // Generate the code to check that the strides we assumed to be one are really
2381   // one. We want the new basic block to start at the first instruction in a
2382   // sequence of instructions that form a check.
2383   Instruction *StrideCheck;
2384   Instruction *FirstCheckInst;
2385   std::tie(FirstCheckInst, StrideCheck) =
2386       addStrideCheck(LastBypassBlock->getTerminator());
2387   if (StrideCheck) {
2388     // Create a new block containing the stride check.
2389     BasicBlock *CheckBlock =
2390         LastBypassBlock->splitBasicBlock(FirstCheckInst, "vector.stridecheck");
2391     if (ParentLoop)
2392       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
2393     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2394
2395     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
2396     // for the "few elements case".
2397     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2398     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
2399     OldTerm->eraseFromParent();
2400
2401     Cmp = StrideCheck;
2402     LastBypassBlock = CheckBlock;
2403   }
2404
2405   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
2406   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
2407   // faster.
2408   Instruction *MemRuntimeCheck;
2409   std::tie(FirstCheckInst, MemRuntimeCheck) =
2410       addRuntimeCheck(LastBypassBlock->getTerminator());
2411   if (MemRuntimeCheck) {
2412     // Create a new block containing the memory check.
2413     BasicBlock *CheckBlock =
2414         LastBypassBlock->splitBasicBlock(MemRuntimeCheck, "vector.memcheck");
2415     if (ParentLoop)
2416       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, LI->getBase());
2417     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2418
2419     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
2420     // for the "few elements case".
2421     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2422     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
2423     OldTerm->eraseFromParent();
2424
2425     Cmp = MemRuntimeCheck;
2426     LastBypassBlock = CheckBlock;
2427   }
2428
2429   LastBypassBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
2430   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp,
2431                      LastBypassBlock);
2432
2433   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
2434   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
2435   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
2436   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
2437   // iteration in the vectorized loop.
2438   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
2439   // start value.
2440
2441   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
2442   PHINode *ResumeIndex = nullptr;
2443   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
2444   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
2445   // Set builder to point to last bypass block.
2446   BypassBuilder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
2447   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
2448     PHINode *OrigPhi = I->first;
2449     LoopVectorizationLegality::InductionInfo II = I->second;
2450
2451     Type *ResumeValTy = (OrigPhi == OldInduction) ? IdxTy : OrigPhi->getType();
2452     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 2, "resume.val",
2453                                          MiddleBlock->getTerminator());
2454     // We might have extended the type of the induction variable but we need a
2455     // truncated version for the scalar loop.
2456     PHINode *TruncResumeVal = (OrigPhi == OldInduction) ?
2457       PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "trunc.resume.val",
2458                       MiddleBlock->getTerminator()) : nullptr;
2459
2460     // Create phi nodes to merge from the  backedge-taken check block.
2461     PHINode *BCResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 3, "bc.resume.val",
2462                                            ScalarPH->getTerminator());
2463     BCResumeVal->addIncoming(ResumeVal, MiddleBlock);
2464
2465     PHINode *BCTruncResumeVal = nullptr;
2466     if (OrigPhi == OldInduction) {
2467       BCTruncResumeVal =
2468           PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "bc.trunc.resume.val",
2469                           ScalarPH->getTerminator());
2470       BCTruncResumeVal->addIncoming(TruncResumeVal, MiddleBlock);
2471     }
2472
2473     Value *EndValue = nullptr;
2474     switch (II.IK) {
2475     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
2476       llvm_unreachable("Unknown induction");
2477     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
2478       // Handle the integer induction counter.
2479       assert(OrigPhi->getType()->isIntegerTy() && "Invalid type");
2480
2481       // We have the canonical induction variable.
2482       if (OrigPhi == OldInduction) {
2483         // Create a truncated version of the resume value for the scalar loop,
2484         // we might have promoted the type to a larger width.
2485         EndValue =
2486           BypassBuilder.CreateTrunc(IdxEndRoundDown, OrigPhi->getType());
2487         // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2488         // or the value at the end of the vectorized loop.
2489         for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2490           TruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
2491         TruncResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
2492
2493         BCTruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2494
2495         // We know what the end value is.
2496         EndValue = IdxEndRoundDown;
2497         // We also know which PHI node holds it.
2498         ResumeIndex = ResumeVal;
2499         break;
2500       }
2501
2502       // Not the canonical induction variable - add the vector loop count to the
2503       // start value.
2504       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
2505                                                    II.StartValue->getType(),
2506                                                    "cast.crd");
2507       EndValue = BypassBuilder.CreateAdd(CRD, II.StartValue , "ind.end");
2508       break;
2509     }
2510     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction: {
2511       // Convert the CountRoundDown variable to the PHI size.
2512       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
2513                                                    II.StartValue->getType(),
2514                                                    "cast.crd");
2515       // Handle reverse integer induction counter.
2516       EndValue = BypassBuilder.CreateSub(II.StartValue, CRD, "rev.ind.end");
2517       break;
2518     }
2519     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction: {
2520       // For pointer induction variables, calculate the offset using
2521       // the end index.
2522       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, CountRoundDown,
2523                                          "ptr.ind.end");
2524       break;
2525     }
2526     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction: {
2527       // The value at the end of the loop for the reverse pointer is calculated
2528       // by creating a GEP with a negative index starting from the start value.
2529       Value *Zero = ConstantInt::get(CountRoundDown->getType(), 0);
2530       Value *NegIdx = BypassBuilder.CreateSub(Zero, CountRoundDown,
2531                                               "rev.ind.end");
2532       EndValue = BypassBuilder.CreateGEP(II.StartValue, NegIdx,
2533                                          "rev.ptr.ind.end");
2534       break;
2535     }
2536     }// end of case
2537
2538     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2539     // or the value at the end of the vectorized loop.
2540     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I) {
2541       if (OrigPhi == OldInduction)
2542         ResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
2543       else
2544         ResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
2545     }
2546     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
2547
2548     // Fix the scalar body counter (PHI node).
2549     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
2550
2551     // The old induction's phi node in the scalar body needs the truncated
2552     // value.
2553     if (OrigPhi == OldInduction) {
2554       BCResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[0]);
2555       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCTruncResumeVal);
2556     } else {
2557       BCResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2558       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCResumeVal);
2559     }
2560   }
2561
2562   // If we are generating a new induction variable then we also need to
2563   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
2564   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
2565   // in case of a runtime check.
2566   if (!OldInduction){
2567     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
2568     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
2569                                   MiddleBlock->getTerminator());
2570     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2571       ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
2572     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
2573   }
2574
2575   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
2576   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
2577          "Invalid resume Index");
2578
2579   // Add a check in the middle block to see if we have completed
2580   // all of the iterations in the first vector loop.
2581   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
2582   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
2583                                 ResumeIndex, "cmp.n",
2584                                 MiddleBlock->getTerminator());
2585
2586   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
2587   // Remove the old terminator.
2588   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
2589
2590   // Create i+1 and fill the PHINode.
2591   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
2592   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
2593   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
2594   // Create the compare.
2595   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
2596   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
2597
2598   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
2599   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
2600
2601   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
2602   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
2603
2604   // Save the state.
2605   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
2606   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
2607   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
2608   LoopExitBlock = ExitBlock;
2609   LoopVectorBody.push_back(VecBody);
2610   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
2611
2612   LoopVectorizeHints Hints(Lp, true);
2613   Hints.setAlreadyVectorized();
2614 }
2615
2616 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
2617 /// the operation K.
2618 Constant*
2619 LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp) {
2620   switch (K) {
2621   case RK_IntegerXor:
2622   case RK_IntegerAdd:
2623   case RK_IntegerOr:
2624     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
2625     return ConstantInt::get(Tp, 0);
2626   case RK_IntegerMult:
2627     // Multiplying a number by 1 does not change it.
2628     return ConstantInt::get(Tp, 1);
2629   case RK_IntegerAnd:
2630     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
2631     return ConstantInt::get(Tp, -1, true);
2632   case  RK_FloatMult:
2633     // Multiplying a number by 1 does not change it.
2634     return ConstantFP::get(Tp, 1.0L);
2635   case  RK_FloatAdd:
2636     // Adding zero to a number does not change it.
2637     return ConstantFP::get(Tp, 0.0L);
2638   default:
2639     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
2640   }
2641 }
2642
2643 /// This function translates the reduction kind to an LLVM binary operator.
2644 static unsigned
2645 getReductionBinOp(LoopVectorizationLegality::ReductionKind Kind) {
2646   switch (Kind) {
2647     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAdd:
2648       return Instruction::Add;
2649     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMult:
2650       return Instruction::Mul;
2651     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerOr:
2652       return Instruction::Or;
2653     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAnd:
2654       return Instruction::And;
2655     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerXor:
2656       return Instruction::Xor;
2657     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMult:
2658       return Instruction::FMul;
2659     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatAdd:
2660       return Instruction::FAdd;
2661     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax:
2662       return Instruction::ICmp;
2663     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax:
2664       return Instruction::FCmp;
2665     default:
2666       llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
2667   }
2668 }
2669
2670 Value *createMinMaxOp(IRBuilder<> &Builder,
2671                       LoopVectorizationLegality::MinMaxReductionKind RK,
2672                       Value *Left,
2673                       Value *Right) {
2674   CmpInst::Predicate P = CmpInst::ICMP_NE;
2675   switch (RK) {
2676   default:
2677     llvm_unreachable("Unknown min/max reduction kind");
2678   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMin:
2679     P = CmpInst::ICMP_ULT;
2680     break;
2681   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMax:
2682     P = CmpInst::ICMP_UGT;
2683     break;
2684   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMin:
2685     P = CmpInst::ICMP_SLT;
2686     break;
2687   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMax:
2688     P = CmpInst::ICMP_SGT;
2689     break;
2690   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin:
2691     P = CmpInst::FCMP_OLT;
2692     break;
2693   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax:
2694     P = CmpInst::FCMP_OGT;
2695     break;
2696   }
2697
2698   Value *Cmp;
2699   if (RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin ||
2700       RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax)
2701     Cmp = Builder.CreateFCmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
2702   else
2703     Cmp = Builder.CreateICmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
2704
2705   Value *Select = Builder.CreateSelect(Cmp, Left, Right, "rdx.minmax.select");
2706   return Select;
2707 }
2708
2709 namespace {
2710 struct CSEDenseMapInfo {
2711   static bool canHandle(Instruction *I) {
2712     return isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
2713            isa<ShuffleVectorInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I);
2714   }
2715   static inline Instruction *getEmptyKey() {
2716     return DenseMapInfo<Instruction *>::getEmptyKey();
2717   }
2718   static inline Instruction *getTombstoneKey() {
2719     return DenseMapInfo<Instruction *>::getTombstoneKey();
2720   }
2721   static unsigned getHashValue(Instruction *I) {
2722     assert(canHandle(I) && "Unknown instruction!");
2723     return hash_combine(I->getOpcode(), hash_combine_range(I->value_op_begin(),
2724                                                            I->value_op_end()));
2725   }
2726   static bool isEqual(Instruction *LHS, Instruction *RHS) {
2727     if (LHS == getEmptyKey() || RHS == getEmptyKey() ||
2728         LHS == getTombstoneKey() || RHS == getTombstoneKey())
2729       return LHS == RHS;
2730     return LHS->isIdenticalTo(RHS);
2731   }
2732 };
2733 }
2734
2735 /// \brief Check whether this block is a predicated block.
2736 /// Due to if predication of stores we might create a sequence of "if(pred) a[i]
2737 /// = ...;  " blocks. We start with one vectorized basic block. For every
2738 /// conditional block we split this vectorized block. Therefore, every second
2739 /// block will be a predicated one.
2740 static bool isPredicatedBlock(unsigned BlockNum) {
2741   return BlockNum % 2;
2742 }
2743
2744 ///\brief Perform cse of induction variable instructions.
2745 static void cse(SmallVector<BasicBlock *, 4> &BBs) {
2746   // Perform simple cse.
2747   SmallDenseMap<Instruction *, Instruction *, 4, CSEDenseMapInfo> CSEMap;
2748   for (unsigned i = 0, e = BBs.size(); i != e; ++i) {
2749     BasicBlock *BB = BBs[i];
2750     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
2751       Instruction *In = I++;
2752
2753       if (!CSEDenseMapInfo::canHandle(In))
2754         continue;
2755
2756       // Check if we can replace this instruction with any of the
2757       // visited instructions.
2758       if (Instruction *V = CSEMap.lookup(In)) {
2759         In->replaceAllUsesWith(V);
2760         In->eraseFromParent();
2761         continue;
2762       }
2763       // Ignore instructions in conditional blocks. We create "if (pred) a[i] =
2764       // ...;" blocks for predicated stores. Every second block is a predicated
2765       // block.
2766       if (isPredicatedBlock(i))
2767         continue;
2768
2769       CSEMap[In] = In;
2770     }
2771   }
2772 }
2773
2774 /// \brief Adds a 'fast' flag to floating point operations.
2775 static Value *addFastMathFlag(Value *V) {
2776   if (isa<FPMathOperator>(V)){
2777     FastMathFlags Flags;
2778     Flags.setUnsafeAlgebra();
2779     cast<Instruction>(V)->setFastMathFlags(Flags);
2780   }
2781   return V;
2782 }
2783
2784 void InnerLoopVectorizer::vectorizeLoop() {
2785   //===------------------------------------------------===//
2786   //
2787   // Notice: any optimization or new instruction that go
2788   // into the code below should be also be implemented in
2789   // the cost-model.
2790   //
2791   //===------------------------------------------------===//
2792   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
2793
2794   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
2795   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
2796   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
2797   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
2798   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
2799   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
2800   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
2801   // construct the PHI.
2802   PhiVector RdxPHIsToFix;
2803
2804   // Scan the loop in a topological order to ensure that defs are vectorized
2805   // before users.
2806   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
2807   DFS.perform(LI);
2808
2809   // Vectorize all of the blocks in the original loop.
2810   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
2811        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb)
2812     vectorizeBlockInLoop(*bb, &RdxPHIsToFix);
2813
2814   // At this point every instruction in the original loop is widened to
2815   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
2816   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
2817   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
2818   // that we need to fix are reduction variables.
2819
2820   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
2821   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
2822   // after the loop is finished.
2823   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
2824        it != e; ++it) {
2825     PHINode *RdxPhi = *it;
2826     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
2827
2828     // Find the reduction variable descriptor.
2829     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
2830            "Unable to find the reduction variable");
2831     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
2832     (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
2833
2834     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.StartValue);
2835
2836     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
2837     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and override
2838     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
2839     // to do it in the vector-loop preheader.
2840     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks[1]->getTerminator());
2841
2842     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
2843     VectorParts &VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2844     Type *VecTy = VectorExit[0]->getType();
2845
2846     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
2847     // one for multiplication, -1 for And.
2848     Value *Identity;
2849     Value *VectorStart;
2850     if (RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax ||
2851         RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax) {
2852       // MinMax reduction have the start value as their identify.
2853       if (VF == 1) {
2854         VectorStart = Identity = RdxDesc.StartValue;
2855       } else {
2856         VectorStart = Identity = Builder.CreateVectorSplat(VF,
2857                                                            RdxDesc.StartValue,
2858                                                            "minmax.ident");
2859       }
2860     } else {
2861       // Handle other reduction kinds:
2862       Constant *Iden =
2863       LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(RdxDesc.Kind,
2864                                                       VecTy->getScalarType());
2865       if (VF == 1) {
2866         Identity = Iden;
2867         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2868         // incoming scalar reduction.
2869         VectorStart = RdxDesc.StartValue;
2870       } else {
2871         Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
2872
2873         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2874         // incoming scalar reduction.
2875         VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
2876                                                   RdxDesc.StartValue, Zero);
2877       }
2878     }
2879
2880     // Fix the vector-loop phi.
2881
2882     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
2883     // any loop invariant values.
2884     VectorParts &VecRdxPhi = WidenMap.get(RdxPhi);
2885     BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
2886     Value *LoopVal = RdxPhi->getIncomingValueForBlock(Latch);
2887     VectorParts &Val = getVectorValue(LoopVal);
2888     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2889       // Make sure to add the reduction stat value only to the
2890       // first unroll part.
2891       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2892       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(StartVal,
2893                                                   LoopVectorPreHeader);
2894       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(Val[part],
2895                                                   LoopVectorBody.back());
2896     }
2897
2898     // Before each round, move the insertion point right between
2899     // the PHIs and the values we are going to write.
2900     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
2901     // instructions.
2902     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
2903
2904     VectorParts RdxParts;
2905     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.LoopExitInstr);
2906     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2907       // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
2908       // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
2909       VectorParts &RdxExitVal = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2910       PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
2911       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2912       for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2913         NewPhi->addIncoming(StartVal, LoopBypassBlocks[I]);
2914       NewPhi->addIncoming(RdxExitVal[part],
2915                           LoopVectorBody.back());
2916       RdxParts.push_back(NewPhi);
2917     }
2918
2919     // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
2920     Value *ReducedPartRdx = RdxParts[0];
2921     unsigned Op = getReductionBinOp(RdxDesc.Kind);
2922     setDebugLocFromInst(Builder, ReducedPartRdx);
2923     for (unsigned part = 1; part < UF; ++part) {
2924       if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2925         // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
2926         ReducedPartRdx = addFastMathFlag(
2927             Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, RdxParts[part],
2928                                 ReducedPartRdx, "bin.rdx"));
2929       else
2930         ReducedPartRdx = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind,
2931                                         ReducedPartRdx, RdxParts[part]);
2932     }
2933
2934     if (VF > 1) {
2935       // VF is a power of 2 so we can emit the reduction using log2(VF) shuffles
2936       // and vector ops, reducing the set of values being computed by half each
2937       // round.
