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. Legalization of the IR is done
  12 // in the codegen. However, the vectorizes uses (will use) the codegen
  13 // interfaces to generate IR that is likely to result in an optimal binary.
  14 //
  15 // The loop vectorizer combines consecutive loop iteration 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 helper class that checks for the legality
  22 //    of the vectorization.
  23 // 3. SingleBlockLoopVectorizer - A helper class that performs the actual
  24 //    widening of instructions.
  25 //===----------------------------------------------------------------------===//
  26 //
  27 // The reduction-variable vectorization is based on the paper:
  28 //  D. Nuzman and R. Henderson. Multi-platform Auto-vectorization.
  29 //
  30 // Variable uniformity checks are inspired by:
  31 // Karrenberg, R. and Hack, S. Whole Function Vectorization.
  32 //
  33 // Other ideas/concepts are from:
  34 //  A. Zaks and D. Nuzman. Autovectorization in GCC—two years later.
  35 //
  36 //===----------------------------------------------------------------------===//
  37 #define LV_NAME "loop-vectorize"
  38 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
  39 #include "llvm/Constants.h"
  40 #include "llvm/DerivedTypes.h"
  41 #include "llvm/Instructions.h"
  42 #include "llvm/LLVMContext.h"
  43 #include "llvm/Pass.h"
  44 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
  45 #include "llvm/Value.h"
  46 #include "llvm/Function.h"
  47 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
  48 #include "llvm/Module.h"
  49 #include "llvm/Type.h"
  50 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
  51 #include "llvm/ADT/StringExtras.h"
  52 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
  53 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
  54 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  55 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
  56 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
  57 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
  58 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
  59 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
  60 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
  61 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
  62 #include "llvm/Support/Debug.h"
  63 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
  64 #include "llvm/DataLayout.h"
  65 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
  66 #include <algorithm>
  67 using namespace llvm;
  68
  69 static cl::opt<unsigned>
  70 DefaultVectorizationFactor("default-loop-vectorize-width",
  71                           cl::init(4), cl::Hidden,
  72                           cl::desc("Set the default loop vectorization width"));
  73 namespace {
  74
  75 // Forward declaration.
  76 class LoopVectorizationLegality;
  77
  78 /// Vectorize a simple loop. This class performs the widening of simple single
  79 /// basic block loops into vectors. It does not perform any
  80 /// vectorization-legality checks, and just does it.  It widens the vectors
  81 /// to a given vectorization factor (VF).
  82 class SingleBlockLoopVectorizer {
  83 public:
  84   /// Ctor.
  85   SingleBlockLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *Se, LoopInfo *Li,
  86                             LPPassManager *Lpm, unsigned VecWidth):
  87   Orig(OrigLoop), SE(Se), LI(Li), LPM(Lpm), VF(VecWidth),
  88   Builder(Se->getContext()), Induction(0), OldInduction(0) { }
  89
  90   // Perform the actual loop widening (vectorization).
  91   void vectorize(LoopVectorizationLegality *Legal) {
  92     ///Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
  93     createEmptyLoop(Legal);
  94     /// Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
  95     /// Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
  96    vectorizeLoop(Legal);
  97     // register the new loop.
  98     cleanup();
  99  }
 100
 101 private:
 102   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
 103   void createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
 104   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
 105   void vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal);
 106   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager.
 107   void cleanup();
 108
 109   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
 110   /// of scalars.
 111   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr);
 112
 113   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
 114   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
 115   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
 116   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
 117   /// element.
 118   Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
 119
 120   /// This is a helper function used by getBroadcastInstrs. It adds 0, 1, 2 ..
 121   /// for each element in the vector. Starting from zero.
 122   Value *getConsecutiveVector(Value* Val);
 123
 124   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
 125   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
 126   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
 127   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
 128   /// broadcast them into a vector.
 129   Value *getVectorValue(Value *V);
 130
 131   /// Get a uniform vector of constant integers. We use this to get
 132   /// vectors of ones and zeros for the reduction code.
 133   Constant* getUniformVector(unsigned Val, Type* ScalarTy);
 134
 135   typedef DenseMap<Value*, Value*> ValueMap;
 136
 137   /// The original loop.
 138   Loop *Orig;
 139   // Scev analysis to use.
 140   ScalarEvolution *SE;
 141   // Loop Info.
 142   LoopInfo *LI;
 143   // Loop Pass Manager;
 144   LPPassManager *LPM;
 145   // The vectorization factor to use.
 146   unsigned VF;
 147
 148   // The builder that we use
 149   IRBuilder<> Builder;
 150
 151   // --- Vectorization state ---
 152
 153   /// Middle Block between the vector and the scalar.
 154   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
 155   ///The ExitBlock of the scalar loop.
 156   BasicBlock *LoopExitBlock;
 157   ///The vector loop body.
 158   BasicBlock *LoopVectorBody;
 159   ///The scalar loop body.
 160   BasicBlock *LoopScalarBody;
 161   ///The first bypass block.
 162   BasicBlock *LoopBypassBlock;
 163
 164   /// The new Induction variable which was added to the new block.
 165   PHINode *Induction;
 166   /// The induction variable of the old basic block.
 167   PHINode *OldInduction;
 168   // Maps scalars to widened vectors.