2938       assert(isPowerOf2_32(VF) &&
2939              "Reduction emission only supported for pow2 vectors!");
2940       Value *TmpVec = ReducedPartRdx;
2941       SmallVector<Constant*, 32> ShuffleMask(VF, nullptr);
2942       for (unsigned i = VF; i != 1; i >>= 1) {
2943         // Move the upper half of the vector to the lower half.
2944         for (unsigned j = 0; j != i/2; ++j)
2945           ShuffleMask[j] = Builder.getInt32(i/2 + j);
2946
2947         // Fill the rest of the mask with undef.
2948         std::fill(&ShuffleMask[i/2], ShuffleMask.end(),
2949                   UndefValue::get(Builder.getInt32Ty()));
2950
2951         Value *Shuf =
2952         Builder.CreateShuffleVector(TmpVec,
2953                                     UndefValue::get(TmpVec->getType()),
2954                                     ConstantVector::get(ShuffleMask),
2955                                     "rdx.shuf");
2956
2957         if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2958           // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
2959           TmpVec = addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(
2960               (Instruction::BinaryOps)Op, TmpVec, Shuf, "bin.rdx"));
2961         else
2962           TmpVec = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind, TmpVec, Shuf);
2963       }
2964
2965       // The result is in the first element of the vector.
2966       ReducedPartRdx = Builder.CreateExtractElement(TmpVec,
2967                                                     Builder.getInt32(0));
2968     }
2969
2970     // Create a phi node that merges control-flow from the backedge-taken check
2971     // block and the middle block.
2972     PHINode *BCBlockPhi = PHINode::Create(RdxPhi->getType(), 2, "bc.merge.rdx",
2973                                           LoopScalarPreHeader->getTerminator());
2974     BCBlockPhi->addIncoming(RdxDesc.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2975     BCBlockPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2976
2977     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
2978     // inside and outside of the scalar remainder loop.
2979     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
2980     // PHI nodes in the exit blocks.
2981     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2982          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2983       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2984       if (!LCSSAPhi) break;
2985
2986       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
2987       // we already fixed them.
2988       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
2989
2990       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
2991       // incoming bypass edge.
2992       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
2993         // Add an edge coming from the bypass.
2994         LCSSAPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2995         break;
2996       }
2997     }// end of the LCSSA phi scan.
2998
2999     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
3000     // from the vector body and from the backedge value.
3001     int IncomingEdgeBlockIdx =
3002     (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
3003     assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
3004     // Pick the other block.
3005     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
3006     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, BCBlockPhi);
3007     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
3008   }// end of for each redux variable.
3009
3010   fixLCSSAPHIs();
3011
3012   // Remove redundant induction instructions.
3013   cse(LoopVectorBody);
3014 }
3015
3016 void InnerLoopVectorizer::fixLCSSAPHIs() {
3017   for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
3018        LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
3019     PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
3020     if (!LCSSAPhi) break;
3021     if (LCSSAPhi->getNumIncomingValues() == 1)
3022       LCSSAPhi->addIncoming(UndefValue::get(LCSSAPhi->getType()),
3023                             LoopMiddleBlock);
3024   }
3025 }
3026
3027 InnerLoopVectorizer::VectorParts
3028 InnerLoopVectorizer::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst) {
3029   assert(std::find(pred_begin(Dst), pred_end(Dst), Src) != pred_end(Dst) &&
3030          "Invalid edge");
3031
3032   // Look for cached value.
3033   std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*> Edge(Src, Dst);
3034   EdgeMaskCache::iterator ECEntryIt = MaskCache.find(Edge);
3035   if (ECEntryIt != MaskCache.end())
3036     return ECEntryIt->second;
3037
3038   VectorParts SrcMask = createBlockInMask(Src);
3039
3040   // The terminator has to be a branch inst!
3041   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
3042   assert(BI && "Unexpected terminator found");
3043
3044   if (BI->isConditional()) {
3045     VectorParts EdgeMask = getVectorValue(BI->getCondition());
3046
3047     if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
3048       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3049         EdgeMask[part] = Builder.CreateNot(EdgeMask[part]);
3050
3051     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3052       EdgeMask[part] = Builder.CreateAnd(EdgeMask[part], SrcMask[part]);
3053
3054     MaskCache[Edge] = EdgeMask;
3055     return EdgeMask;
3056   }
3057
3058   MaskCache[Edge] = SrcMask;
3059   return SrcMask;
3060 }
3061
3062 InnerLoopVectorizer::VectorParts
3063 InnerLoopVectorizer::createBlockInMask(BasicBlock *BB) {
3064   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
3065
3066   // Loop incoming mask is all-one.
3067   if (OrigLoop->getHeader() == BB) {
3068     Value *C = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 1);
3069     return getVectorValue(C);
3070   }
3071
3072   // This is the block mask. We OR all incoming edges, and with zero.
3073   Value *Zero = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 0);
3074   VectorParts BlockMask = getVectorValue(Zero);
3075
3076   // For each pred:
3077   for (pred_iterator it = pred_begin(BB), e = pred_end(BB); it != e; ++it) {
3078     VectorParts EM = createEdgeMask(*it, BB);
3079     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3080       BlockMask[part] = Builder.CreateOr(BlockMask[part], EM[part]);
3081   }
3082
3083   return BlockMask;
3084 }
3085
3086 void InnerLoopVectorizer::widenPHIInstruction(Instruction *PN,
3087                                               InnerLoopVectorizer::VectorParts &Entry,
3088                                               unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV) {
3089   PHINode* P = cast<PHINode>(PN);
3090   // Handle reduction variables:
3091   if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
3092     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3093       // This is phase one of vectorizing PHIs.
3094       Type *VecTy = (VF == 1) ? PN->getType() :
3095       VectorType::get(PN->getType(), VF);
3096       Entry[part] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
3097                                     LoopVectorBody.back()-> getFirstInsertionPt());
3098     }
3099     PV->push_back(P);
3100     return;
3101   }
3102
3103   setDebugLocFromInst(Builder, P);
3104   // Check for PHI nodes that are lowered to vector selects.
3105   if (P->getParent() != OrigLoop->getHeader()) {
3106     // We know that all PHIs in non-header blocks are converted into
3107     // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
3108     // can just use the builder.
3109     // At this point we generate the predication tree. There may be
3110     // duplications since this is a simple recursive scan, but future
3111     // optimizations will clean it up.
3112
3113     unsigned NumIncoming = P->getNumIncomingValues();
3114
3115     // Generate a sequence of selects of the form:
3116     // SELECT(Mask3, In3,
3117     //      SELECT(Mask2, In2,
3118     //                   ( ...)))
3119     for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; In++) {
3120       VectorParts Cond = createEdgeMask(P->getIncomingBlock(In),
3121                                         P->getParent());
3122       VectorParts &In0 = getVectorValue(P->getIncomingValue(In));
3123
3124       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3125         // We might have single edge PHIs (blocks) - use an identity
3126         // 'select' for the first PHI operand.
3127         if (In == 0)
3128           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
3129                                              In0[part]);
3130         else
3131           // Select between the current value and the previous incoming edge
3132           // based on the incoming mask.
3133           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
3134                                              Entry[part], "predphi");
3135       }
3136     }
3137     return;
3138   }
3139
3140   // This PHINode must be an induction variable.
3141   // Make sure that we know about it.
3142   assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
3143          "Not an induction variable");
3144
3145   LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
3146   Legal->getInductionVars()->lookup(P);
3147
3148   switch (II.IK) {
3149     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
3150       llvm_unreachable("Unknown induction");
3151     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
3152       assert(P->getType() == II.StartValue->getType() && "Types must match");
3153       Type *PhiTy = P->getType();
3154       Value *Broadcasted;
3155       if (P == OldInduction) {
3156         // Handle the canonical induction variable. We might have had to
3157         // extend the type.
3158         Broadcasted = Builder.CreateTrunc(Induction, PhiTy);
3159       } else {
3160         // Handle other induction variables that are now based on the
3161         // canonical one.
3162         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, ExtendedIdx,
3163                                                  "normalized.idx");
3164         NormalizedIdx = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, PhiTy);
3165         Broadcasted = Builder.CreateAdd(II.StartValue, NormalizedIdx,
3166                                         "offset.idx");
3167       }
3168       Broadcasted = getBroadcastInstrs(Broadcasted);
3169       // After broadcasting the induction variable we need to make the vector
3170       // consecutive by adding 0, 1, 2, etc.
3171       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3172         Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * part, false);
3173       return;
3174     }
3175     case LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction:
3176     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction:
3177     case LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction:
3178       // Handle reverse integer and pointer inductions.
3179       Value *StartIdx = ExtendedIdx;
3180       // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
3181       Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, StartIdx,
3182                                                "normalized.idx");
3183
3184       // Handle the reverse integer induction variable case.
3185       if (LoopVectorizationLegality::IK_ReverseIntInduction == II.IK) {
3186         IntegerType *DstTy = cast<IntegerType>(II.StartValue->getType());
3187         Value *CNI = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, DstTy,
3188                                                "resize.norm.idx");
3189         Value *ReverseInd  = Builder.CreateSub(II.StartValue, CNI,
3190                                                "reverse.idx");
3191
3192         // This is a new value so do not hoist it out.
3193         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ReverseInd);
3194         // After broadcasting the induction variable we need to make the
3195         // vector consecutive by adding  ... -3, -2, -1, 0.
3196         for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3197           Entry[part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, -(int)VF * part,
3198                                              true);
3199         return;
3200       }
3201
3202       // Handle the pointer induction variable case.
3203       assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
3204
3205       // Is this a reverse induction ptr or a consecutive induction ptr.
3206       bool Reverse = (LoopVectorizationLegality::IK_ReversePtrInduction ==
3207                       II.IK);
3208
3209       // This is the vector of results. Notice that we don't generate
3210       // vector geps because scalar geps result in better code.
3211       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3212         if (VF == 1) {
3213           int EltIndex = (part) * (Reverse ? -1 : 1);
3214           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
3215           Value *GlobalIdx;
3216           if (Reverse)
3217             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
3218           else
3219             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
3220
3221           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
3222                                              "next.gep");
3223           Entry[part] = SclrGep;
3224           continue;
3225         }
3226
3227         Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
3228         for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
3229           int EltIndex = (i + part * VF) * (Reverse ? -1 : 1);
3230           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
3231           Value *GlobalIdx;
3232           if (!Reverse)
3233             GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx, "gep.idx");
3234           else
3235             GlobalIdx = Builder.CreateSub(Idx, NormalizedIdx, "gep.ridx");
3236
3237           Value *SclrGep = Builder.CreateGEP(II.StartValue, GlobalIdx,
3238                                              "next.gep");
3239           VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
3240                                                Builder.getInt32(i),
3241                                                "insert.gep");
3242         }
3243         Entry[part] = VecVal;
3244       }
3245       return;
3246   }
3247 }
3248
3249 void InnerLoopVectorizer::vectorizeBlockInLoop(BasicBlock *BB, PhiVector *PV) {
3250   // For each instruction in the old loop.
3251   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
3252     VectorParts &Entry = WidenMap.get(it);
3253     switch (it->getOpcode()) {
3254     case Instruction::Br:
3255       // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
3256       // loop control flow instructions.
3257       continue;
3258     case Instruction::PHI:{
3259       // Vectorize PHINodes.
3260       widenPHIInstruction(it, Entry, UF, VF, PV);
3261       continue;
3262     }// End of PHI.
3263
3264     case Instruction::Add:
3265     case Instruction::FAdd:
3266     case Instruction::Sub:
3267     case Instruction::FSub:
3268     case Instruction::Mul:
3269     case Instruction::FMul:
3270     case Instruction::UDiv:
3271     case Instruction::SDiv:
3272     case Instruction::FDiv:
3273     case Instruction::URem:
3274     case Instruction::SRem:
3275     case Instruction::FRem:
3276     case Instruction::Shl:
3277     case Instruction::LShr:
3278     case Instruction::AShr:
3279     case Instruction::And:
3280     case Instruction::Or:
3281     case Instruction::Xor: {
3282       // Just widen binops.
3283       BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(it);
3284       setDebugLocFromInst(Builder, BinOp);
3285       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3286       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
3287
3288       // Use this vector value for all users of the original instruction.
3289       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3290         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A[Part], B[Part]);
3291
3292         if (BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V))
3293           VecOp->copyIRFlags(BinOp);
3294
3295         Entry[Part] = V;
3296       }
3297
3298       propagateMetadata(Entry, it);
3299       break;
3300     }
3301     case Instruction::Select: {
3302       // Widen selects.
3303       // If the selector is loop invariant we can create a select
3304       // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
3305       bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(it->getOperand(0)),
3306                                                OrigLoop);
3307       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3308
3309       // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
3310       // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
3311       // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
3312       // Instcombine will make this a no-op.
3313       VectorParts &Cond = getVectorValue(it->getOperand(0));
3314       VectorParts &Op0  = getVectorValue(it->getOperand(1));
3315       VectorParts &Op1  = getVectorValue(it->getOperand(2));
3316
3317       Value *ScalarCond = (VF == 1) ? Cond[0] :
3318         Builder.CreateExtractElement(Cond[0], Builder.getInt32(0));
3319
3320       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3321         Entry[Part] = Builder.CreateSelect(
3322           InvariantCond ? ScalarCond : Cond[Part],
3323           Op0[Part],
3324           Op1[Part]);
3325       }
3326
3327       propagateMetadata(Entry, it);
3328       break;
3329     }
3330
3331     case Instruction::ICmp:
3332     case Instruction::FCmp: {
3333       // Widen compares. Generate vector compares.
3334       bool FCmp = (it->getOpcode() == Instruction::FCmp);
3335       CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(it);
3336       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3337       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3338       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
3339       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3340         Value *C = nullptr;
3341         if (FCmp)
3342           C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
3343         else
3344           C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
3345         Entry[Part] = C;
3346       }
3347
3348       propagateMetadata(Entry, it);
3349       break;
3350     }
3351
3352     case Instruction::Store:
3353     case Instruction::Load:
3354       vectorizeMemoryInstruction(it);
3355         break;
3356     case Instruction::ZExt:
3357     case Instruction::SExt:
3358     case Instruction::FPToUI:
3359     case Instruction::FPToSI:
3360     case Instruction::FPExt:
3361     case Instruction::PtrToInt:
3362     case Instruction::IntToPtr:
3363     case Instruction::SIToFP:
3364     case Instruction::UIToFP:
3365     case Instruction::Trunc:
3366     case Instruction::FPTrunc:
3367     case Instruction::BitCast: {
3368       CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(it);
3369       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3370       /// Optimize the special case where the source is the induction
3371       /// variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
3372       /// because: a. FP conversions lose precision, b. sext/zext may wrap,
3373       /// c. other casts depend on pointer size.
3374       if (CI->getOperand(0) == OldInduction &&
3375           it->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
3376         Value *ScalarCast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), Induction,
3377                                                CI->getType());
3378         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarCast);
3379         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
3380           Entry[Part] = getConsecutiveVector(Broadcasted, VF * Part, false);
3381         propagateMetadata(Entry, it);
3382         break;
3383       }
3384       /// Vectorize casts.
3385       Type *DestTy = (VF == 1) ? CI->getType() :
3386                                  VectorType::get(CI->getType(), VF);
3387
3388       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3389       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
3390         Entry[Part] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A[Part], DestTy);
3391       propagateMetadata(Entry, it);
3392       break;
3393     }
3394
3395     case Instruction::Call: {
3396       // Ignore dbg intrinsics.
3397       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
3398         break;
3399       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3400
3401       Module *M = BB->getParent()->getParent();
3402       CallInst *CI = cast<CallInst>(it);
3403       Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
3404       assert(ID && "Not an intrinsic call!");
3405       switch (ID) {
3406       case Intrinsic::assume:
3407       case Intrinsic::lifetime_end:
3408       case Intrinsic::lifetime_start:
3409         scalarizeInstruction(it);
3410         break;
3411       default:
3412         bool HasScalarOpd = hasVectorInstrinsicScalarOpd(ID, 1);
3413         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3414           SmallVector<Value *, 4> Args;
3415           for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
3416             if (HasScalarOpd && i == 1) {
3417               Args.push_back(CI->getArgOperand(i));
3418               continue;
3419             }
3420             VectorParts &Arg = getVectorValue(CI->getArgOperand(i));
3421             Args.push_back(Arg[Part]);
3422           }
3423           Type *Tys[] = {CI->getType()};
3424           if (VF > 1)
3425             Tys[0] = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
3426
3427           Function *F = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, Tys);
3428           Entry[Part] = Builder.CreateCall(F, Args);
3429         }
3430
3431         propagateMetadata(Entry, it);
3432         break;
3433       }
3434       break;
3435     }
3436
3437     default:
3438       // All other instructions are unsupported. Scalarize them.
3439       scalarizeInstruction(it);
3440       break;
3441     }// end of switch.
3442   }// end of for_each instr.
3443 }
3444
3445 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
3446   // Forget the original basic block.
3447   SE->forgetLoop(OrigLoop);
3448
3449   // Update the dominator tree information.
3450   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
3451          "Entry does not dominate exit.");
3452
3453   for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
3454     DT->addNewBlock(LoopBypassBlocks[I], LoopBypassBlocks[I-1]);
3455   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlocks.back());
3456
3457   // Due to if predication of stores we might create a sequence of "if(pred)
3458   // a[i] = ...;  " blocks.
3459   for (unsigned i = 0, e = LoopVectorBody.size(); i != e; ++i) {
3460     if (i == 0)
3461       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[0], LoopVectorPreHeader);
3462     else if (isPredicatedBlock(i)) {
3463       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[i], LoopVectorBody[i-1]);
3464     } else {
3465       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[i], LoopVectorBody[i-2]);
3466     }
3467   }
3468
3469   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlocks[1]);
3470   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopBypassBlocks[0]);
3471   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
3472   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopBypassBlocks[0]);
3473
3474   DEBUG(DT->verifyDomTree());
3475 }
3476
3477 /// \brief Check whether it is safe to if-convert this phi node.
3478 ///
3479 /// Phi nodes with constant expressions that can trap are not safe to if
3480 /// convert.
3481 static bool canIfConvertPHINodes(BasicBlock *BB) {
3482   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
3483     PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I);
3484     if (!Phi)
3485       return true;
3486     for (unsigned p = 0, e = Phi->getNumIncomingValues(); p != e; ++p)
3487       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Phi->getIncomingValue(p)))
3488         if (C->canTrap())
3489           return false;
3490   }
3491   return true;
3492 }
3493
3494 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeWithIfConvert() {
3495   if (!EnableIfConversion) {
3496     emitAnalysis(Report() << "if-conversion is disabled");
3497     return false;
3498   }
3499
3500   assert(TheLoop->getNumBlocks() > 1 && "Single block loops are vectorizable");
3501
3502   // A list of pointers that we can safely read and write to.
3503   SmallPtrSet<Value *, 8> SafePointes;
3504
3505   // Collect safe addresses.
3506   for (Loop::block_iterator BI = TheLoop->block_begin(),
3507          BE = TheLoop->block_end(); BI != BE; ++BI) {
3508     BasicBlock *BB = *BI;
3509
3510     if (blockNeedsPredication(BB))
3511       continue;
3512
3513     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
3514       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
3515         SafePointes.insert(LI->getPointerOperand());
3516       else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
3517         SafePointes.insert(SI->getPointerOperand());
3518     }
3519   }
3520
3521   // Collect the blocks that need predication.
3522   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
3523   for (Loop::block_iterator BI = TheLoop->block_begin(),
3524          BE = TheLoop->block_end(); BI != BE; ++BI) {
3525     BasicBlock *BB = *BI;
3526
3527     // We don't support switch statements inside loops.
3528     if (!isa<BranchInst>(BB->getTerminator())) {
3529       emitAnalysis(Report(BB->getTerminator())
3530                    << "loop contains a switch statement");
3531       return false;
3532     }
3533
3534     // We must be able to predicate all blocks that need to be predicated.
3535     if (blockNeedsPredication(BB)) {
3536       if (!blockCanBePredicated(BB, SafePointes)) {
3537         emitAnalysis(Report(BB->getTerminator())
3538                      << "control flow cannot be substituted for a select");
3539         return false;
3540       }
3541     } else if (BB != Header && !canIfConvertPHINodes(BB)) {
3542       emitAnalysis(Report(BB->getTerminator())
3543                    << "control flow cannot be substituted for a select");
3544       return false;
3545     }
3546   }
3547
3548   // We can if-convert this loop.
3549   return true;
3550 }
3551
3552 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
3553   // We must have a loop in canonical form. Loops with indirectbr in them cannot
3554   // be canonicalized.
3555   if (!TheLoop->getLoopPreheader()) {
3556     emitAnalysis(
3557         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3558     return false;
3559   }
3560
3561   // We can only vectorize innermost loops.
3562   if (TheLoop->getSubLoopsVector().size()) {
3563     emitAnalysis(Report() << "loop is not the innermost loop");
3564     return false;
3565   }
3566
3567   // We must have a single backedge.
3568   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1) {
3569     emitAnalysis(
3570         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3571     return false;
3572   }
3573
3574   // We must have a single exiting block.
3575   if (!TheLoop->getExitingBlock()) {
3576     emitAnalysis(
3577         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3578     return false;
3579   }
3580
3581   // We only handle bottom-tested loops, i.e. loop in which the condition is
3582   // checked at the end of each iteration. With that we can assume that all
3583   // instructions in the loop are executed the same number of times.
3584   if (TheLoop->getExitingBlock() != TheLoop->getLoopLatch()) {
3585     emitAnalysis(
3586         Report() << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3587     return false;
3588   }
3589
3590   // We need to have a loop header.
3591   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " <<
3592         TheLoop->getHeader()->getName() << '\n');
3593
3594   // Check if we can if-convert non-single-bb loops.
3595   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
3596   if (NumBlocks != 1 && !canVectorizeWithIfConvert()) {
3597     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't if-convert the loop.\n");
3598     return false;
3599   }
3600
3601   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
3602   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(TheLoop);
3603   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
3604     emitAnalysis(Report() << "could not determine number of loop iterations");
3605     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
3606     return false;
3607   }
3608
3609   // Check if we can vectorize the instructions and CFG in this loop.
3610   if (!canVectorizeInstrs()) {
3611     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize the instructions or CFG\n");
3612     return false;
3613   }
3614
3615   // Go over each instruction and look at memory deps.
3616   if (!canVectorizeMemory()) {
3617     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize due to memory conflicts\n");
3618     return false;
3619   }
3620
3621   // Collect all of the variables that remain uniform after vectorization.
3622   collectLoopUniforms();
3623
3624   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
3625         (PtrRtCheck.Need ? " (with a runtime bound check)" : "")
3626         <<"!\n");
3627
3628   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
3629   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
3630   // no restrictions.
3631   return true;
3632 }
3633
3634 static Type *convertPointerToIntegerType(const DataLayout &DL, Type *Ty) {
3635   if (Ty->isPointerTy())
3636     return DL.getIntPtrType(Ty);
3637
3638   // It is possible that char's or short's overflow when we ask for the loop's
3639   // trip count, work around this by changing the type size.
3640   if (Ty->getScalarSizeInBits() < 32)
3641     return Type::getInt32Ty(Ty->getContext());
3642
3643   return Ty;
3644 }
3645
3646 static Type* getWiderType(const DataLayout &DL, Type *Ty0, Type *Ty1) {
3647   Ty0 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty0);
3648   Ty1 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty1);
3649   if (Ty0->getScalarSizeInBits() > Ty1->getScalarSizeInBits())
3650     return Ty0;
3651   return Ty1;
3652 }
3653
3654 /// \brief Check that the instruction has outside loop users and is not an
3655 /// identified reduction variable.
3656 static bool hasOutsideLoopUser(const Loop *TheLoop, Instruction *Inst,
3657                                SmallPtrSetImpl<Value *> &Reductions) {
3658   // Reduction instructions are allowed to have exit users. All other
3659   // instructions must not have external users.
3660   if (!Reductions.count(Inst))
3661     //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
3662     for (User *U : Inst->users()) {
3663       Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
3664       // This user may be a reduction exit value.
3665       if (!TheLoop->contains(UI)) {
3666         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : " << *UI << '\n');
3667         return true;
3668       }
3669     }
3670   return false;
3671 }
3672
3673 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeInstrs() {
3674   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
3675   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
3676
3677   // Look for the attribute signaling the absence of NaNs.
3678   Function &F = *Header->getParent();
3679   if (F.hasFnAttribute("no-nans-fp-math"))
3680     HasFunNoNaNAttr = F.getAttributes().getAttribute(
3681       AttributeSet::FunctionIndex,
3682       "no-nans-fp-math").getValueAsString() == "true";
3683
3684   // For each block in the loop.
3685   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3686        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3687
3688     // Scan the instructions in the block and look for hazards.
3689     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
3690          ++it) {
3691
3692       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(it)) {
3693         Type *PhiTy = Phi->getType();
3694         // Check that this PHI type is allowed.
3695         if (!PhiTy->isIntegerTy() &&
3696             !PhiTy->isFloatingPointTy() &&
3697             !PhiTy->isPointerTy()) {
3698           emitAnalysis(Report(it)
3699                        << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3700           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
3701           return false;
3702         }
3703
3704         // If this PHINode is not in the header block, then we know that we
3705         // can convert it to select during if-conversion. No need to check if
3706         // the PHIs in this block are induction or reduction variables.
3707         if (*bb != Header) {
3708           // Check that this instruction has no outside users or is an
3709           // identified reduction value with an outside user.
3710           if (!hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
3711             continue;
3712           emitAnalysis(Report(it) << "value could not be identified as "
3713                                      "an induction or reduction variable");
3714           return false;
3715         }
3716
3717         // We only allow if-converted PHIs with more than two incoming values.
3718         if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
3719           emitAnalysis(Report(it)
3720                        << "control flow not understood by vectorizer");
3721           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
3722           return false;
3723         }
3724
3725         // This is the value coming from the preheader.
3726         Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
3727         // Check if this is an induction variable.
3728         InductionKind IK = isInductionVariable(Phi);
3729
3730         if (IK_NoInduction != IK) {
3731           // Get the widest type.
3732           if (!WidestIndTy)
3733             WidestIndTy = convertPointerToIntegerType(*DL, PhiTy);
3734           else
3735             WidestIndTy = getWiderType(*DL, PhiTy, WidestIndTy);
3736
3737           // Int inductions are special because we only allow one IV.
3738           if (IK == IK_IntInduction) {
3739             // Use the phi node with the widest type as induction. Use the last
3740             // one if there are multiple (no good reason for doing this other
3741             // than it is expedient).
3742             if (!Induction || PhiTy == WidestIndTy)
3743               Induction = Phi;
3744           }
3745
3746           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an induction variable.\n");
3747           Inductions[Phi] = InductionInfo(StartValue, IK);
3748
3749           // Until we explicitly handle the case of an induction variable with
3750           // an outside loop user we have to give up vectorizing this loop.
3751           if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit)) {
3752             emitAnalysis(Report(it) << "use of induction value outside of the "
3753                                        "loop is not handled by vectorizer");
3754             return false;
3755           }
3756
3757           continue;
3758         }
3759
3760         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAdd)) {
3761           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3762           continue;
3763         }
3764         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMult)) {
3765           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3766           continue;
3767         }
3768         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerOr)) {
3769           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3770           continue;
3771         }
3772         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAnd)) {
3773           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3774           continue;
3775         }
3776         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerXor)) {
3777           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3778           continue;
3779         }
3780         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMinMax)) {
3781           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3782           continue;
3783         }
3784         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMult)) {
3785           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FMult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3786           continue;
3787         }
3788         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatAdd)) {
3789           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FAdd reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3790           continue;
3791         }
3792         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMinMax)) {
3793           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an float MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<
3794                 "\n");
3795           continue;
3796         }
3797
3798         emitAnalysis(Report(it) << "value that could not be identified as "
3799                                    "reduction is used outside the loop");
3800         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
3801         return false;
3802       }// end of PHI handling
3803
3804       // We still don't handle functions. However, we can ignore dbg intrinsic
3805       // calls and we do handle certain intrinsic and libm functions.
3806       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(it);
3807       if (CI && !getIntrinsicIDForCall(CI, TLI) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(CI)) {
3808         emitAnalysis(Report(it) << "call instruction cannot be vectorized");
3809         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
3810         return false;
3811       }
3812
3813       // Intrinsics such as powi,cttz and ctlz are legal to vectorize if the
3814       // second argument is the same (i.e. loop invariant)
3815       if (CI &&
3816           hasVectorInstrinsicScalarOpd(getIntrinsicIDForCall(CI, TLI), 1)) {
3817         if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(CI->getOperand(1)), TheLoop)) {
3818           emitAnalysis(Report(it)
3819                        << "intrinsic instruction cannot be vectorized");
3820           DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable intrinsic " << *CI << "\n");
3821           return false;
3822         }
3823       }
3824
3825       // Check that the instruction return type is vectorizable.
3826       // Also, we can't vectorize extractelement instructions.
3827       if ((!VectorType::isValidElementType(it->getType()) &&
3828            !it->getType()->isVoidTy()) || isa<ExtractElementInst>(it)) {
3829         emitAnalysis(Report(it)
3830                      << "instruction return type cannot be vectorized");
3831         DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type.\n");
3832         return false;
3833       }
3834
3835       // Check that the stored type is vectorizable.
3836       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it)) {
3837         Type *T = ST->getValueOperand()->getType();
3838         if (!VectorType::isValidElementType(T)) {
3839           emitAnalysis(Report(ST) << "store instruction cannot be vectorized");
3840           return false;
3841         }
3842         if (EnableMemAccessVersioning)
3843           collectStridedAcccess(ST);
3844       }
3845
3846       if (EnableMemAccessVersioning)
3847         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it))
3848           collectStridedAcccess(LI);
3849
3850       // Reduction instructions are allowed to have exit users.
3851       // All other instructions must not have external users.
3852       if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit)) {
3853         emitAnalysis(Report(it) << "value cannot be used outside the loop");
3854         return false;
3855       }
3856
3857     } // next instr.
3858
3859   }
3860
3861   if (!Induction) {
3862     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
3863     if (Inductions.empty()) {
3864       emitAnalysis(Report()
3865                    << "loop induction variable could not be identified");
3866       return false;
3867     }
3868   }
3869
3870   return true;
3871 }
3872
3873 ///\brief Remove GEPs whose indices but the last one are loop invariant and
3874 /// return the induction operand of the gep pointer.
3875 static Value *stripGetElementPtr(Value *Ptr, ScalarEvolution *SE,
3876                                  const DataLayout *DL, Loop *Lp) {
3877   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
3878   if (!GEP)
3879     return Ptr;
3880
3881   unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(DL, GEP);
3882
3883   // Check that all of the gep indices are uniform except for our induction
3884   // operand.
3885   for (unsigned i = 0, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
3886     if (i != InductionOperand &&
3887         !SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GEP->getOperand(i)), Lp))
3888       return Ptr;
3889   return GEP->getOperand(InductionOperand);
3890 }
3891
3892 ///\brief Look for a cast use of the passed value.
3893 static Value *getUniqueCastUse(Value *Ptr, Loop *Lp, Type *Ty) {
3894   Value *UniqueCast = nullptr;
3895   for (User *U : Ptr->users()) {
3896     CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(U);
3897     if (CI && CI->getType() == Ty) {
3898       if (!UniqueCast)
3899         UniqueCast = CI;
3900       else
3901         return nullptr;
3902     }
3903   }
3904   return UniqueCast;
3905 }
3906
3907 ///\brief Get the stride of a pointer access in a loop.
3908 /// Looks for symbolic strides "a[i*stride]". Returns the symbolic stride as a
3909 /// pointer to the Value, or null otherwise.
3910 static Value *getStrideFromPointer(Value *Ptr, ScalarEvolution *SE,
3911                                    const DataLayout *DL, Loop *Lp) {
3912   const PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(Ptr->getType());
3913   if (!PtrTy || PtrTy->isAggregateType())
3914     return nullptr;
3915
3916   // Try to remove a gep instruction to make the pointer (actually index at this
3917   // point) easier analyzable. If OrigPtr is equal to Ptr we are analzying the
3918   // pointer, otherwise, we are analyzing the index.
3919   Value *OrigPtr = Ptr;
3920
3921   // The size of the pointer access.
3922   int64_t PtrAccessSize = 1;
3923
3924   Ptr = stripGetElementPtr(Ptr, SE, DL, Lp);
3925   const SCEV *V = SE->getSCEV(Ptr);
3926
3927   if (Ptr != OrigPtr)
3928     // Strip off casts.
3929     while (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(V))
3930       V = C->getOperand();
3931
3932   const SCEVAddRecExpr *S = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
3933   if (!S)
3934     return nullptr;
3935
3936   V = S->getStepRecurrence(*SE);
3937   if (!V)
3938     return nullptr;
3939
3940   // Strip off the size of access multiplication if we are still analyzing the
3941   // pointer.
3942   if (OrigPtr == Ptr) {
3943     DL->getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
3944     if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(V)) {
3945       if (M->getOperand(0)->getSCEVType() != scConstant)
3946         return nullptr;
3947
3948       const APInt &APStepVal =
3949           cast<SCEVConstant>(M->getOperand(0))->getValue()->getValue();
3950
3951       // Huge step value - give up.
3952       if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
3953         return nullptr;
3954
3955       int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
3956       if (PtrAccessSize != StepVal)
3957         return nullptr;
3958       V = M->getOperand(1);
3959     }
3960   }
3961
3962   // Strip off casts.