 169   ValueMap WidenMap;
 170 };
 171
 172 /// Perform the vectorization legality check. This class does not look at the
 173 /// profitability of vectorization, only the legality. At the moment the checks
 174 /// are very simple and focus on single basic block loops with a constant
 175 /// iteration count and no reductions.
 176 class LoopVectorizationLegality {
 177 public:
 178   LoopVectorizationLegality(Loop *Lp, ScalarEvolution *Se, DataLayout *Dl):
 179   TheLoop(Lp), SE(Se), DL(Dl), Induction(0) { }
 180
 181   /// This represents the kinds of reductions that we support.
 182   /// We use the enum values to hold the 'identity' value for
 183   /// each operand. This value does not change the result if applied.
 184   enum ReductionKind {
 185     NoReduction = -1, /// Not a reduction.
 186     IntegerAdd  = 0,  /// Sum of numbers.
 187     IntegerMult = 1  /// Product of numbers.
 188   };
 189
 190   /// This POD struct holds information about reduction variables.
 191   struct ReductionDescriptor {
 192     // Default C'tor
 193     ReductionDescriptor():
 194     StartValue(0), LoopExitInstr(0), Kind(NoReduction) {}
 195
 196     // C'tor.
 197     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K):
 198     StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K) {}
 199
 200     // The starting value of the reduction.
 201     // It does not have to be zero!
 202     Value *StartValue;
 203     // The instruction who's value is used outside the loop.
 204     Instruction *LoopExitInstr;
 205     // The kind of the reduction.
 206     ReductionKind Kind;
 207   };
 208
 209   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
 210   /// of the reductions that were found in the loop.
 211   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
 212
 213   /// Returns the maximum vectorization factor that we *can* use to vectorize
 214   /// this loop. This does not mean that it is profitable to vectorize this
 215   /// loop, only that it is legal to do so. This may be a large number. We
 216   /// can vectorize to any SIMD width below this number.
 217   unsigned getLoopMaxVF();
 218
 219   /// Returns the Induction variable.
 220   PHINode *getInduction() {return Induction;}
 221
 222   /// Returns the reduction variables found in the loop.
 223   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
 224
 225   /// Check that the GEP operands are all uniform except for the last index
 226   /// which has to be the induction variable.
 227   bool isConsecutiveGep(Value *Ptr);
 228
 229 private:
 230   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
 231   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
 232   /// and we only need to check individual instructions.
 233   bool canVectorizeBlock(BasicBlock &BB);
 234
 235   /// When we vectorize loops we may change the order in which
 236   /// we read and write from memory. This method checks if it is
 237   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
 238   /// Returns true if BB is vectorizable
 239   bool canVectorizeMemory(BasicBlock &BB);
 240
 241   // Check if a pointer value is known to be disjoint.
 242   // Example: Alloca, Global, NoAlias.
 243   bool isIdentifiedSafeObject(Value* Val);
 244
 245   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
 246   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
 247   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
 248   /// Returns true if the instruction I can be a reduction variable of type
 249   /// 'Kind'.
 250   bool isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind);
 251   /// Returns True, if 'Phi' is an induction variable.
 252   bool isInductionVariable(PHINode *Phi);
 253
 254   /// The loop that we evaluate.
 255   Loop *TheLoop;
 256   /// Scev analysis.
 257   ScalarEvolution *SE;
 258   /// DataLayout analysis.
 259   DataLayout *DL;
 260
 261   //  ---  vectorization state --- //
 262
 263   /// Holds the induction variable.
 264   PHINode *Induction;
 265   /// Holds the reduction variables.
 266   ReductionList Reductions;
 267   /// Allowed outside users. This holds the reduction
 268   /// vars which can be accessed from outside the loop.
 269   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
 270 };
 271
 272 struct LoopVectorize : public LoopPass {
 273   static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
 274
 275   LoopVectorize() : LoopPass(ID) {
 276     initializeLoopVectorizePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
 277   }
 278
 279   ScalarEvolution *SE;
 280   DataLayout *DL;
 281   LoopInfo *LI;
 282
 283   virtual bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
 284
 285     // Only vectorize innermost loops.
 286     if (!L->empty())
 287       return false;
 288
 289     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
 290     DL = getAnalysisIfAvailable<DataLayout>();
 291     LI = &getAnalysis<LoopInfo>();
 292
 293     DEBUG(dbgs() << "LV: Checking a loop in \"" <<
 294           L->getHeader()->getParent()->getName() << "\"\n");
 295
 296     // Check if it is legal to vectorize the loop.
 297     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DL);
 298     unsigned MaxVF = LVL.getLoopMaxVF();
 299
 300     // Check that we can vectorize using the chosen vectorization width.
 301     if (MaxVF < DefaultVectorizationFactor) {
 302       DEBUG(dbgs() << "LV: non-vectorizable MaxVF ("<< MaxVF << ").\n");
 303       return false;
 304     }
 305
 306     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop ("<< MaxVF << ").\n");
 307
 308     // If we decided that is is *legal* to vectorizer the loop. Do it.
 309     SingleBlockLoopVectorizer LB(L, SE, LI, &LPM, DefaultVectorizationFactor);
 310     LB.vectorize(&LVL);
 311
 312     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
 313     return true;
 314   }
 315
 316   virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
 317     LoopPass::getAnalysisUsage(AU);
 318     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
 319     AU.addRequiredID(LCSSAID);
 320     AU.addRequired<LoopInfo>();
 321     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
 322   }
 323
 324 };
 325
 326 Value *SingleBlockLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
 327   // Instructions that access the old induction variable
 328   // actually want to get the new one.
 329   if (V == OldInduction)
 330     V = Induction;
 331   // Create the types.
 332   LLVMContext &C = V->getContext();
 333   Type *VTy = VectorType::get(V->getType(), VF);
 334   Type *I32 = IntegerType::getInt32Ty(C);
 335   Constant *Zero = ConstantInt::get(I32, 0);
 336   Value *Zeros = ConstantAggregateZero::get(VectorType::get(I32, VF));
 337   Value *UndefVal = UndefValue::get(VTy);
 338   // Insert the value into a new vector.
 339   Value *SingleElem = Builder.CreateInsertElement(UndefVal, V, Zero);
 340   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
 341   Value *Shuf = Builder.CreateShuffleVector(SingleElem, UndefVal, Zeros,
 342                                              "broadcast");
 343   // We are accessing the induction variable. Make sure to promote the
 344   // index for each consecutive SIMD lane. This adds 0,1,2 ... to all lanes.
 345   if (V == Induction)
 346     return getConsecutiveVector(Shuf);
 347   return Shuf;
 348 }
 349
 350 Value *SingleBlockLoopVectorizer::getConsecutiveVector(Value* Val) {
 351   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
 352   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
 353          "Elem must be an integer");
 354   // Create the types.
 355   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
 356   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
 357   unsigned VLen = Ty->getNumElements();
 358   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
 359
 360   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
 361   for (unsigned i = 0; i < VLen; ++i)
 362     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, i));
 363
 364   // Add the consecutive indices to the vector value.
 365   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
 366   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
 367   return Builder.CreateAdd(Val, Cv, "induction");
 368 }
 369
 370 bool LoopVectorizationLegality::isConsecutiveGep(Value *Ptr) {
 371   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
 372   if (!Gep)
 373     return false;
 374
 375   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
 376   Value *LastIndex = Gep->getOperand(NumOperands - 1);
 377
 378   // Check that all of the gep indices are uniform except for the last.
 379   for (unsigned i = 0; i < NumOperands - 1; ++i)
 380     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
 381       return false;
 382
 383   // We can emit wide load/stores only of the last index is the induction
 384   // variable.
 385   const SCEV *Last = SE->getSCEV(LastIndex);
 386   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
 387     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
 388
 389     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
 390     // and all other indices are loop invariant.
 391     if (Step->isOne())
 392       return true;
 393   }
 394
 395   return false;
 396 }
 397
 398 Value *SingleBlockLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
 399   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
 400   // If we saved a vectorized copy of V, use it.
 401   ValueMap::iterator it = WidenMap.find(V);
 402   if (it != WidenMap.end())
 403      return it->second;
 404
 405   // Broadcast V and save the value for future uses.
 406   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
 407   WidenMap[V] = B;
 408   return B;
 409 }
 410
 411 Constant*
 412 SingleBlockLoopVectorizer::getUniformVector(unsigned Val, Type* ScalarTy) {
 413   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
 414   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
 415   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
 416     Indices.push_back(ConstantInt::get(ScalarTy, Val));
 417
 418   // Add the consecutive indices to the vector value.
 419   return ConstantVector::get(Indices);
 420 }
 421
 422 void SingleBlockLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr) {
 423   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
 424   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
 425   SmallVector<Value*, 8> Params;
 426
 427   // Find all of the vectorized parameters.
 428   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
 429     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
 430
 431     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
 432     if (SrcOp == OldInduction) {
 433       Params.push_back(getBroadcastInstrs(Induction));
 434       continue;
 435     }
 436
 437     // Try using previously calculated values.
 438     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
 439
 440     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
 441     // then it should already be vectorized.
 442     if (SrcInst && SrcInst->getParent() == Instr->getParent()) {
 443       assert(WidenMap.count(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
 444       // The parameter is a vector value from earlier.
 445       Params.push_back(WidenMap[SrcInst]);
 446     } else {
 447       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
 448       Params.push_back(SrcOp);
 449     }
 450   }
 451
 452   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
 453          "Invalid number of operands");
 454
 455   // Does this instruction return a value ?
 456   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
 457   Value *VecResults = 0;
 458
 459   // If we have a return value, create an empty vector. We place the scalarized
 460   // instructions in this vector.
 461   if (!IsVoidRetTy)
 462     VecResults = UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
 463
 464   // For each scalar that we create.
 465   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
 466     Instruction *Cloned = Instr->clone();
 467     if (!IsVoidRetTy)
 468       Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
 469     // Replace the operands of the cloned instrucions with extracted scalars.
 470     for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
 471       Value *Op = Params[op];
 472       // Param is a vector. Need to extract the right lane.
 473       if (Op->getType()->isVectorTy())
 474         Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(i));
 475       Cloned->setOperand(op, Op);
 476     }
 477
 478     // Place the cloned scalar in the new loop.
 479     Builder.Insert(Cloned);
 480
 481     // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
 482     // so that future users will be able to use it.