3963   Type *StripedOffRecurrenceCast = nullptr;
3964   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(V)) {
3965     StripedOffRecurrenceCast = C->getType();
3966     V = C->getOperand();
3967   }
3968
3969   // Look for the loop invariant symbolic value.
3970   const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(V);
3971   if (!U)
3972     return nullptr;
3973
3974   Value *Stride = U->getValue();
3975   if (!Lp->isLoopInvariant(Stride))
3976     return nullptr;
3977
3978   // If we have stripped off the recurrence cast we have to make sure that we
3979   // return the value that is used in this loop so that we can replace it later.
3980   if (StripedOffRecurrenceCast)
3981     Stride = getUniqueCastUse(Stride, Lp, StripedOffRecurrenceCast);
3982
3983   return Stride;
3984 }
3985
3986 void LoopVectorizationLegality::collectStridedAcccess(Value *MemAccess) {
3987   Value *Ptr = nullptr;
3988   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(MemAccess))
3989     Ptr = LI->getPointerOperand();
3990   else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(MemAccess))
3991     Ptr = SI->getPointerOperand();
3992   else
3993     return;
3994
3995   Value *Stride = getStrideFromPointer(Ptr, SE, DL, TheLoop);
3996   if (!Stride)
3997     return;
3998
3999   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a strided access that we can version");
4000   DEBUG(dbgs() << "  Ptr: " << *Ptr << " Stride: " << *Stride << "\n");
4001   Strides[Ptr] = Stride;
4002   StrideSet.insert(Stride);
4003 }
4004
4005 void LoopVectorizationLegality::collectLoopUniforms() {
4006   // We now know that the loop is vectorizable!
4007   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
4008   std::vector<Value*> Worklist;
4009   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
4010
4011   // Start with the conditional branch and walk up the block.
4012   Worklist.push_back(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
4013
4014   // Also add all consecutive pointer values; these values will be uniform
4015   // after vectorization (and subsequent cleanup) and, until revectorization is
4016   // supported, all dependencies must also be uniform.
4017   for (Loop::block_iterator B = TheLoop->block_begin(),
4018        BE = TheLoop->block_end(); B != BE; ++B)
4019     for (BasicBlock::iterator I = (*B)->begin(), IE = (*B)->end();
4020          I != IE; ++I)
4021       if (I->getType()->isPointerTy() && isConsecutivePtr(I))
4022         Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
4023
4024   while (Worklist.size()) {
4025     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
4026     Worklist.pop_back();
4027
4028     // Look at instructions inside this loop.
4029     // Stop when reaching PHI nodes.
4030     // TODO: we need to follow values all over the loop, not only in this block.
4031     if (!I || !TheLoop->contains(I) || isa<PHINode>(I))
4032       continue;
4033
4034     // This is a known uniform.
4035     Uniforms.insert(I);
4036
4037     // Insert all operands.
4038     Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
4039   }
4040 }
4041
4042 namespace {
4043 /// \brief Analyses memory accesses in a loop.
4044 ///
4045 /// Checks whether run time pointer checks are needed and builds sets for data
4046 /// dependence checking.
4047 class AccessAnalysis {
4048 public:
4049   /// \brief Read or write access location.
4050   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
4051   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
4052
4053   /// \brief Set of potential dependent memory accesses.
4054   typedef EquivalenceClasses<MemAccessInfo> DepCandidates;
4055
4056   AccessAnalysis(const DataLayout *Dl, AliasAnalysis *AA, DepCandidates &DA) :
4057     DL(Dl), AST(*AA), DepCands(DA), IsRTCheckNeeded(false) {}
4058
4059   /// \brief Register a load  and whether it is only read from.
4060   void addLoad(AliasAnalysis::Location &Loc, bool IsReadOnly) {
4061     Value *Ptr = const_cast<Value*>(Loc.Ptr);
4062     AST.add(Ptr, AliasAnalysis::UnknownSize, Loc.AATags);
4063     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, false));
4064     if (IsReadOnly)
4065       ReadOnlyPtr.insert(Ptr);
4066   }
4067
4068   /// \brief Register a store.
4069   void addStore(AliasAnalysis::Location &Loc) {
4070     Value *Ptr = const_cast<Value*>(Loc.Ptr);
4071     AST.add(Ptr, AliasAnalysis::UnknownSize, Loc.AATags);
4072     Accesses.insert(MemAccessInfo(Ptr, true));
4073   }
4074
4075   /// \brief Check whether we can check the pointers at runtime for
4076   /// non-intersection.
4077   bool canCheckPtrAtRT(LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
4078                        unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE,
4079                        Loop *TheLoop, ValueToValueMap &Strides,
4080                        bool ShouldCheckStride = false);
4081
4082   /// \brief Goes over all memory accesses, checks whether a RT check is needed
4083   /// and builds sets of dependent accesses.
4084   void buildDependenceSets() {
4085     processMemAccesses();
4086   }
4087
4088   bool isRTCheckNeeded() { return IsRTCheckNeeded; }
4089
4090   bool isDependencyCheckNeeded() { return !CheckDeps.empty(); }
4091   void resetDepChecks() { CheckDeps.clear(); }
4092
4093   MemAccessInfoSet &getDependenciesToCheck() { return CheckDeps; }
4094
4095 private:
4096   typedef SetVector<MemAccessInfo> PtrAccessSet;
4097
4098   /// \brief Go over all memory access and check whether runtime pointer checks
4099   /// are needed /// and build sets of dependency check candidates.
4100   void processMemAccesses();
4101
4102   /// Set of all accesses.
4103   PtrAccessSet Accesses;
4104
4105   /// Set of accesses that need a further dependence check.
4106   MemAccessInfoSet CheckDeps;
4107
4108   /// Set of pointers that are read only.
4109   SmallPtrSet<Value*, 16> ReadOnlyPtr;
4110
4111   const DataLayout *DL;
4112
4113   /// An alias set tracker to partition the access set by underlying object and
4114   //intrinsic property (such as TBAA metadata).
4115   AliasSetTracker AST;
4116
4117   /// Sets of potentially dependent accesses - members of one set share an
4118   /// underlying pointer. The set "CheckDeps" identfies which sets really need a
4119   /// dependence check.
4120   DepCandidates &DepCands;
4121
4122   bool IsRTCheckNeeded;
4123 };
4124
4125 } // end anonymous namespace
4126
4127 /// \brief Check whether a pointer can participate in a runtime bounds check.
4128 static bool hasComputableBounds(ScalarEvolution *SE, ValueToValueMap &Strides,
4129                                 Value *Ptr) {
4130   const SCEV *PtrScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, Ptr);
4131   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
4132   if (!AR)
4133     return false;
4134
4135   return AR->isAffine();
4136 }
4137
4138 /// \brief Check the stride of the pointer and ensure that it does not wrap in
4139 /// the address space.
4140 static int isStridedPtr(ScalarEvolution *SE, const DataLayout *DL, Value *Ptr,
4141                         const Loop *Lp, ValueToValueMap &StridesMap);
4142
4143 bool AccessAnalysis::canCheckPtrAtRT(
4144     LoopVectorizationLegality::RuntimePointerCheck &RtCheck,
4145     unsigned &NumComparisons, ScalarEvolution *SE, Loop *TheLoop,
4146     ValueToValueMap &StridesMap, bool ShouldCheckStride) {
4147   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
4148   // to place a runtime bound check.
4149   bool CanDoRT = true;
4150
4151   bool IsDepCheckNeeded = isDependencyCheckNeeded();
4152   NumComparisons = 0;
4153
4154   // We assign a consecutive id to access from different alias sets.
4155   // Accesses between different groups doesn't need to be checked.
4156   unsigned ASId = 1;
4157   for (auto &AS : AST) {
4158     unsigned NumReadPtrChecks = 0;
4159     unsigned NumWritePtrChecks = 0;
4160
4161     // We assign consecutive id to access from different dependence sets.
4162     // Accesses within the same set don't need a runtime check.
4163     unsigned RunningDepId = 1;
4164     DenseMap<Value *, unsigned> DepSetId;
4165
4166     for (auto A : AS) {
4167       Value *Ptr = A.getValue();
4168       bool IsWrite = Accesses.count(MemAccessInfo(Ptr, true));
4169       MemAccessInfo Access(Ptr, IsWrite);
4170
4171       if (IsWrite)
4172         ++NumWritePtrChecks;
4173       else
4174         ++NumReadPtrChecks;
4175
4176       if (hasComputableBounds(SE, StridesMap, Ptr) &&
4177           // When we run after a failing dependency check we have to make sure we
4178           // don't have wrapping pointers.
4179           (!ShouldCheckStride ||
4180            isStridedPtr(SE, DL, Ptr, TheLoop, StridesMap) == 1)) {
4181         // The id of the dependence set.
4182         unsigned DepId;
4183
4184         if (IsDepCheckNeeded) {
4185           Value *Leader = DepCands.getLeaderValue(Access).getPointer();
4186           unsigned &LeaderId = DepSetId[Leader];
4187           if (!LeaderId)
4188             LeaderId = RunningDepId++;
4189           DepId = LeaderId;
4190         } else
4191           // Each access has its own dependence set.
4192           DepId = RunningDepId++;
4193
4194         RtCheck.insert(SE, TheLoop, Ptr, IsWrite, DepId, ASId, StridesMap);
4195
4196         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a runtime check ptr:" << *Ptr << '\n');
4197       } else {
4198         CanDoRT = false;
4199       }
4200     }
4201
4202     if (IsDepCheckNeeded && CanDoRT && RunningDepId == 2)
4203       NumComparisons += 0; // Only one dependence set.
4204     else {
4205       NumComparisons += (NumWritePtrChecks * (NumReadPtrChecks +
4206                                               NumWritePtrChecks - 1));
4207     }
4208
4209     ++ASId;
4210   }
4211
4212   // If the pointers that we would use for the bounds comparison have different
4213   // address spaces, assume the values aren't directly comparable, so we can't
4214   // use them for the runtime check. We also have to assume they could
4215   // overlap. In the future there should be metadata for whether address spaces
4216   // are disjoint.
4217   unsigned NumPointers = RtCheck.Pointers.size();
4218   for (unsigned i = 0; i < NumPointers; ++i) {
4219     for (unsigned j = i + 1; j < NumPointers; ++j) {
4220       // Only need to check pointers between two different dependency sets.
4221       if (RtCheck.DependencySetId[i] == RtCheck.DependencySetId[j])
4222        continue;
4223       // Only need to check pointers in the same alias set.
4224       if (RtCheck.AliasSetId[i] != RtCheck.AliasSetId[j])
4225         continue;
4226
4227       Value *PtrI = RtCheck.Pointers[i];
4228       Value *PtrJ = RtCheck.Pointers[j];
4229
4230       unsigned ASi = PtrI->getType()->getPointerAddressSpace();
4231       unsigned ASj = PtrJ->getType()->getPointerAddressSpace();
4232       if (ASi != ASj) {
4233         DEBUG(dbgs() << "LV: Runtime check would require comparison between"
4234                        " different address spaces\n");
4235         return false;
4236       }
4237     }
4238   }
4239
4240   return CanDoRT;
4241 }
4242
4243 void AccessAnalysis::processMemAccesses() {
4244   // We process the set twice: first we process read-write pointers, last we
4245   // process read-only pointers. This allows us to skip dependence tests for
4246   // read-only pointers.
4247
4248   DEBUG(dbgs() << "LV: Processing memory accesses...\n");
4249   DEBUG(dbgs() << "  AST: "; AST.dump());
4250   DEBUG(dbgs() << "LV:   Accesses:\n");
4251   DEBUG({
4252     for (auto A : Accesses)
4253       dbgs() << "\t" << *A.getPointer() << " (" <<
4254                 (A.getInt() ? "write" : (ReadOnlyPtr.count(A.getPointer()) ?
4255                                          "read-only" : "read")) << ")\n";
4256   });
4257
4258   // The AliasSetTracker has nicely partitioned our pointers by metadata
4259   // compatibility and potential for underlying-object overlap. As a result, we
4260   // only need to check for potential pointer dependencies within each alias
4261   // set.
4262   for (auto &AS : AST) {
4263     // Note that both the alias-set tracker and the alias sets themselves used
4264     // linked lists internally and so the iteration order here is deterministic
4265     // (matching the original instruction order within each set).
4266
4267     bool SetHasWrite = false;
4268
4269     // Map of pointers to last access encountered.
4270     typedef DenseMap<Value*, MemAccessInfo> UnderlyingObjToAccessMap;
4271     UnderlyingObjToAccessMap ObjToLastAccess;
4272
4273     // Set of access to check after all writes have been processed.
4274     PtrAccessSet DeferredAccesses;
4275
4276     // Iterate over each alias set twice, once to process read/write pointers,
4277     // and then to process read-only pointers.
4278     for (int SetIteration = 0; SetIteration < 2; ++SetIteration) {
4279       bool UseDeferred = SetIteration > 0;
4280       PtrAccessSet &S = UseDeferred ? DeferredAccesses : Accesses;
4281
4282       for (auto A : AS) {
4283         Value *Ptr = A.getValue();
4284         bool IsWrite = S.count(MemAccessInfo(Ptr, true));
4285
4286         // If we're using the deferred access set, then it contains only reads.
4287         bool IsReadOnlyPtr = ReadOnlyPtr.count(Ptr) && !IsWrite;
4288         if (UseDeferred && !IsReadOnlyPtr)
4289           continue;
4290         // Otherwise, the pointer must be in the PtrAccessSet, either as a read
4291         // or a write.
4292         assert(((IsReadOnlyPtr && UseDeferred) || IsWrite ||
4293                  S.count(MemAccessInfo(Ptr, false))) &&
4294                "Alias-set pointer not in the access set?");
4295
4296         MemAccessInfo Access(Ptr, IsWrite);
4297         DepCands.insert(Access);
4298
4299         // Memorize read-only pointers for later processing and skip them in the
4300         // first round (they need to be checked after we have seen all write
4301         // pointers). Note: we also mark pointer that are not consecutive as
4302         // "read-only" pointers (so that we check "a[b[i]] +="). Hence, we need
4303         // the second check for "!IsWrite".
4304         if (!UseDeferred && IsReadOnlyPtr) {
4305           DeferredAccesses.insert(Access);
4306           continue;
4307         }
4308
4309         // If this is a write - check other reads and writes for conflicts.  If
4310         // this is a read only check other writes for conflicts (but only if
4311         // there is no other write to the ptr - this is an optimization to
4312         // catch "a[i] = a[i] + " without having to do a dependence check).
4313         if ((IsWrite || IsReadOnlyPtr) && SetHasWrite) {
4314           CheckDeps.insert(Access);
4315           IsRTCheckNeeded = true;
4316         }
4317
4318         if (IsWrite)
4319           SetHasWrite = true;
4320
4321         // Create sets of pointers connected by a shared alias set and
4322         // underlying object.
4323         typedef SmallVector<Value *, 16> ValueVector;
4324         ValueVector TempObjects;
4325         GetUnderlyingObjects(Ptr, TempObjects, DL);
4326         for (Value *UnderlyingObj : TempObjects) {
4327           UnderlyingObjToAccessMap::iterator Prev =
4328             ObjToLastAccess.find(UnderlyingObj);
4329           if (Prev != ObjToLastAccess.end())
4330             DepCands.unionSets(Access, Prev->second);
4331
4332           ObjToLastAccess[UnderlyingObj] = Access;
4333         }
4334       }
4335     }
4336   }
4337 }
4338
4339 namespace {
4340 /// \brief Checks memory dependences among accesses to the same underlying
4341 /// object to determine whether there vectorization is legal or not (and at
4342 /// which vectorization factor).
4343 ///
4344 /// This class works under the assumption that we already checked that memory
4345 /// locations with different underlying pointers are "must-not alias".
4346 /// We use the ScalarEvolution framework to symbolically evalutate access
4347 /// functions pairs. Since we currently don't restructure the loop we can rely
4348 /// on the program order of memory accesses to determine their safety.
4349 /// At the moment we will only deem accesses as safe for:
4350 ///  * A negative constant distance assuming program order.
4351 ///
4352 ///      Safe: tmp = a[i + 1];     OR     a[i + 1] = x;
4353 ///            a[i] = tmp;                y = a[i];
4354 ///
4355 ///   The latter case is safe because later checks guarantuee that there can't
4356 ///   be a cycle through a phi node (that is, we check that "x" and "y" is not
4357 ///   the same variable: a header phi can only be an induction or a reduction, a
4358 ///   reduction can't have a memory sink, an induction can't have a memory
4359 ///   source). This is important and must not be violated (or we have to
4360 ///   resort to checking for cycles through memory).
4361 ///
4362 ///  * A positive constant distance assuming program order that is bigger
4363 ///    than the biggest memory access.
4364 ///
4365 ///     tmp = a[i]        OR              b[i] = x
4366 ///     a[i+2] = tmp                      y = b[i+2];
4367 ///
4368 ///     Safe distance: 2 x sizeof(a[0]), and 2 x sizeof(b[0]), respectively.
4369 ///
4370 ///  * Zero distances and all accesses have the same size.