 483     if (!IsVoidRetTy)
 484       VecResults = Builder.CreateInsertElement(VecResults, Cloned,
 485                                                Builder.getInt32(i));
 486   }
 487
 488   if (!IsVoidRetTy)
 489     WidenMap[Instr] = VecResults;
 490 }
 491
 492 void SingleBlockLoopVectorizer::createEmptyLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
 493   /*
 494    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
 495    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
 496    scalar remainder.
 497
 498    [  ] <-- vector loop bypass.
 499   /  |
 500  /   v
 501 |   [ ]     <-- vector pre header.
 502 |    |
 503 |    v
 504 |   [  ] \
 505 |   [  ]_|   <-- vector loop.
 506 |    |
 507  \   v
 508    >[ ]   <--- middle-block.
 509   /  |
 510  /   v
 511 |   [ ]     <--- new preheader.
 512 |    |
 513 |    v
 514 |   [ ] \
 515 |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
 516  \   |
 517   \  v
 518    >[ ]     <-- exit block.
 519    ...
 520    */
 521
 522   // This is the original scalar-loop preheader.
 523   BasicBlock *BypassBlock = Orig->getLoopPreheader();
 524   BasicBlock *ExitBlock = Orig->getExitBlock();
 525   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
 526
 527   assert(Orig->getNumBlocks() == 1 && "Invalid loop");
 528   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
 529
 530   BasicBlock *VectorPH =
 531       BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
 532   BasicBlock *VecBody = VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(),
 533                                                  "vector.body");
 534
 535   BasicBlock *MiddleBlock = VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(),
 536                                                   "middle.block");
 537   BasicBlock *ScalarPH =
 538     MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(),
 539                                  "scalar.preheader");
 540   // Find the induction variable.
 541   BasicBlock *OldBasicBlock = Orig->getHeader();
 542   OldInduction = Legal->getInduction();
 543   assert(OldInduction && "We must have a single phi node.");
 544   Type *IdxTy = OldInduction->getType();
 545
 546   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
 547   // inside the loop.
 548   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
 549
 550   // Generate the induction variable.
 551   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
 552   Constant *Zero = ConstantInt::get(IdxTy, 0);
 553   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF);
 554
 555   // Find the loop boundaries.
 556   const SCEV *ExitCount = SE->getExitCount(Orig, Orig->getHeader());
 557   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
 558
 559   // Get the total trip count from the count by adding 1.
 560   ExitCount = SE->getAddExpr(ExitCount,
 561                              SE->getConstant(ExitCount->getType(), 1));
 562
 563   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
 564   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
 565   SCEVExpander Exp(*SE, "induction");
 566   Instruction *Loc = BypassBlock->getTerminator();
 567
 568   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
 569   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
 570   // We are using Zext because it should be less expensive.
 571   if (ExitCount->getType() != Induction->getType())
 572     ExitCount = SE->getZeroExtendExpr(ExitCount, IdxTy);
 573
 574   // Count holds the overall loop count (N).
 575   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, Induction->getType(), Loc);
 576   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
 577   // the part that the vectorized body will execute.
 578   Constant *CIVF = ConstantInt::get(IdxTy, VF);
 579   Value *R = BinaryOperator::CreateURem(Count, CIVF, "n.mod.vf", Loc);
 580   Value *CountRoundDown = BinaryOperator::CreateSub(Count, R, "n.vec", Loc);
 581
 582   // Now, compare the new count to zero. If it is zero, jump to the scalar part.
 583   Value *Cmp = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ,
 584                                CountRoundDown, ConstantInt::getNullValue(IdxTy),
 585                                "cmp.zero", Loc);
 586   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp, Loc);
 587   // Remove the old terminator.
 588   Loc->eraseFromParent();
 589
 590   // Add a check in the middle block to see if we have completed
 591   // all of the iterations in the first vector loop.
 592   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
 593   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, Count,
 594                                 CountRoundDown, "cmp.n",
 595                                 MiddleBlock->getTerminator());
 596
 597   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
 598   // Remove the old terminator.
 599   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
 600
 601   // Create i+1 and fill the PHINode.
 602   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
 603   Induction->addIncoming(Zero, VectorPH);
 604   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
 605   // Create the compare.
 606   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, CountRoundDown);
 607   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
 608
 609   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
 610   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
 611
 612   // Fix the scalar body iteration count.
 613   unsigned BlockIdx = OldInduction->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
 614   OldInduction->setIncomingValue(BlockIdx, CountRoundDown);
 615
 616   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
 617   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
 618
 619   // Register the new loop.
 620   Loop* Lp = new Loop();
 621   LPM->insertLoop(Lp, Orig->getParentLoop());
 622
 623   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, LI->getBase());
 624
 625   Loop *ParentLoop = Orig->getParentLoop();
 626   if (ParentLoop) {
 627     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, LI->getBase());
 628     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, LI->getBase());
 629     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, LI->getBase());
 630   }
 631
 632   // Save the state.