4371 ///
4372 class MemoryDepChecker {
4373 public:
4374   typedef PointerIntPair<Value *, 1, bool> MemAccessInfo;
4375   typedef SmallPtrSet<MemAccessInfo, 8> MemAccessInfoSet;
4376
4377   MemoryDepChecker(ScalarEvolution *Se, const DataLayout *Dl, const Loop *L)
4378       : SE(Se), DL(Dl), InnermostLoop(L), AccessIdx(0),
4379         ShouldRetryWithRuntimeCheck(false) {}
4380
4381   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
4382   /// of a write access.
4383   void addAccess(StoreInst *SI) {
4384     Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
4385     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, true)].push_back(AccessIdx);
4386     InstMap.push_back(SI);
4387     ++AccessIdx;
4388   }
4389
4390   /// \brief Register the location (instructions are given increasing numbers)
4391   /// of a write access.
4392   void addAccess(LoadInst *LI) {
4393     Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
4394     Accesses[MemAccessInfo(Ptr, false)].push_back(AccessIdx);
4395     InstMap.push_back(LI);
4396     ++AccessIdx;
4397   }
4398
4399   /// \brief Check whether the dependencies between the accesses are safe.
4400   ///
4401   /// Only checks sets with elements in \p CheckDeps.
4402   bool areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
4403                    MemAccessInfoSet &CheckDeps, ValueToValueMap &Strides);
4404
4405   /// \brief The maximum number of bytes of a vector register we can vectorize
4406   /// the accesses safely with.
4407   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return MaxSafeDepDistBytes; }
4408
4409   /// \brief In same cases when the dependency check fails we can still
4410   /// vectorize the loop with a dynamic array access check.
4411   bool shouldRetryWithRuntimeCheck() { return ShouldRetryWithRuntimeCheck; }
4412
4413 private:
4414   ScalarEvolution *SE;
4415   const DataLayout *DL;
4416   const Loop *InnermostLoop;
4417
4418   /// \brief Maps access locations (ptr, read/write) to program order.
4419   DenseMap<MemAccessInfo, std::vector<unsigned> > Accesses;
4420
4421   /// \brief Memory access instructions in program order.
4422   SmallVector<Instruction *, 16> InstMap;
4423
4424   /// \brief The program order index to be used for the next instruction.
4425   unsigned AccessIdx;
4426
4427   // We can access this many bytes in parallel safely.
4428   unsigned MaxSafeDepDistBytes;
4429
4430   /// \brief If we see a non-constant dependence distance we can still try to
4431   /// vectorize this loop with runtime checks.
4432   bool ShouldRetryWithRuntimeCheck;
4433
4434   /// \brief Check whether there is a plausible dependence between the two
4435   /// accesses.
4436   ///
4437   /// Access \p A must happen before \p B in program order. The two indices
4438   /// identify the index into the program order map.
4439   ///
4440   /// This function checks  whether there is a plausible dependence (or the
4441   /// absence of such can't be proved) between the two accesses. If there is a
4442   /// plausible dependence but the dependence distance is bigger than one
4443   /// element access it records this distance in \p MaxSafeDepDistBytes (if this
4444   /// distance is smaller than any other distance encountered so far).
4445   /// Otherwise, this function returns true signaling a possible dependence.
4446   bool isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
4447                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx,
4448                    ValueToValueMap &Strides);
4449
4450   /// \brief Check whether the data dependence could prevent store-load
4451   /// forwarding.
4452   bool couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance, unsigned TypeByteSize);
4453 };
4454
4455 } // end anonymous namespace
4456
4457 static bool isInBoundsGep(Value *Ptr) {
4458   if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr))
4459     return GEP->isInBounds();
4460   return false;
4461 }
4462
4463 /// \brief Check whether the access through \p Ptr has a constant stride.
4464 static int isStridedPtr(ScalarEvolution *SE, const DataLayout *DL, Value *Ptr,
4465                         const Loop *Lp, ValueToValueMap &StridesMap) {
4466   const Type *Ty = Ptr->getType();
4467   assert(Ty->isPointerTy() && "Unexpected non-ptr");
4468
4469   // Make sure that the pointer does not point to aggregate types.
4470   const PointerType *PtrTy = cast<PointerType>(Ty);
4471   if (PtrTy->getElementType()->isAggregateType()) {
4472     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a pointer to a scalar type" << *Ptr <<
4473           "\n");
4474     return 0;
4475   }
4476
4477   const SCEV *PtrScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, StridesMap, Ptr);
4478
4479   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PtrScev);
4480   if (!AR) {
4481     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not an AddRecExpr pointer "
4482           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4483     return 0;
4484   }
4485
4486   // The accesss function must stride over the innermost loop.
4487   if (Lp != AR->getLoop()) {
4488     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not striding over innermost loop " <<
4489           *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4490   }
4491
4492   // The address calculation must not wrap. Otherwise, a dependence could be
4493   // inverted.
4494   // An inbounds getelementptr that is a AddRec with a unit stride
4495   // cannot wrap per definition. The unit stride requirement is checked later.
4496   // An getelementptr without an inbounds attribute and unit stride would have
4497   // to access the pointer value "0" which is undefined behavior in address
4498   // space 0, therefore we can also vectorize this case.
4499   bool IsInBoundsGEP = isInBoundsGep(Ptr);
4500   bool IsNoWrapAddRec = AR->getNoWrapFlags(SCEV::NoWrapMask);
4501   bool IsInAddressSpaceZero = PtrTy->getAddressSpace() == 0;
4502   if (!IsNoWrapAddRec && !IsInBoundsGEP && !IsInAddressSpaceZero) {
4503     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Pointer may wrap in the address space "
4504           << *Ptr << " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4505     return 0;
4506   }
4507
4508   // Check the step is constant.
4509   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
4510
4511   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4512   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4513   if (!C) {
4514     DEBUG(dbgs() << "LV: Bad stride - Not a constant strided " << *Ptr <<
4515           " SCEV: " << *PtrScev << "\n");
4516     return 0;
4517   }
4518
4519   int64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
4520   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
4521
4522   // Huge step value - give up.
4523   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
4524     return 0;
4525
4526   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
4527
4528   // Strided access.
4529   int64_t Stride = StepVal / Size;
4530   int64_t Rem = StepVal % Size;
4531   if (Rem)
4532     return 0;
4533
4534   // If the SCEV could wrap but we have an inbounds gep with a unit stride we
4535   // know we can't "wrap around the address space". In case of address space
4536   // zero we know that this won't happen without triggering undefined behavior.
4537   if (!IsNoWrapAddRec && (IsInBoundsGEP || IsInAddressSpaceZero) &&
4538       Stride != 1 && Stride != -1)
4539     return 0;
4540
4541   return Stride;
4542 }
4543
4544 bool MemoryDepChecker::couldPreventStoreLoadForward(unsigned Distance,
4545                                                     unsigned TypeByteSize) {
4546   // If loads occur at a distance that is not a multiple of a feasible vector
4547   // factor store-load forwarding does not take place.
4548   // Positive dependences might cause troubles because vectorizing them might
4549   // prevent store-load forwarding making vectorized code run a lot slower.
4550   //   a[i] = a[i-3] ^ a[i-8];
4551   //   The stores to a[i:i+1] don't align with the stores to a[i-3:i-2] and
4552   //   hence on your typical architecture store-load forwarding does not take
4553   //   place. Vectorizing in such cases does not make sense.
4554   // Store-load forwarding distance.
4555   const unsigned NumCyclesForStoreLoadThroughMemory = 8*TypeByteSize;
4556   // Maximum vector factor.
4557   unsigned MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxVectorWidth*TypeByteSize;
4558   if(MaxSafeDepDistBytes < MaxVFWithoutSLForwardIssues)
4559     MaxVFWithoutSLForwardIssues = MaxSafeDepDistBytes;
4560
4561   for (unsigned vf = 2*TypeByteSize; vf <= MaxVFWithoutSLForwardIssues;
4562        vf *= 2) {
4563     if (Distance % vf && Distance / vf < NumCyclesForStoreLoadThroughMemory) {
4564       MaxVFWithoutSLForwardIssues = (vf >>=1);
4565       break;
4566     }
4567   }
4568
4569   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues< 2*TypeByteSize) {
4570     DEBUG(dbgs() << "LV: Distance " << Distance <<
4571           " that could cause a store-load forwarding conflict\n");
4572     return true;
4573   }
4574
4575   if (MaxVFWithoutSLForwardIssues < MaxSafeDepDistBytes &&
4576       MaxVFWithoutSLForwardIssues != MaxVectorWidth*TypeByteSize)
4577     MaxSafeDepDistBytes = MaxVFWithoutSLForwardIssues;
4578   return false;
4579 }
4580
4581 bool MemoryDepChecker::isDependent(const MemAccessInfo &A, unsigned AIdx,
4582                                    const MemAccessInfo &B, unsigned BIdx,
4583                                    ValueToValueMap &Strides) {
4584   assert (AIdx < BIdx && "Must pass arguments in program order");
4585
4586   Value *APtr = A.getPointer();
4587   Value *BPtr = B.getPointer();
4588   bool AIsWrite = A.getInt();
4589   bool BIsWrite = B.getInt();
4590
4591   // Two reads are independent.
4592   if (!AIsWrite && !BIsWrite)
4593     return false;
4594
4595   // We cannot check pointers in different address spaces.
4596   if (APtr->getType()->getPointerAddressSpace() !=
4597       BPtr->getType()->getPointerAddressSpace())
4598     return true;
4599
4600   const SCEV *AScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, APtr);
4601   const SCEV *BScev = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides, BPtr);
4602
4603   int StrideAPtr = isStridedPtr(SE, DL, APtr, InnermostLoop, Strides);
4604   int StrideBPtr = isStridedPtr(SE, DL, BPtr, InnermostLoop, Strides);
4605
4606   const SCEV *Src = AScev;
4607   const SCEV *Sink = BScev;
4608
4609   // If the induction step is negative we have to invert source and sink of the
4610   // dependence.
4611   if (StrideAPtr < 0) {
4612     //Src = BScev;
4613     //Sink = AScev;
4614     std::swap(APtr, BPtr);
4615     std::swap(Src, Sink);
4616     std::swap(AIsWrite, BIsWrite);
4617     std::swap(AIdx, BIdx);
4618     std::swap(StrideAPtr, StrideBPtr);
4619   }
4620
4621   const SCEV *Dist = SE->getMinusSCEV(Sink, Src);
4622
4623   DEBUG(dbgs() << "LV: Src Scev: " << *Src << "Sink Scev: " << *Sink
4624         << "(Induction step: " << StrideAPtr <<  ")\n");
4625   DEBUG(dbgs() << "LV: Distance for " << *InstMap[AIdx] << " to "
4626         << *InstMap[BIdx] << ": " << *Dist << "\n");
4627
4628   // Need consecutive accesses. We don't want to vectorize
4629   // "A[B[i]] += ..." and similar code or pointer arithmetic that could wrap in
4630   // the address space.
4631   if (!StrideAPtr || !StrideBPtr || StrideAPtr != StrideBPtr){
4632     DEBUG(dbgs() << "Non-consecutive pointer access\n");
4633     return true;
4634   }
4635
4636   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Dist);
4637   if (!C) {
4638     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence because of non-constant distance\n");
4639     ShouldRetryWithRuntimeCheck = true;
4640     return true;
4641   }
4642
4643   Type *ATy = APtr->getType()->getPointerElementType();
4644   Type *BTy = BPtr->getType()->getPointerElementType();
4645   unsigned TypeByteSize = DL->getTypeAllocSize(ATy);
4646
4647   // Negative distances are not plausible dependencies.
4648   const APInt &Val = C->getValue()->getValue();
4649   if (Val.isNegative()) {
4650     bool IsTrueDataDependence = (AIsWrite && !BIsWrite);
4651     if (IsTrueDataDependence &&
4652         (couldPreventStoreLoadForward(Val.abs().getZExtValue(), TypeByteSize) ||
4653          ATy != BTy))
4654       return true;
4655
4656     DEBUG(dbgs() << "LV: Dependence is negative: NoDep\n");
4657     return false;
4658   }
4659
4660   // Write to the same location with the same size.
4661   // Could be improved to assert type sizes are the same (i32 == float, etc).
4662   if (Val == 0) {
4663     if (ATy == BTy)
4664       return false;
4665     DEBUG(dbgs() << "LV: Zero dependence difference but different types\n");
4666     return true;
4667   }
4668
4669   assert(Val.isStrictlyPositive() && "Expect a positive value");
4670
4671   // Positive distance bigger than max vectorization factor.
4672   if (ATy != BTy) {
4673     DEBUG(dbgs() <<
4674           "LV: ReadWrite-Write positive dependency with different types\n");
4675     return false;
4676   }
4677
4678   unsigned Distance = (unsigned) Val.getZExtValue();
4679
4680   // Bail out early if passed-in parameters make vectorization not feasible.
4681   unsigned ForcedFactor = VectorizationFactor ? VectorizationFactor : 1;
4682   unsigned ForcedUnroll = VectorizationInterleave ? VectorizationInterleave : 1;
4683
4684   // The distance must be bigger than the size needed for a vectorized version
4685   // of the operation and the size of the vectorized operation must not be
4686   // bigger than the currrent maximum size.
4687   if (Distance < 2*TypeByteSize ||
4688       2*TypeByteSize > MaxSafeDepDistBytes ||
4689       Distance < TypeByteSize * ForcedUnroll * ForcedFactor) {
4690     DEBUG(dbgs() << "LV: Failure because of Positive distance "
4691         << Val.getSExtValue() << '\n');
4692     return true;
4693   }
4694
4695   MaxSafeDepDistBytes = Distance < MaxSafeDepDistBytes ?
4696     Distance : MaxSafeDepDistBytes;
4697
4698   bool IsTrueDataDependence = (!AIsWrite && BIsWrite);
4699   if (IsTrueDataDependence &&
4700       couldPreventStoreLoadForward(Distance, TypeByteSize))
4701      return true;
4702
4703   DEBUG(dbgs() << "LV: Positive distance " << Val.getSExtValue() <<
4704         " with max VF = " << MaxSafeDepDistBytes / TypeByteSize << '\n');
4705
4706   return false;
4707 }
4708
4709 bool MemoryDepChecker::areDepsSafe(AccessAnalysis::DepCandidates &AccessSets,
4710                                    MemAccessInfoSet &CheckDeps,
4711                                    ValueToValueMap &Strides) {
4712
4713   MaxSafeDepDistBytes = -1U;
4714   while (!CheckDeps.empty()) {
4715     MemAccessInfo CurAccess = *CheckDeps.begin();
4716
4717     // Get the relevant memory access set.
4718     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::iterator I =
4719       AccessSets.findValue(AccessSets.getLeaderValue(CurAccess));
4720
4721     // Check accesses within this set.
4722     EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator AI, AE;
4723     AI = AccessSets.member_begin(I), AE = AccessSets.member_end();
4724
4725     // Check every access pair.
4726     while (AI != AE) {
4727       CheckDeps.erase(*AI);
4728       EquivalenceClasses<MemAccessInfo>::member_iterator OI = std::next(AI);
4729       while (OI != AE) {
4730         // Check every accessing instruction pair in program order.
4731         for (std::vector<unsigned>::iterator I1 = Accesses[*AI].begin(),
4732              I1E = Accesses[*AI].end(); I1 != I1E; ++I1)
4733           for (std::vector<unsigned>::iterator I2 = Accesses[*OI].begin(),
4734                I2E = Accesses[*OI].end(); I2 != I2E; ++I2) {
4735             if (*I1 < *I2 && isDependent(*AI, *I1, *OI, *I2, Strides))
4736               return false;
4737             if (*I2 < *I1 && isDependent(*OI, *I2, *AI, *I1, Strides))
4738               return false;
4739           }
4740         ++OI;
4741       }
4742       AI++;
4743     }
4744   }
4745   return true;
4746 }
4747
4748 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory() {
4749
4750   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
4751   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
4752
4753   // Holds the Load and Store *instructions*.
4754   ValueVector Loads;
4755   ValueVector Stores;
4756
4757   // Holds all the different accesses in the loop.
4758   unsigned NumReads = 0;
4759   unsigned NumReadWrites = 0;
4760
4761   PtrRtCheck.Pointers.clear();
4762   PtrRtCheck.Need = false;
4763
4764   const bool IsAnnotatedParallel = TheLoop->isAnnotatedParallel();
4765   MemoryDepChecker DepChecker(SE, DL, TheLoop);
4766
4767   // For each block.
4768   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4769        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4770
4771     // Scan the BB and collect legal loads and stores.
4772     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
4773          ++it) {
4774
4775       // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
4776       // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
4777       // calls that read or write.
4778       if (it->mayReadFromMemory()) {
4779         // Many math library functions read the rounding mode. We will only
4780         // vectorize a loop if it contains known function calls that don't set
4781         // the flag. Therefore, it is safe to ignore this read from memory.
4782         CallInst *Call = dyn_cast<CallInst>(it);
4783         if (Call && getIntrinsicIDForCall(Call, TLI))
4784           continue;
4785
4786         LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(it);
4787         if (!Ld || (!Ld->isSimple() && !IsAnnotatedParallel)) {
4788           emitAnalysis(Report(Ld)
4789                        << "read with atomic ordering or volatile read");
4790           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
4791           return false;
4792         }
4793         NumLoads++;
4794         Loads.push_back(Ld);
4795         DepChecker.addAccess(Ld);
4796         continue;
4797       }
4798
4799       // Save 'store' instructions. Abort if other instructions write to memory.