 633   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
 634   LoopExitBlock = ExitBlock;
 635   LoopVectorBody = VecBody;
 636   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
 637   LoopBypassBlock = BypassBlock;
 638 }
 639
 640 void
 641 SingleBlockLoopVectorizer::vectorizeLoop(LoopVectorizationLegality *Legal) {
 642   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
 643   BasicBlock &BB = *Orig->getHeader();
 644   Constant *Zero = ConstantInt::get(
 645     IntegerType::getInt32Ty(BB.getContext()), 0);
 646
 647   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
 648   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
 649   // steages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
 650   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
 651   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
 652   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
 653   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
 654   // construct the PHI.
 655   PhiVector PHIsToFix;
 656
 657   // For each instruction in the old loop.
 658   for (BasicBlock::iterator it = BB.begin(), e = BB.end(); it != e; ++it) {
 659     Instruction *Inst = it;
 660
 661     switch (Inst->getOpcode()) {
 662       case Instruction::Br:
 663         // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
 664         // loop control flow instructions.
 665         continue;
 666       case Instruction::PHI:{
 667         PHINode* P = cast<PHINode>(Inst);
 668         // Special handling for the induction var.
 669         if (OldInduction == Inst)
 670           continue;
 671         // This is phase one of vectorizing PHIs.
 672         // This has to be a reduction variable.
 673         assert(Legal->getReductionVars()->count(P) && "Not a Reduction");
 674         Type *VecTy = VectorType::get(Inst->getType(), VF);
 675         WidenMap[Inst] = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "vec.phi");
 676         PHIsToFix.push_back(P);
 677         continue;
 678       }
 679       case Instruction::Add:
 680       case Instruction::FAdd:
 681       case Instruction::Sub:
 682       case Instruction::FSub:
 683       case Instruction::Mul:
 684       case Instruction::FMul:
 685       case Instruction::UDiv:
 686       case Instruction::SDiv:
 687       case Instruction::FDiv:
 688       case Instruction::URem:
 689       case Instruction::SRem:
 690       case Instruction::FRem:
 691       case Instruction::Shl:
 692       case Instruction::LShr:
 693       case Instruction::AShr:
 694       case Instruction::And:
 695       case Instruction::Or:
 696       case Instruction::Xor: {
 697         // Just widen binops.
 698         BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Inst);
 699         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
 700         Value *B = getVectorValue(Inst->getOperand(1));
 701         // Use this vector value for all users of the original instruction.
 702         WidenMap[Inst] = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A, B);
 703         break;
 704       }
 705       case Instruction::Select: {
 706         // Widen selects.
 707         // TODO: If the selector is loop invariant we can issue a select
 708         // instruction with a scalar condition.
 709         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
 710         Value *B = getVectorValue(Inst->getOperand(1));
 711         Value *C = getVectorValue(Inst->getOperand(2));
 712         WidenMap[Inst] = Builder.CreateSelect(A, B, C);
 713         break;
 714       }
 715
 716       case Instruction::ICmp:
 717       case Instruction::FCmp: {
 718         // Widen compares. Generate vector compares.
 719         bool FCmp = (Inst->getOpcode() == Instruction::FCmp);
 720         CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(Inst);
 721         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
 722         Value *B = getVectorValue(Inst->getOperand(1));
 723         if (FCmp)
 724           WidenMap[Inst] = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A, B);
 725         else
 726           WidenMap[Inst] = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A, B);
 727         break;
 728       }
 729
 730       case Instruction::Store: {
 731         // Attempt to issue a wide store.
 732         StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Inst);
 733         Type *StTy = VectorType::get(SI->getValueOperand()->getType(), VF);
 734         Value *Ptr = SI->getPointerOperand();
 735         unsigned Alignment = SI->getAlignment();
 736         GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
 737         // This store does not use GEPs.
 738         if (!Legal->isConsecutiveGep(Gep)) {
 739           scalarizeInstruction(Inst);
 740           break;
 741         }
 742
 743         // Create the new GEP with the new induction variable.
 744         GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
 745         unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
 746         Gep2->setOperand(NumOperands - 1, Induction);
 747         Ptr = Builder.Insert(Gep2);
 748         Ptr = Builder.CreateBitCast(Ptr, StTy->getPointerTo());
 749         Value *Val = getVectorValue(SI->getValueOperand());
 750         Builder.CreateStore(Val, Ptr)->setAlignment(Alignment);
 751         break;
 752       }
 753       case Instruction::Load: {
 754         // Attempt to issue a wide load.
 755         LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst);
 756         Type *RetTy = VectorType::get(LI->getType(), VF);
 757         Value *Ptr = LI->getPointerOperand();
 758         unsigned Alignment = LI->getAlignment();
 759         GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
 760
 761         // We don't have a gep. Scalarize the load.
 762         if (!Legal->isConsecutiveGep(Gep)) {
 763           scalarizeInstruction(Inst);
 764           break;
 765         }
 766
 767         // Create the new GEP with the new induction variable.
 768         GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
 769         unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
 770         Gep2->setOperand(NumOperands - 1, Induction);
 771         Ptr = Builder.Insert(Gep2);
 772         Ptr = Builder.CreateBitCast(Ptr, RetTy->getPointerTo());
 773         LI = Builder.CreateLoad(Ptr);
 774         LI->setAlignment(Alignment);
 775         // Use this vector value for all users of the load.
 776         WidenMap[Inst] = LI;
 777         break;
 778       }
 779       case Instruction::ZExt:
 780       case Instruction::SExt:
 781       case Instruction::FPToUI:
 782       case Instruction::FPToSI:
 783       case Instruction::FPExt:
 784       case Instruction::PtrToInt:
 785       case Instruction::IntToPtr:
 786       case Instruction::SIToFP:
 787       case Instruction::UIToFP:
 788       case Instruction::Trunc:
 789       case Instruction::FPTrunc:
 790       case Instruction::BitCast: {
 791         /// Vectorize bitcasts.
 792         CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(Inst);
 793         Value *A = getVectorValue(Inst->getOperand(0));
 794         Type *DestTy = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
 795         WidenMap[Inst] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A, DestTy);
 796         break;
 797       }
 798
 799       default:
 800         /// All other instructions are unsupported. Scalarize them.
 801         scalarizeInstruction(Inst);
 802         break;
 803     }// end of switch.
 804   }// end of for_each instr.
 805
 806   // At this point every instruction in the original loop is widended to
 807   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
 808   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
 809   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
 810   // that we need to fix are reduction variables.
 811
 812   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
 813   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
 814   // after the loop is finished.
 815   for (PhiVector::iterator it = PHIsToFix.begin(), e = PHIsToFix.end();
 816        it != e; ++it) {
 817     PHINode *RdxPhi = *it;
 818     PHINode *VecRdxPhi = dyn_cast<PHINode>(WidenMap[RdxPhi]);
 819     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
 820
 821     // Find the reduction variable descriptor.
 822     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
 823            "Unable to find the reduction variable");
 824     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
 825       (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
 826
 827     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
 828     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and overide
 829     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
 830     // to do it in the vector-loop preheader.
 831     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlock->getTerminator());
 832
 833     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
 834     Value *VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
 835     Type *VecTy = VectorExit->getType();
 836
 837     // Find the reduction identity variable. The value of the enum is the
 838     // identity. Zero for addition. One for Multiplication.
 839     unsigned IdentitySclr =  RdxDesc.Kind;
 840     Constant *Identity = getUniformVector(IdentitySclr,
 841                                           VecTy->getScalarType());
 842
 843     // This vector is the Identity vector where the first element is the
 844     // incoming scalar reduction.
 845     Value *VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
 846                                                     RdxDesc.StartValue, Zero);
 847
 848
 849     // Fix the vector-loop phi.
 850     // We created the induction variable so we know that the
 851     // preheader is the first entry.
 852     BasicBlock *VecPreheader = Induction->getIncomingBlock(0);
 853
 854     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
 855     // any loop invariant values.
 856     VecRdxPhi->addIncoming(VectorStart, VecPreheader);
 857     unsigned SelfEdgeIdx = (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(LoopScalarBody);
 858     Value *Val = getVectorValue(RdxPhi->getIncomingValue(SelfEdgeIdx));
 859     VecRdxPhi->addIncoming(Val, LoopVectorBody);
 860
 861     // Before each round, move the insertion point right between
 862     // the PHIs and the values we are going to write.
 863     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
 864     // instructions.
 865     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
 866
 867     // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
 868     // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
 869     PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
 870     NewPhi->addIncoming(VectorStart, LoopBypassBlock);
 871     NewPhi->addIncoming(getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr), LoopVectorBody);
 872
 873     // Extract the first scalar.
 874     Value *Scalar0 =
 875       Builder.CreateExtractElement(NewPhi, Builder.getInt32(0));
 876     // Extract and sum the remaining vector elements.
 877     for (unsigned i=1; i < VF; ++i) {
 878       Value *Scalar1 =
 879         Builder.CreateExtractElement(NewPhi, Builder.getInt32(i));
 880       if (RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::IntegerAdd) {
 881         Scalar0 = Builder.CreateAdd(Scalar0, Scalar1);
 882       } else {
 883         Scalar0 = Builder.CreateMul(Scalar0, Scalar1);
 884       }
 885     }
 886
 887     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
 888     // inside and outside of the scalar remainder loop.
 889     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
 890     // PHI nodes in the exit blocks.
 891     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
 892          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
 893       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
 894       if (!LCSSAPhi) continue;
 895
 896       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
 897       // we already fixed them.
 898       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
 899
 900       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
 901       // incoming bypass edge.
 902       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
 903         // Add an edge coming from the bypass.
 904         LCSSAPhi->addIncoming(Scalar0, LoopMiddleBlock);
 905         break;
 906       }
 907     }// end of the LCSSA phi scan.
 908
 909     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
 910     // from the vector body and from the backedge value.
 911     int IncomingEdgeBlockIdx = (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(LoopScalarBody);
 912     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1); // The other block.
 913     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, Scalar0);
 914     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
 915   }// end of for each redux variable.
 916 }
 917
 918 void SingleBlockLoopVectorizer::cleanup() {
 919   // The original basic block.
 920   SE->forgetLoop(Orig);
 921 }
 922
 923 unsigned LoopVectorizationLegality::getLoopMaxVF() {
 924   if (!TheLoop->getLoopPreheader()) {
 925     assert(false && "No preheader!!");
 926     DEBUG(dbgs() << "LV: Loop not normalized." << "\n");
 927     return  1;
 928   }
 929
 930   // We can only vectorize single basic block loops.