4800       if (it->mayWriteToMemory()) {
4801         StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(it);
4802         if (!St) {
4803           emitAnalysis(Report(it) << "instruction cannot be vectorized");
4804           return false;
4805         }
4806         if (!St->isSimple() && !IsAnnotatedParallel) {
4807           emitAnalysis(Report(St)
4808                        << "write with atomic ordering or volatile write");
4809           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
4810           return false;
4811         }
4812         NumStores++;
4813         Stores.push_back(St);
4814         DepChecker.addAccess(St);
4815       }
4816     } // Next instr.
4817   } // Next block.
4818
4819   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
4820   // Next, we find the pointers that they use.
4821
4822   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
4823   // care if the pointers are *restrict*.
4824   if (!Stores.size()) {
4825     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
4826     return true;
4827   }
4828
4829   AccessAnalysis::DepCandidates DependentAccesses;
4830   AccessAnalysis Accesses(DL, AA, DependentAccesses);
4831
4832   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
4833   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
4834   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
4835   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
4836   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
4837   ValueSet Seen;
4838
4839   ValueVector::iterator I, IE;
4840   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
4841     StoreInst *ST = cast<StoreInst>(*I);
4842     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
4843
4844     if (isUniform(Ptr)) {
4845       emitAnalysis(
4846           Report(ST)
4847           << "write to a loop invariant address could not be vectorized");
4848       DEBUG(dbgs() << "LV: We don't allow storing to uniform addresses\n");
4849       return false;
4850     }
4851
4852     // If we did *not* see this pointer before, insert it to  the read-write
4853     // list. At this phase it is only a 'write' list.
4854     if (Seen.insert(Ptr).second) {
4855       ++NumReadWrites;
4856
4857       AliasAnalysis::Location Loc = AA->getLocation(ST);
4858       // The TBAA metadata could have a control dependency on the predication
4859       // condition, so we cannot rely on it when determining whether or not we
4860       // need runtime pointer checks.
4861       if (blockNeedsPredication(ST->getParent()))
4862         Loc.AATags.TBAA = nullptr;
4863
4864       Accesses.addStore(Loc);
4865     }
4866   }
4867
4868   if (IsAnnotatedParallel) {
4869     DEBUG(dbgs()
4870           << "LV: A loop annotated parallel, ignore memory dependency "
4871           << "checks.\n");
4872     return true;
4873   }
4874
4875   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
4876     LoadInst *LD = cast<LoadInst>(*I);
4877     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
4878     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
4879     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
4880     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
4881     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
4882     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
4883     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
4884     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
4885     // words may be written to the same address.
4886     bool IsReadOnlyPtr = false;
4887     if (Seen.insert(Ptr).second ||
4888         !isStridedPtr(SE, DL, Ptr, TheLoop, Strides)) {
4889       ++NumReads;
4890       IsReadOnlyPtr = true;
4891     }
4892
4893     AliasAnalysis::Location Loc = AA->getLocation(LD);
4894     // The TBAA metadata could have a control dependency on the predication
4895     // condition, so we cannot rely on it when determining whether or not we
4896     // need runtime pointer checks.
4897     if (blockNeedsPredication(LD->getParent()))
4898       Loc.AATags.TBAA = nullptr;
4899
4900     Accesses.addLoad(Loc, IsReadOnlyPtr);
4901   }
4902
4903   // If we write (or read-write) to a single destination and there are no
4904   // other reads in this loop then is it safe to vectorize.
4905   if (NumReadWrites == 1 && NumReads == 0) {
4906     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a write-only loop!\n");
4907     return true;
4908   }
4909
4910   // Build dependence sets and check whether we need a runtime pointer bounds
4911   // check.
4912   Accesses.buildDependenceSets();
4913   bool NeedRTCheck = Accesses.isRTCheckNeeded();
4914
4915   // Find pointers with computable bounds. We are going to use this information
4916   // to place a runtime bound check.
4917   unsigned NumComparisons = 0;
4918   bool CanDoRT = false;
4919   if (NeedRTCheck)
4920     CanDoRT = Accesses.canCheckPtrAtRT(PtrRtCheck, NumComparisons, SE, TheLoop,
4921                                        Strides);
4922
4923   DEBUG(dbgs() << "LV: We need to do " << NumComparisons <<
4924         " pointer comparisons.\n");
4925
4926   // If we only have one set of dependences to check pointers among we don't
4927   // need a runtime check.
4928   if (NumComparisons == 0 && NeedRTCheck)
4929     NeedRTCheck = false;
4930
4931   // Check that we did not collect too many pointers or found an unsizeable
4932   // pointer.
4933   if (!CanDoRT || NumComparisons > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
4934     PtrRtCheck.reset();
4935     CanDoRT = false;
4936   }
4937
4938   if (CanDoRT) {
4939     DEBUG(dbgs() << "LV: We can perform a memory runtime check if needed.\n");
4940   }
4941
4942   if (NeedRTCheck && !CanDoRT) {
4943     emitAnalysis(Report() << "cannot identify array bounds");
4944     DEBUG(dbgs() << "LV: We can't vectorize because we can't find " <<
4945           "the array bounds.\n");
4946     PtrRtCheck.reset();
4947     return false;
4948   }
4949
4950   PtrRtCheck.Need = NeedRTCheck;
4951
4952   bool CanVecMem = true;
4953   if (Accesses.isDependencyCheckNeeded()) {
4954     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking memory dependencies\n");
4955     CanVecMem = DepChecker.areDepsSafe(
4956         DependentAccesses, Accesses.getDependenciesToCheck(), Strides);
4957     MaxSafeDepDistBytes = DepChecker.getMaxSafeDepDistBytes();
4958
4959     if (!CanVecMem && DepChecker.shouldRetryWithRuntimeCheck()) {
4960       DEBUG(dbgs() << "LV: Retrying with memory checks\n");
4961       NeedRTCheck = true;
4962
4963       // Clear the dependency checks. We assume they are not needed.
4964       Accesses.resetDepChecks();
4965
4966       PtrRtCheck.reset();
4967       PtrRtCheck.Need = true;
4968
4969       CanDoRT = Accesses.canCheckPtrAtRT(PtrRtCheck, NumComparisons, SE,
4970                                          TheLoop, Strides, true);
4971       // Check that we did not collect too many pointers or found an unsizeable
4972       // pointer.
4973       if (!CanDoRT || NumComparisons > RuntimeMemoryCheckThreshold) {
4974         if (!CanDoRT && NumComparisons > 0)
4975           emitAnalysis(Report()
4976                        << "cannot check memory dependencies at runtime");
4977         else
4978           emitAnalysis(Report()
4979                        << NumComparisons << " exceeds limit of "
4980                        << RuntimeMemoryCheckThreshold
4981                        << " dependent memory operations checked at runtime");
4982         DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize with memory checks\n");
4983         PtrRtCheck.reset();
4984         return false;
4985       }
4986
4987       CanVecMem = true;
4988     }
4989   }
4990
4991   if (!CanVecMem)
4992     emitAnalysis(Report() << "unsafe dependent memory operations in loop");
4993
4994   DEBUG(dbgs() << "LV: We" << (NeedRTCheck ? "" : " don't") <<
4995         " need a runtime memory check.\n");
4996
4997   return CanVecMem;
4998 }
4999
5000 static bool hasMultipleUsesOf(Instruction *I,
5001                               SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Insts) {
5002   unsigned NumUses = 0;
5003   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use) {
5004     if (Insts.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
5005       ++NumUses;
5006     if (NumUses > 1)
5007       return true;
5008   }
5009
5010   return false;
5011 }
5012
5013 static bool areAllUsesIn(Instruction *I, SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Set) {
5014   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use)
5015     if (!Set.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
5016       return false;
5017   return true;
5018 }
5019
5020 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
5021                                                 ReductionKind Kind) {
5022   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
5023     return false;
5024
5025   // Reduction variables are only found in the loop header block.
5026   if (Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
5027     return false;
5028
5029   // Obtain the reduction start value from the value that comes from the loop
5030   // preheader.
5031   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValueForBlock(TheLoop->getLoopPreheader());
5032
5033   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
5034   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
5035   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
5036   // which ends in the phi node).
5037   Instruction *ExitInstruction = nullptr;
5038   // Indicates that we found a reduction operation in our scan.
5039   bool FoundReduxOp = false;
5040
5041   // We start with the PHI node and scan for all of the users of this
5042   // instruction. All users must be instructions that can be used as reduction
5043   // variables (such as ADD). We must have a single out-of-block user. The cycle
5044   // must include the original PHI.
5045   bool FoundStartPHI = false;
5046
5047   // To recognize min/max patterns formed by a icmp select sequence, we store
5048   // the number of instruction we saw from the recognized min/max pattern,
5049   //  to make sure we only see exactly the two instructions.
5050   unsigned NumCmpSelectPatternInst = 0;
5051   ReductionInstDesc ReduxDesc(false, nullptr);
5052
5053   SmallPtrSet<Instruction *, 8> VisitedInsts;
5054   SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
5055   Worklist.push_back(Phi);
5056   VisitedInsts.insert(Phi);
5057
5058   // A value in the reduction can be used:
5059   //  - By the reduction:
5060   //      - Reduction operation:
5061   //        - One use of reduction value (safe).
5062   //        - Multiple use of reduction value (not safe).
5063   //      - PHI:
5064   //        - All uses of the PHI must be the reduction (safe).
5065   //        - Otherwise, not safe.
5066   //  - By one instruction outside of the loop (safe).
5067   //  - By further instructions outside of the loop (not safe).
5068   //  - By an instruction that is not part of the reduction (not safe).
5069   //    This is either:
5070   //      * An instruction type other than PHI or the reduction operation.
5071   //      * A PHI in the header other than the initial PHI.
5072   while (!Worklist.empty()) {
5073     Instruction *Cur = Worklist.back();
5074     Worklist.pop_back();
5075
5076     // No Users.
5077     // If the instruction has no users then this is a broken chain and can't be
5078     // a reduction variable.
5079     if (Cur->use_empty())
5080       return false;
5081
5082     bool IsAPhi = isa<PHINode>(Cur);
5083
5084     // A header PHI use other than the original PHI.
5085     if (Cur != Phi && IsAPhi && Cur->getParent() == Phi->getParent())
5086       return false;
5087
5088     // Reductions of instructions such as Div, and Sub is only possible if the
5089     // LHS is the reduction variable.
5090     if (!Cur->isCommutative() && !IsAPhi && !isa<SelectInst>(Cur) &&
5091         !isa<ICmpInst>(Cur) && !isa<FCmpInst>(Cur) &&
5092         !VisitedInsts.count(dyn_cast<Instruction>(Cur->getOperand(0))))
5093       return false;
5094
5095     // Any reduction instruction must be of one of the allowed kinds.
5096     ReduxDesc = isReductionInstr(Cur, Kind, ReduxDesc);
5097     if (!ReduxDesc.IsReduction)
5098       return false;
5099
5100     // A reduction operation must only have one use of the reduction value.
5101     if (!IsAPhi && Kind != RK_IntegerMinMax && Kind != RK_FloatMinMax &&
5102         hasMultipleUsesOf(Cur, VisitedInsts))
5103       return false;
5104
5105     // All inputs to a PHI node must be a reduction value.
5106     if(IsAPhi && Cur != Phi && !areAllUsesIn(Cur, VisitedInsts))
5107       return false;
5108
5109     if (Kind == RK_IntegerMinMax && (isa<ICmpInst>(Cur) ||
5110                                      isa<SelectInst>(Cur)))
5111       ++NumCmpSelectPatternInst;
5112     if (Kind == RK_FloatMinMax && (isa<FCmpInst>(Cur) ||
5113                                    isa<SelectInst>(Cur)))
5114       ++NumCmpSelectPatternInst;
5115
5116     // Check  whether we found a reduction operator.
5117     FoundReduxOp |= !IsAPhi;
5118
5119     // Process users of current instruction. Push non-PHI nodes after PHI nodes
5120     // onto the stack. This way we are going to have seen all inputs to PHI
5121     // nodes once we get to them.
5122     SmallVector<Instruction *, 8> NonPHIs;
5123     SmallVector<Instruction *, 8> PHIs;
5124     for (User *U : Cur->users()) {
5125       Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
5126
5127       // Check if we found the exit user.
5128       BasicBlock *Parent = UI->getParent();
5129       if (!TheLoop->contains(Parent)) {
5130         // Exit if you find multiple outside users or if the header phi node is
5131         // being used. In this case the user uses the value of the previous
5132         // iteration, in which case we would loose "VF-1" iterations of the
5133         // reduction operation if we vectorize.
5134         if (ExitInstruction != nullptr || Cur == Phi)
5135           return false;
5136
5137         // The instruction used by an outside user must be the last instruction
5138         // before we feed back to the reduction phi. Otherwise, we loose VF-1
5139         // operations on the value.
5140         if (std::find(Phi->op_begin(), Phi->op_end(), Cur) == Phi->op_end())
5141          return false;
5142
5143         ExitInstruction = Cur;
5144         continue;
5145       }
5146
5147       // Process instructions only once (termination). Each reduction cycle
5148       // value must only be used once, except by phi nodes and min/max
5149       // reductions which are represented as a cmp followed by a select.
5150       ReductionInstDesc IgnoredVal(false, nullptr);
5151       if (VisitedInsts.insert(UI).second) {
5152         if (isa<PHINode>(UI))
5153           PHIs.push_back(UI);
5154         else
5155           NonPHIs.push_back(UI);
5156       } else if (!isa<PHINode>(UI) &&
5157                  ((!isa<FCmpInst>(UI) &&
5158                    !isa<ICmpInst>(UI) &&
5159                    !isa<SelectInst>(UI)) ||
5160                   !isMinMaxSelectCmpPattern(UI, IgnoredVal).IsReduction))
5161         return false;
5162
5163       // Remember that we completed the cycle.
5164       if (UI == Phi)
5165         FoundStartPHI = true;
5166     }
5167     Worklist.append(PHIs.begin(), PHIs.end());
5168     Worklist.append(NonPHIs.begin(), NonPHIs.end());
5169   }
5170
5171   // This means we have seen one but not the other instruction of the
5172   // pattern or more than just a select and cmp.
5173   if ((Kind == RK_IntegerMinMax || Kind == RK_FloatMinMax) &&
5174       NumCmpSelectPatternInst != 2)
5175     return false;
5176
5177   if (!FoundStartPHI || !FoundReduxOp || !ExitInstruction)
5178     return false;
5179
5180   // We found a reduction var if we have reached the original phi node and we
5181   // only have a single instruction with out-of-loop users.
5182
5183   // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
5184   AllowedExit.insert(ExitInstruction);
5185
5186   // Save the description of this reduction variable.
5187   ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind,
5188                          ReduxDesc.MinMaxKind);
5189   Reductions[Phi] = RD;
5190   // We've ended the cycle. This is a reduction variable if we have an
5191   // outside user and it has a binary op.
5192
5193   return true;
5194 }
5195
5196 /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
5197 /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
5198 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
5199 LoopVectorizationLegality::isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
5200                                                     ReductionInstDesc &Prev) {
5201
5202   assert((isa<ICmpInst>(I) || isa<FCmpInst>(I) || isa<SelectInst>(I)) &&
5203          "Expect a select instruction");
5204   Instruction *Cmp = nullptr;
5205   SelectInst *Select = nullptr;
5206
5207   // We must handle the select(cmp()) as a single instruction. Advance to the
5208   // select.
5209   if ((Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I)) || (Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I))) {
5210     if (!Cmp->hasOneUse() || !(Select = dyn_cast<SelectInst>(*I->user_begin())))
5211       return ReductionInstDesc(false, I);
5212     return ReductionInstDesc(Select, Prev.MinMaxKind);
5213   }
5214
5215   // Only handle single use cases for now.
5216   if (!(Select = dyn_cast<SelectInst>(I)))
5217     return ReductionInstDesc(false, I);
5218   if (!(Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I->getOperand(0))) &&
5219       !(Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I->getOperand(0))))
5220     return ReductionInstDesc(false, I);
5221   if (!Cmp->hasOneUse())
5222     return ReductionInstDesc(false, I);
5223
5224   Value *CmpLeft;
5225   Value *CmpRight;
5226
5227   // Look for a min/max pattern.