 931   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
 932   if (NumBlocks != 1) {
 933     DEBUG(dbgs() << "LV: Too many blocks:" << NumBlocks << "\n");
 934     return 1;
 935   }
 936
 937   // We need to have a loop header.
 938   BasicBlock *BB = TheLoop->getHeader();
 939   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " << BB->getName() << "\n");
 940
 941   // Go over each instruction and look at memory deps.
 942   if (!canVectorizeBlock(*BB)) {
 943     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize this loop header\n");
 944     return 1;
 945   }
 946
 947   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
 948   const SCEV *ExitCount = SE->getExitCount(TheLoop, BB);
 949   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
 950     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
 951     return 1;
 952   }
 953
 954   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop!\n");
 955
 956   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
 957   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return the
 958   // maximum SIMD size.
 959   return DefaultVectorizationFactor;
 960 }
 961
 962 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeBlock(BasicBlock &BB) {
 963   // Scan the instructions in the block and look for hazards.
 964   for (BasicBlock::iterator it = BB.begin(), e = BB.end(); it != e; ++it) {
 965     Instruction *I = it;
 966
 967     PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I);
 968     if (Phi) {
 969       // This should not happen because the loop should be normalized.
 970       if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
 971         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
 972         return false;
 973       }
 974       // We only look at integer phi nodes.
 975       if (!Phi->getType()->isIntegerTy()) {
 976         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int PHI.\n");
 977         return false;
 978       }
 979
 980       if (isInductionVariable(Phi)) {
 981         if (Induction) {
 982           DEBUG(dbgs() << "LV: Found too many inductions."<< *Phi <<"\n");
 983           return false;
 984         }
 985         DEBUG(dbgs() << "LV: Found the induction PHI."<< *Phi <<"\n");
 986         Induction = Phi;
 987         continue;
 988       }
 989       if (AddReductionVar(Phi, IntegerAdd)) {
 990         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
 991         continue;
 992       }
 993       if (AddReductionVar(Phi, IntegerMult)) {
 994         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an Mult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
 995         continue;
 996       }
 997
 998       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
 999       return false;
1000     }// end of PHI handling
1001
1002     // We still don't handle functions.
1003     CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(I);
1004     if (CI) {
1005       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site:"<<
1006             CI->getCalledFunction()->getName() << "\n");
1007       return false;
1008     }
1009
1010     // We do not re-vectorize vectors.
1011     if (!VectorType::isValidElementType(I->getType()) &&
1012         !I->getType()->isVoidTy()) {
1013       DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type." << "\n");
1014       return false;
1015     }
1016
1017     // Reduction instructions are allowed to have exit users.
1018     // All other instructions must not have external users.
1019     if (!AllowedExit.count(I))
1020       //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
1021       for (Value::use_iterator it = I->use_begin(), e = I->use_end();
1022            it != e; ++it) {
1023         Instruction *U = cast<Instruction>(*it);
1024         // This user may be a reduction exit value.
1025         BasicBlock *Parent = U->getParent();
1026         if (Parent != &BB) {
1027           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : "<< *U << "\n");
1028           return false;
1029         }
1030     }
1031   } // next instr.
1032
1033   if (!Induction) {
1034       DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find an induction var.\n");
1035       return false;
1036   }
1037
1038   // If the memory dependencies do not prevent us from
1039   // vectorizing, then vectorize.
1040   return canVectorizeMemory(BB);
1041 }
1042
1043 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory(BasicBlock &BB) {
1044   typedef SmallVector<Value*, 16> ValueVector;
1045   typedef SmallPtrSet<Value*, 16> ValueSet;
1046   // Holds the Load and Store *instructions*.
1047   ValueVector Loads;
1048   ValueVector Stores;
1049
1050   // Scan the BB and collect legal loads and stores.
1051   for (BasicBlock::iterator it = BB.begin(), e = BB.end(); it != e; ++it) {
1052     Instruction *I = it;
1053
1054     // If this is a load, save it. If this instruction can read from memory
1055     // but is not a load, then we quit. Notice that we don't handle function
1056     // calls that read or write.
1057     if (I->mayReadFromMemory()) {
1058       LoadInst *Ld = dyn_cast<LoadInst>(I);
1059       if (!Ld) return false;
1060       if (!Ld->isSimple()) {
1061         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple load.\n");
1062         return false;
1063       }
1064       Loads.push_back(Ld);
1065       continue;
1066     }
1067
1068     // Save store instructions. Abort if other instructions write to memory.
1069     if (I->mayWriteToMemory()) {
1070       StoreInst *St = dyn_cast<StoreInst>(I);
1071       if (!St) return false;
1072       if (!St->isSimple()) {
1073         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a non-simple store.\n");
1074         return false;
1075       }
1076       Stores.push_back(St);
1077     }
1078   } // next instr.
1079
1080   // Now we have two lists that hold the loads and the stores.
1081   // Next, we find the pointers that they use.
1082
1083   // Check if we see any stores. If there are no stores, then we don't
1084   // care if the pointers are *restrict*.
1085   if (!Stores.size()) {
1086         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a read-only loop!\n");
1087         return true;
1088   }
1089
1090   // Holds the read and read-write *pointers* that we find.