5228   if (m_UMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5229     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMin);
5230   else if (m_UMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5231     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMax);
5232   else if (m_SMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5233     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMax);
5234   else if (m_SMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5235     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMin);
5236   else if (m_OrdFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5237     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
5238   else if (m_OrdFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5239     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
5240   else if (m_UnordFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5241     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
5242   else if (m_UnordFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
5243     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
5244
5245   return ReductionInstDesc(false, I);
5246 }
5247
5248 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
5249 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
5250                                             ReductionKind Kind,
5251                                             ReductionInstDesc &Prev) {
5252   bool FP = I->getType()->isFloatingPointTy();
5253   bool FastMath = FP && I->hasUnsafeAlgebra();
5254   switch (I->getOpcode()) {
5255   default:
5256     return ReductionInstDesc(false, I);
5257   case Instruction::PHI:
5258       if (FP && (Kind != RK_FloatMult && Kind != RK_FloatAdd &&
5259                  Kind != RK_FloatMinMax))
5260         return ReductionInstDesc(false, I);
5261     return ReductionInstDesc(I, Prev.MinMaxKind);
5262   case Instruction::Sub:
5263   case Instruction::Add:
5264     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAdd, I);
5265   case Instruction::Mul:
5266     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerMult, I);
5267   case Instruction::And:
5268     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAnd, I);
5269   case Instruction::Or:
5270     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerOr, I);
5271   case Instruction::Xor:
5272     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerXor, I);
5273   case Instruction::FMul:
5274     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatMult && FastMath, I);
5275   case Instruction::FSub:
5276   case Instruction::FAdd:
5277     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatAdd && FastMath, I);
5278   case Instruction::FCmp:
5279   case Instruction::ICmp:
5280   case Instruction::Select:
5281     if (Kind != RK_IntegerMinMax &&
5282         (!HasFunNoNaNAttr || Kind != RK_FloatMinMax))
5283       return ReductionInstDesc(false, I);
5284     return isMinMaxSelectCmpPattern(I, Prev);
5285   }
5286 }
5287
5288 LoopVectorizationLegality::InductionKind
5289 LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
5290   Type *PhiTy = Phi->getType();
5291   // We only handle integer and pointer inductions variables.
5292   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
5293     return IK_NoInduction;
5294
5295   // Check that the PHI is consecutive.
5296   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
5297   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
5298   if (!AR) {
5299     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
5300     return IK_NoInduction;
5301   }
5302   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
5303
5304   // Integer inductions need to have a stride of one.
5305   if (PhiTy->isIntegerTy()) {
5306     if (Step->isOne())
5307       return IK_IntInduction;
5308     if (Step->isAllOnesValue())
5309       return IK_ReverseIntInduction;
5310     return IK_NoInduction;
5311   }
5312
5313   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
5314   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
5315   if (!C)
5316     return IK_NoInduction;
5317
5318   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
5319   Type *PointerElementType = PhiTy->getPointerElementType();
5320   // The pointer stride cannot be determined if the pointer element type is not
5321   // sized.
5322   if (!PointerElementType->isSized())
5323     return IK_NoInduction;
5324
5325   uint64_t Size = DL->getTypeAllocSize(PointerElementType);
5326   if (C->getValue()->equalsInt(Size))
5327     return IK_PtrInduction;
5328   else if (C->getValue()->equalsInt(0 - Size))
5329     return IK_ReversePtrInduction;
5330
5331   return IK_NoInduction;
5332 }
5333
5334 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(const Value *V) {
5335   Value *In0 = const_cast<Value*>(V);
5336   PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(In0);
5337   if (!PN)
5338     return false;
5339
5340   return Inductions.count(PN);
5341 }
5342
5343 bool LoopVectorizationLegality::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB)  {
5344   assert(TheLoop->contains(BB) && "Unknown block used");
5345
5346   // Blocks that do not dominate the latch need predication.
5347   BasicBlock* Latch = TheLoop->getLoopLatch();
5348   return !DT->dominates(BB, Latch);
5349 }
5350
5351 bool LoopVectorizationLegality::blockCanBePredicated(BasicBlock *BB,
5352                                            SmallPtrSetImpl<Value *> &SafePtrs) {
5353   
5354   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
5355     // Check that we don't have a constant expression that can trap as operand.
5356     for (Instruction::op_iterator OI = it->op_begin(), OE = it->op_end();
5357          OI != OE; ++OI) {
5358       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(*OI))
5359         if (C->canTrap())
5360           return false;
5361     }
5362     // We might be able to hoist the load.
5363     if (it->mayReadFromMemory()) {
5364       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it);
5365       if (!LI)
5366         return false;
5367       if (!SafePtrs.count(LI->getPointerOperand())) {
5368         if (isLegalMaskedLoad(LI->getType(), LI->getPointerOperand())) {
5369           MaskedOp.insert(LI);
5370           continue;
5371         }
5372         return false;
5373       }
5374     }
5375
5376     // We don't predicate stores at the moment.
5377     if (it->mayWriteToMemory()) {
5378       StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(it);
5379       // We only support predication of stores in basic blocks with one
5380       // predecessor.
5381       if (!SI)
5382         return false;
5383
5384       bool isSafePtr = (SafePtrs.count(SI->getPointerOperand()) != 0);
5385       bool isSinglePredecessor = SI->getParent()->getSinglePredecessor();
5386       
5387       if (++NumPredStores > NumberOfStoresToPredicate || !isSafePtr ||
5388           !isSinglePredecessor) {
5389         // Build a masked store if it is legal for the target, otherwise scalarize
5390         // the block.
5391         bool isLegalMaskedOp =
5392           isLegalMaskedStore(SI->getValueOperand()->getType(),
5393                              SI->getPointerOperand());
5394         if (isLegalMaskedOp) {
5395           --NumPredStores;
5396           MaskedOp.insert(SI);
5397           continue;
5398         }
5399         return false;
5400       }
5401     }
5402     if (it->mayThrow())
5403       return false;
5404
5405     // The instructions below can trap.
5406     switch (it->getOpcode()) {
5407     default: continue;
5408     case Instruction::UDiv:
5409     case Instruction::SDiv:
5410     case Instruction::URem:
5411     case Instruction::SRem:
5412       return false;
5413     }
5414   }
5415
5416   return true;
5417 }
5418
5419 LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor
5420 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(bool OptForSize) {
5421   // Width 1 means no vectorize
5422   VectorizationFactor Factor = { 1U, 0U };
5423   if (OptForSize && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need) {
5424     emitAnalysis(Report() << "runtime pointer checks needed. Enable vectorization of this loop with '#pragma clang loop vectorize(enable)' when compiling with -Os");
5425     DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required in Os.\n");
5426     return Factor;
5427   }
5428
5429   if (!EnableCondStoresVectorization && Legal->NumPredStores) {
5430     emitAnalysis(Report() << "store that is conditionally executed prevents vectorization");
5431     DEBUG(dbgs() << "LV: No vectorization. There are conditional stores.\n");
5432     return Factor;
5433   }
5434
5435   // Find the trip count.
5436   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
5437   DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count: " << TC << '\n');
5438
5439   unsigned WidestType = getWidestType();
5440   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
5441   unsigned MaxSafeDepDist = -1U;
5442   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
5443     MaxSafeDepDist = Legal->getMaxSafeDepDistBytes() * 8;
5444   WidestRegister = ((WidestRegister < MaxSafeDepDist) ?
5445                     WidestRegister : MaxSafeDepDist);
5446   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
5447   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest type: " << WidestType << " bits.\n");
5448   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register is: "
5449           << WidestRegister << " bits.\n");
5450
5451   if (MaxVectorSize == 0) {
5452     DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
5453     MaxVectorSize = 1;
5454   }
5455
5456   assert(MaxVectorSize <= 64 && "Did not expect to pack so many elements"
5457          " into one vector!");
5458
5459   unsigned VF = MaxVectorSize;
5460
5461   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
5462   if (OptForSize) {
5463     // If we are unable to calculate the trip count then don't try to vectorize.
5464     if (TC < 2) {
5465       emitAnalysis(Report() << "unable to calculate the loop count due to complex control flow");
5466       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
5467       return Factor;
5468     }
5469
5470     // Find the maximum SIMD width that can fit within the trip count.
5471     VF = TC % MaxVectorSize;
5472
5473     if (VF == 0)
5474       VF = MaxVectorSize;
5475
5476     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
5477     // zero then we require a tail.
5478     if (VF < 2) {
5479       emitAnalysis(Report() << "cannot optimize for size and vectorize at the "
5480                                "same time. Enable vectorization of this loop "
5481                                "with '#pragma clang loop vectorize(enable)' "
5482                                "when compiling with -Os");
5483       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
5484       return Factor;
5485     }
5486   }
5487
5488   int UserVF = Hints->getWidth();
5489   if (UserVF != 0) {
5490     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
5491     DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF " << UserVF << ".\n");
5492
5493     Factor.Width = UserVF;
5494     return Factor;
5495   }
5496
5497   float Cost = expectedCost(1);
5498 #ifndef NDEBUG
5499   const float ScalarCost = Cost;
5500 #endif /* NDEBUG */
5501   unsigned Width = 1;
5502   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: " << (int)ScalarCost << ".\n");
5503
5504   bool ForceVectorization = Hints->getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled;
5505   // Ignore scalar width, because the user explicitly wants vectorization.
5506   if (ForceVectorization && VF > 1) {
5507     Width = 2;
5508     Cost = expectedCost(Width) / (float)Width;
5509   }
5510
5511   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
5512     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
5513     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
5514     // the vector elements.
5515     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
5516     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width " << i << " costs: " <<
5517           (int)VectorCost << ".\n");
5518     if (VectorCost < Cost) {
5519       Cost = VectorCost;
5520       Width = i;
5521     }
5522   }
5523
5524   DEBUG(if (ForceVectorization && Width > 1 && Cost >= ScalarCost) dbgs()
5525         << "LV: Vectorization seems to be not beneficial, "
5526         << "but was forced by a user.\n");
5527   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF: "<< Width << ".\n");
5528   Factor.Width = Width;
5529   Factor.Cost = Width * Cost;
5530   return Factor;
5531 }
5532
5533 unsigned LoopVectorizationCostModel::getWidestType() {
5534   unsigned MaxWidth = 8;
5535
5536   // For each block.
5537   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
5538        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
5539     BasicBlock *BB = *bb;
5540
5541     // For each instruction in the loop.
5542     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
5543       Type *T = it->getType();
5544
5545       // Ignore ephemeral values.
5546       if (EphValues.count(it))
5547         continue;
5548
5549       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
5550       if (!isa<LoadInst>(it) && !isa<StoreInst>(it) && !isa<PHINode>(it))
5551         continue;
5552
5553       // Examine PHI nodes that are reduction variables.
5554       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(it))
5555         if (!Legal->getReductionVars()->count(PN))
5556           continue;
5557
5558       // Examine the stored values.
5559       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it))
5560         T = ST->getValueOperand()->getType();
5561
5562       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
5563       // consecutive. However, we do want to take consecutive stores/loads of
5564       // pointer vectors into account.
5565       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(it))
5566         continue;
5567
5568       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
5569                           (unsigned)DL->getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
5570     }
5571   }
5572
5573   return MaxWidth;
5574 }
5575
5576 unsigned
5577 LoopVectorizationCostModel::selectUnrollFactor(bool OptForSize,
5578                                                unsigned VF,
5579                                                unsigned LoopCost) {
5580
5581   // -- The unroll heuristics --
5582   // We unroll the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
5583   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
5584   // at this level. For example, frontend pressure (on decode or fetch) due to
5585   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
5586   //
5587   // We use the following heuristics to select the unroll factor:
5588   // 1. If the code has reductions, then we unroll in order to break the cross
5589   // iteration dependency.
5590   // 2. If the loop is really small, then we unroll in order to reduce the loop
5591   // overhead.
5592   // 3. We don't unroll if we think that we will spill registers to memory due
5593   // to the increased register pressure.
5594
5595   // Use the user preference, unless 'auto' is selected.
5596   int UserUF = Hints->getInterleave();
5597   if (UserUF != 0)
5598     return UserUF;
5599
5600   // When we optimize for size, we don't unroll.
5601   if (OptForSize)
5602     return 1;
5603
5604   // We used the distance for the unroll factor.
5605   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
5606     return 1;
5607
5608   // Do not unroll loops with a relatively small trip count.
5609   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
5610   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountUnrollThreshold)
5611     return 1;
5612
5613   unsigned TargetNumRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(VF > 1);
5614   DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetNumRegisters <<
5615         " registers\n");
5616
5617   if (VF == 1) {
5618     if (ForceTargetNumScalarRegs.getNumOccurrences() > 0)
5619       TargetNumRegisters = ForceTargetNumScalarRegs;
5620   } else {
5621     if (ForceTargetNumVectorRegs.getNumOccurrences() > 0)
5622       TargetNumRegisters = ForceTargetNumVectorRegs;
5623   }
5624
5625   LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage R = calculateRegisterUsage();
5626   // We divide by these constants so assume that we have at least one
5627   // instruction that uses at least one register.
5628   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
5629   R.NumInstructions = std::max(R.NumInstructions, 1U);
5630
5631   // We calculate the unroll factor using the following formula.
5632   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
5633   // registers. These registers are used by all of the unrolled instances.
5634   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
5635   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
5636   // fit without causing spills. All of this is rounded down if necessary to be
5637   // a power of two. We want power of two unroll factors to simplify any
5638   // addressing operations or alignment considerations.
5639   unsigned UF = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs) /
5640                               R.MaxLocalUsers);
5641
5642   // Don't count the induction variable as unrolled.
5643   if (EnableIndVarRegisterHeur)
5644     UF = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs - 1) /
5645                        std::max(1U, (R.MaxLocalUsers - 1)));
5646
5647   // Clamp the unroll factor ranges to reasonable factors.
5648   unsigned MaxInterleaveSize = TTI.getMaxInterleaveFactor();
5649
5650   // Check if the user has overridden the unroll max.
5651   if (VF == 1) {
5652     if (ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
5653       MaxInterleaveSize = ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor;
5654   } else {
5655     if (ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
5656       MaxInterleaveSize = ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor;
5657   }
5658
5659   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
5660   // then we calculate the cost of VF here.
5661   if (LoopCost == 0)
5662     LoopCost = expectedCost(VF);
5663
5664   // Clamp the calculated UF to be between the 1 and the max unroll factor
5665   // that the target allows.
5666   if (UF > MaxInterleaveSize)
5667     UF = MaxInterleaveSize;
5668   else if (UF < 1)
5669     UF = 1;
5670
5671   // Unroll if we vectorized this loop and there is a reduction that could
5672   // benefit from unrolling.
5673   if (VF > 1 && Legal->getReductionVars()->size()) {
5674     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling because of reductions.\n");
5675     return UF;
5676   }
5677
5678   // Note that if we've already vectorized the loop we will have done the
5679   // runtime check and so unrolling won't require further checks.
5680   bool UnrollingRequiresRuntimePointerCheck =
5681       (VF == 1 && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need);
5682
5683   // We want to unroll small loops in order to reduce the loop overhead and
5684   // potentially expose ILP opportunities.
5685   DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is " << LoopCost << '\n');
5686   if (!UnrollingRequiresRuntimePointerCheck &&
5687       LoopCost < SmallLoopCost) {
5688     // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
5689     // to estimate the cost of the loop and unroll until the cost of the
5690     // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
5691     unsigned SmallUF = std::min(UF, (unsigned)PowerOf2Floor(SmallLoopCost / LoopCost));
5692
5693     // Unroll until store/load ports (estimated by max unroll factor) are
5694     // saturated.
5695     unsigned StoresUF = UF / (Legal->NumStores ? Legal->NumStores : 1);
5696     unsigned LoadsUF = UF /  (Legal->NumLoads ? Legal->NumLoads : 1);
5697
5698     // If we have a scalar reduction (vector reductions are already dealt with
5699     // by this point), we can increase the critical path length if the loop
5700     // we're unrolling is inside another loop. Limit, by default to 2, so the
5701     // critical path only gets increased by one reduction operation.
5702     if (Legal->getReductionVars()->size() &&
5703         TheLoop->getLoopDepth() > 1) {
5704       unsigned F = static_cast<unsigned>(MaxNestedScalarReductionUF);
5705       SmallUF = std::min(SmallUF, F);
5706       StoresUF = std::min(StoresUF, F);
5707       LoadsUF = std::min(LoadsUF, F);
5708     }
5709
5710     if (EnableLoadStoreRuntimeUnroll && std::max(StoresUF, LoadsUF) > SmallUF) {
5711       DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to saturate store or load ports.\n");
5712       return std::max(StoresUF, LoadsUF);
5713     }
5714
5715     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to reduce branch cost.\n");
5716     return SmallUF;
5717   }
5718
5719   DEBUG(dbgs() << "LV: Not Unrolling.\n");
5720   return 1;
5721 }
5722
5723 LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage
5724 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage() {
5725   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
5726   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
5727   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
5728   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
5729   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
5730   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
5731   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
5732   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
5733   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
5734   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
5735   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
5736   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
5737   // The max register usage is the maximum size of the set.
5738   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
5739   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
5740   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
5741   // more register.
5742   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
5743   DFS.perform(LI);
5744
5745   RegisterUsage R;
5746   R.NumInstructions = 0;
5747
5748   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
5749   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
5750   // instruction that is the key.
5751   typedef DenseMap<Instruction*, unsigned> IntervalMap;
5752   // Maps instruction to its index.
5753   DenseMap<unsigned, Instruction*> IdxToInstr;
5754   // Marks the end of each interval.
5755   IntervalMap EndPoint;
5756   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
5757   SmallSet<Instruction*, 8> Ends;
5758   // Saves the list of values that are used in the loop but are
5759   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
5760   SmallPtrSet<Value*, 8> LoopInvariants;
5761
5762   unsigned Index = 0;
5763   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
5764        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb) {
5765     R.NumInstructions += (*bb)->size();
5766     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
5767          ++it) {
5768       Instruction *I = it;
5769       IdxToInstr[Index++] = I;
5770
5771       // Save the end location of each USE.
5772       for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); ++i) {
5773         Value *U = I->getOperand(i);
5774         Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
5775
5776         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
5777         if (!Instr) continue;
5778
5779         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
5780         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
5781           LoopInvariants.insert(Instr);
5782           continue;
5783         }
5784
5785         // Overwrite previous end points.
5786         EndPoint[Instr] = Index;
5787         Ends.insert(Instr);
5788       }
5789     }
5790   }
5791
5792   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
5793   typedef SmallVector<Instruction*, 2> InstrList;
5794   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
5795
5796   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
5797   for (IntervalMap::iterator it = EndPoint.begin(), e = EndPoint.end();
5798        it != e; ++it)
5799     TransposeEnds[it->second].push_back(it->first);
5800
5801   SmallSet<Instruction*, 8> OpenIntervals;
5802   unsigned MaxUsage = 0;
5803
5804
5805   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
5806   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
5807     Instruction *I = IdxToInstr[i];
5808     // Ignore instructions that are never used within the loop.
5809     if (!Ends.count(I)) continue;
5810
5811     // Ignore ephemeral values.
5812     if (EphValues.count(I))
5813       continue;
5814
5815     // Remove all of the instructions that end at this location.
5816     InstrList &List = TransposeEnds[i];
5817     for (unsigned int j=0, e = List.size(); j < e; ++j)
5818       OpenIntervals.erase(List[j]);
5819
5820     // Count the number of live interals.
5821     MaxUsage = std::max(MaxUsage, OpenIntervals.size());
5822
5823     DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # " <<
5824           OpenIntervals.size() << '\n');
5825
5826     // Add the current instruction to the list of open intervals.
5827     OpenIntervals.insert(I);
5828   }
5829
5830   unsigned Invariant = LoopInvariants.size();
5831   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsage << '\n');
5832   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant << '\n');
5833   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): LoopSize: " << R.NumInstructions << '\n');
5834
5835   R.LoopInvariantRegs = Invariant;
5836   R.MaxLocalUsers = MaxUsage;
5837   return R;
5838 }
5839
5840 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
5841   unsigned Cost = 0;
5842
5843   // For each block.
5844   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
5845        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
5846     unsigned BlockCost = 0;
5847     BasicBlock *BB = *bb;
5848
5849     // For each instruction in the old loop.
5850     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
5851       // Skip dbg intrinsics.
5852       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
5853         continue;
5854
5855       // Ignore ephemeral values.
5856       if (EphValues.count(it))
5857         continue;
5858
5859       unsigned C = getInstructionCost(it, VF);
5860
5861       // Check if we should override the cost.
5862       if (ForceTargetInstructionCost.getNumOccurrences() > 0)
5863         C = ForceTargetInstructionCost;
5864
5865       BlockCost += C;
5866       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of " << C << " for VF " <<
5867             VF << " For instruction: " << *it << '\n');
5868     }
5869
5870     // We assume that if-converted blocks have a 50% chance of being executed.
5871     // When the code is scalar then some of the blocks are avoided due to CF.
5872     // When the code is vectorized we execute all code paths.
5873     if (VF == 1 && Legal->blockNeedsPredication(*bb))
5874       BlockCost /= 2;
5875
5876     Cost += BlockCost;
5877   }
5878
5879   return Cost;
5880 }
5881
5882 /// \brief Check whether the address computation for a non-consecutive memory
5883 /// access looks like an unlikely candidate for being merged into the indexing
5884 /// mode.
5885 ///
5886 /// We look for a GEP which has one index that is an induction variable and all
5887 /// other indices are loop invariant. If the stride of this access is also
5888 /// within a small bound we decide that this address computation can likely be
5889 /// merged into the addressing mode.
5890 /// In all other cases, we identify the address computation as complex.
5891 static bool isLikelyComplexAddressComputation(Value *Ptr,
5892                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
5893                                               ScalarEvolution *SE,
5894                                               const Loop *TheLoop) {
5895   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
5896   if (!Gep)
5897     return true;
5898
5899   // We are looking for a gep with all loop invariant indices except for one
5900   // which should be an induction variable.
5901   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
5902   for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i) {
5903     Value *Opd = Gep->getOperand(i);
5904     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Opd), TheLoop) &&
5905         !Legal->isInductionVariable(Opd))
5906       return true;
5907   }
5908
5909   // Now we know we have a GEP ptr, %inv, %ind, %inv. Make sure that the step
5910   // can likely be merged into the address computation.
5911   unsigned MaxMergeDistance = 64;
5912
5913   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Ptr));
5914   if (!AddRec)
5915     return true;
5916
5917   // Check the step is constant.
5918   const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*SE);
5919   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
5920   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
5921   if (!C)
5922     return true;
5923
5924   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
5925
5926   // Huge step value - give up.
5927   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
5928     return true;
5929
5930   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
5931
5932   return StepVal > MaxMergeDistance;
5933 }
5934
5935 static bool isStrideMul(Instruction *I, LoopVectorizationLegality *Legal) {
5936   if (Legal->hasStride(I->getOperand(0)) || Legal->hasStride(I->getOperand(1)))
5937     return true;
5938   return false;
5939 }
5940
5941 unsigned
5942 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
5943   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
5944   // the scalar version.
5945   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
5946     VF = 1;
5947
5948   Type *RetTy = I->getType();
5949   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
5950
5951   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
5952   switch (I->getOpcode()) {
5953   case Instruction::GetElementPtr:
5954     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
5955     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
5956     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
5957     // instruction cost.
5958     return 0;
5959   case Instruction::Br: {
5960     return TTI.getCFInstrCost(I->getOpcode());
5961   }
5962   case Instruction::PHI:
5963     //TODO: IF-converted IFs become selects.
5964     return 0;
5965   case Instruction::Add:
5966   case Instruction::FAdd:
5967   case Instruction::Sub:
5968   case Instruction::FSub:
5969   case Instruction::Mul:
5970   case Instruction::FMul:
5971   case Instruction::UDiv:
5972   case Instruction::SDiv:
5973   case Instruction::FDiv:
5974   case Instruction::URem:
5975   case Instruction::SRem:
5976   case Instruction::FRem:
5977   case Instruction::Shl:
5978   case Instruction::LShr:
5979   case Instruction::AShr:
5980   case Instruction::And:
5981   case Instruction::Or:
5982   case Instruction::Xor: {
5983     // Since we will replace the stride by 1 the multiplication should go away.
5984     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && isStrideMul(I, Legal))
5985       return 0;
5986     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
5987     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
5988     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
5989       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
5990     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
5991       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
5992     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op1VP =
5993         TargetTransformInfo::OP_None;
5994     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op2VP =
5995         TargetTransformInfo::OP_None;
5996     Value *Op2 = I->getOperand(1);
5997
5998     // Check for a splat of a constant or for a non uniform vector of constants.
5999     if (isa<ConstantInt>(Op2)) {
6000       ConstantInt *CInt = cast<ConstantInt>(Op2);
6001       if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
6002         Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
6003       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
6004     } else if (isa<ConstantVector>(Op2) || isa<ConstantDataVector>(Op2)) {
6005       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_NonUniformConstantValue;
6006       Constant *SplatValue = cast<Constant>(Op2)->getSplatValue();
6007       if (SplatValue) {
6008         ConstantInt *CInt = dyn_cast<ConstantInt>(SplatValue);
6009         if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
6010           Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
6011         Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
6012       }
6013     }
6014
6015     return TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK, Op2VK,
6016                                       Op1VP, Op2VP);
6017   }
6018   case Instruction::Select: {
6019     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
6020     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
6021     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
6022     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
6023     if (!ScalarCond)
6024       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
6025
6026     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
6027   }
6028   case Instruction::ICmp:
6029   case Instruction::FCmp: {
6030     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
6031     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
6032     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
6033   }
6034   case Instruction::Store:
6035   case Instruction::Load: {
6036     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
6037     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
6038     Type *ValTy = (SI ? SI->getValueOperand()->getType() :
6039                    LI->getType());
6040     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
6041
6042     unsigned Alignment = SI ? SI->getAlignment() : LI->getAlignment();
6043     unsigned AS = SI ? SI->getPointerAddressSpace() :
6044       LI->getPointerAddressSpace();
6045     Value *Ptr = SI ? SI->getPointerOperand() : LI->getPointerOperand();
6046     // We add the cost of address computation here instead of with the gep
6047     // instruction because only here we know whether the operation is
6048     // scalarized.
6049     if (VF == 1)
6050       return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
6051         TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
6052
6053     // Scalarized loads/stores.
6054     int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
6055     bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
6056     unsigned ScalarAllocatedSize = DL->getTypeAllocSize(ValTy);
6057     unsigned VectorElementSize = DL->getTypeStoreSize(VectorTy)/VF;
6058     if (!ConsecutiveStride || ScalarAllocatedSize != VectorElementSize) {
6059       bool IsComplexComputation =
6060         isLikelyComplexAddressComputation(Ptr, Legal, SE, TheLoop);
6061       unsigned Cost = 0;
6062       // The cost of extracting from the value vector and pointer vector.
6063       Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
6064       for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
6065         //  The cost of extracting the pointer operand.
6066         Cost += TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement, PtrTy, i);
6067         // In case of STORE, the cost of ExtractElement from the vector.
6068         // In case of LOAD, the cost of InsertElement into the returned
6069         // vector.
6070         Cost += TTI.getVectorInstrCost(SI ? Instruction::ExtractElement :
6071                                             Instruction::InsertElement,
6072                                             VectorTy, i);
6073       }
6074
6075       // The cost of the scalar loads/stores.
6076       Cost += VF * TTI.getAddressComputationCost(PtrTy, IsComplexComputation);
6077       Cost += VF * TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(),
6078                                        Alignment, AS);
6079       return Cost;
6080     }
6081
6082     // Wide load/stores.
6083     unsigned Cost = TTI.getAddressComputationCost(VectorTy);
6084     Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
6085
6086     if (Reverse)
6087       Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse,
6088                                   VectorTy, 0);
6089     return Cost;
6090   }
6091   case Instruction::ZExt:
6092   case Instruction::SExt:
6093   case Instruction::FPToUI:
6094   case Instruction::FPToSI:
6095   case Instruction::FPExt:
6096   case Instruction::PtrToInt:
6097   case Instruction::IntToPtr:
6098   case Instruction::SIToFP:
6099   case Instruction::UIToFP:
6100   case Instruction::Trunc:
6101   case Instruction::FPTrunc:
6102   case Instruction::BitCast: {
6103     // We optimize the truncation of induction variable.
6104     // The cost of these is the same as the scalar operation.
6105     if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc &&
6106         Legal->isInductionVariable(I->getOperand(0)))
6107       return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), I->getType(),
6108                                   I->getOperand(0)->getType());
6109
6110     Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
6111     return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
6112   }
6113   case Instruction::Call: {
6114     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
6115     Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
6116     assert(ID && "Not an intrinsic call!");
6117     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
6118     SmallVector<Type*, 4> Tys;
6119     for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i)
6120       Tys.push_back(ToVectorTy(CI->getArgOperand(i)->getType(), VF));
6121     return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, RetTy, Tys);
6122   }
6123   default: {
6124     // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
6125     // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
6126     // elements, times the vector width.
6127     unsigned Cost = 0;
6128
6129     if (!RetTy->isVoidTy() && VF != 1) {
6130       unsigned InsCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::InsertElement,
6131                                                 VectorTy);
6132       unsigned ExtCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement,
6133                                                 VectorTy);
6134
6135       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
6136       // operands.
6137       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
6138     }
6139
6140     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
6141     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
6142     Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy);
6143     return Cost;
6144   }
6145   }// end of switch.
6146 }
6147
6148 Type* LoopVectorizationCostModel::ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
6149   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
6150     return Scalar;
6151   return VectorType::get(Scalar, VF);
6152 }
6153
6154 char LoopVectorize::ID = 0;
6155 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
6156 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
6157 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
6158 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
6159 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionTracker)
6160 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BlockFrequencyInfo)
6161 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
6162 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
6163 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
6164 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfo)
6165 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
6166 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
6167
6168 namespace llvm {
6169   Pass *createLoopVectorizePass(bool NoUnrolling, bool AlwaysVectorize) {
6170     return new LoopVectorize(NoUnrolling, AlwaysVectorize);
6171   }
6172 }
6173
6174 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
6175   // Check for a store.
6176   if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
6177     return Legal->isConsecutivePtr(ST->getPointerOperand()) != 0;
6178
6179   // Check for a load.
6180   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
6181     return Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand()) != 0;
6182
6183   return false;
6184 }
6185
6186
6187 void InnerLoopUnroller::scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
6188                                              bool IfPredicateStore) {
6189   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
6190   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
6191   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
6192
6193   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
6194
6195   // Find all of the vectorized parameters.
6196   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
6197     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
6198
6199     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
6200     if (SrcOp == OldInduction) {
6201       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
6202       continue;
6203     }
6204
6205     // Try using previously calculated values.
6206     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
6207
6208     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
6209     // then it should already be vectorized.
6210     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
6211       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
6212       // The parameter is a vector value from earlier.
6213       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
6214     } else {
6215       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
6216       VectorParts Scalars;
6217       Scalars.append(UF, SrcOp);
6218       Params.push_back(Scalars);
6219     }
6220   }
6221
6222   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
6223          "Invalid number of operands");
6224
6225   // Does this instruction return a value ?
6226   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
6227
6228   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? nullptr :
6229   UndefValue::get(Instr->getType());
6230   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
6231   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
6232
6233   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
6234   BasicBlock *IfBlock = Builder.GetInsertBlock();
6235   BasicBlock *CondBlock = nullptr;
6236
6237   VectorParts Cond;
6238   Loop *VectorLp = nullptr;
6239   if (IfPredicateStore) {
6240     assert(Instr->getParent()->getSinglePredecessor() &&
6241            "Only support single predecessor blocks");
6242     Cond = createEdgeMask(Instr->getParent()->getSinglePredecessor(),
6243                           Instr->getParent());
6244     VectorLp = LI->getLoopFor(IfBlock);
6245     assert(VectorLp && "Must have a loop for this block");
6246   }
6247
6248   // For each vector unroll 'part':
6249   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
6250     // For each scalar that we create:
6251
6252     // Start an "if (pred) a[i] = ..." block.
6253     Value *Cmp = nullptr;
6254     if (IfPredicateStore) {
6255       if (Cond[Part]->getType()->isVectorTy())
6256         Cond[Part] =
6257             Builder.CreateExtractElement(Cond[Part], Builder.getInt32(0));
6258       Cmp = Builder.CreateICmp(ICmpInst::ICMP_EQ, Cond[Part],
6259                                ConstantInt::get(Cond[Part]->getType(), 1));
6260       CondBlock = IfBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "cond.store");
6261       LoopVectorBody.push_back(CondBlock);
6262       VectorLp->addBasicBlockToLoop(CondBlock, LI->getBase());
6263       // Update Builder with newly created basic block.
6264       Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
6265     }
6266
6267     Instruction *Cloned = Instr->clone();
6268       if (!IsVoidRetTy)
6269         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
6270       // Replace the operands of the cloned instructions with extracted scalars.
6271       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
6272         Value *Op = Params[op][Part];
6273         Cloned->setOperand(op, Op);
6274       }
6275
6276       // Place the cloned scalar in the new loop.
6277       Builder.Insert(Cloned);
6278
6279       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
6280       // so that future users will be able to use it.
6281       if (!IsVoidRetTy)
6282         VecResults[Part] = Cloned;
6283
6284     // End if-block.
6285       if (IfPredicateStore) {
6286         BasicBlock *NewIfBlock = CondBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "else");
6287         LoopVectorBody.push_back(NewIfBlock);
6288         VectorLp->addBasicBlockToLoop(NewIfBlock, LI->getBase());
6289         Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
6290         Instruction *OldBr = IfBlock->getTerminator();
6291         BranchInst::Create(CondBlock, NewIfBlock, Cmp, OldBr);
6292         OldBr->eraseFromParent();
6293         IfBlock = NewIfBlock;
6294       }
6295   }
6296 }
6297
6298 void InnerLoopUnroller::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) {
6299   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
6300   bool IfPredicateStore = (SI && Legal->blockNeedsPredication(SI->getParent()));
6301
6302   return scalarizeInstruction(Instr, IfPredicateStore);
6303 }
6304
6305 Value *InnerLoopUnroller::reverseVector(Value *Vec) {
6306   return Vec;
6307 }
6308
6309 Value *InnerLoopUnroller::getBroadcastInstrs(Value *V) {
6310   return V;
6311 }
6312
6313 Value *InnerLoopUnroller::getConsecutiveVector(Value* Val, int StartIdx,
6314                                                bool Negate) {
6315   // When unrolling and the VF is 1, we only need to add a simple scalar.
6316   Type *ITy = Val->getType();
6317   assert(!ITy->isVectorTy() && "Val must be a scalar");
6318   Constant *C = ConstantInt::get(ITy, StartIdx, Negate);
6319   return Builder.CreateAdd(Val, C, "induction");
6320 }