1091   ValueVector Reads;
1092   ValueVector ReadWrites;
1093
1094   // Holds the analyzed pointers. We don't want to call GetUnderlyingObjects
1095   // multiple times on the same object. If the ptr is accessed twice, once
1096   // for read and once for write, it will only appear once (on the write
1097   // list). This is okay, since we are going to check for conflicts between
1098   // writes and between reads and writes, but not between reads and reads.
1099   ValueSet Seen;
1100
1101   ValueVector::iterator I, IE;
1102   for (I = Stores.begin(), IE = Stores.end(); I != IE; ++I) {
1103     StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(*I);
1104     assert(ST && "Bad StoreInst");
1105     Value* Ptr = ST->getPointerOperand();
1106     // If we did *not* see this pointer before, insert it to
1107     // the read-write list. At this phase it is only a 'write' list.
1108     if (Seen.insert(Ptr))
1109       ReadWrites.push_back(Ptr);
1110   }
1111
1112   for (I = Loads.begin(), IE = Loads.end(); I != IE; ++I) {
1113     LoadInst *LD = dyn_cast<LoadInst>(*I);
1114     assert(LD && "Bad LoadInst");
1115     Value* Ptr = LD->getPointerOperand();
1116     // If we did *not* see this pointer before, insert it to the
1117     // read list. If we *did* see it before, then it is already in
1118     // the read-write list. This allows us to vectorize expressions
1119     // such as A[i] += x;  Because the address of A[i] is a read-write
1120     // pointer. This only works if the index of A[i] is consecutive.
1121     // If the address of i is unknown (for example A[B[i]]) then we may
1122     // read a few words, modify, and write a few words, and some of the
1123     // words may be written to the same address.
1124     if (Seen.insert(Ptr) || !isConsecutiveGep(Ptr))
1125       Reads.push_back(Ptr);
1126   }
1127
1128   // Now that the pointers are in two lists (Reads and ReadWrites), we
1129   // can check that there are no conflicts between each of the writes and
1130   // between the writes to the reads.
1131   ValueSet WriteObjects;
1132   ValueVector TempObjects;
1133
1134   // Check that the read-writes do not conflict with other read-write
1135   // pointers.
1136   for (I = ReadWrites.begin(), IE = ReadWrites.end(); I != IE; ++I) {
1137     GetUnderlyingObjects(*I, TempObjects, DL);
1138     for (ValueVector::iterator it=TempObjects.begin(), e=TempObjects.end();
1139          it != e; ++it) {
1140       if (!isIdentifiedSafeObject(*it)) {
1141         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified write ptr:"<< **it <<"\n");
1142         return false;
1143       }
1144       if (!WriteObjects.insert(*it)) {
1145         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible write-write reorder:"
1146               << **it <<"\n");
1147         return false;
1148       }
1149     }
1150     TempObjects.clear();
1151   }
1152
1153   /// Check that the reads don't conflict with the read-writes.
1154   for (I = Reads.begin(), IE = Reads.end(); I != IE; ++I) {
1155     GetUnderlyingObjects(*I, TempObjects, DL);
1156     for (ValueVector::iterator it=TempObjects.begin(), e=TempObjects.end();
1157          it != e; ++it) {
1158       if (!isIdentifiedSafeObject(*it)) {
1159         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified read ptr:"<< **it <<"\n");
1160         return false;
1161       }
1162       if (WriteObjects.count(*it)) {
1163         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a possible read/write reorder:"
1164               << **it <<"\n");
1165         return false;
1166       }
1167     }
1168     TempObjects.clear();
1169   }
1170
1171   // All is okay.
1172   return true;
1173 }
1174
1175 /// Checks if the value is a Global variable or if it is an Arguments
1176 /// marked with the NoAlias attribute.
1177 bool LoopVectorizationLegality::isIdentifiedSafeObject(Value* Val) {
1178   assert(Val && "Invalid value");
1179   if (dyn_cast<GlobalValue>(Val))
1180     return true;
1181   if (dyn_cast<AllocaInst>(Val))
1182     return true;
1183   Argument *A = dyn_cast<Argument>(Val);
1184   if (!A)
1185     return false;
1186   return A->hasNoAliasAttr();
1187 }
1188
1189 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
1190                                                 ReductionKind Kind) {
1191   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
1192     return false;
1193
1194   // Find the possible incoming reduction variable.
1195   BasicBlock *BB = Phi->getParent();
1196   int SelfEdgeIdx = Phi->getBasicBlockIndex(BB);
1197   int InEdgeBlockIdx = (SelfEdgeIdx ? 0 : 1); // The other entry.
1198   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValue(InEdgeBlockIdx);
1199
1200   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
1201   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
1202   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
1203   // which ends in the phi node).
1204   Instruction *ExitInstruction = 0;
1205
1206   // Iter is our iterator. We start with the PHI node and scan for all of the
1207   // users of this instruction. All users must be instructions which can be
1208   // used as reduction variables (such as ADD). We may have a single
1209   // out-of-block user. They cycle must end with the original PHI.
1210   // Also, we can't have multiple block-local users.
1211   Instruction *Iter = Phi;
1212   while (true) {
1213     // Any reduction instr must be of one of the allowed kinds.
1214     if (!isReductionInstr(Iter, Kind))
1215       return false;
1216
1217     // Did we found a user inside this block ?
1218     bool FoundInBlockUser = false;
1219     // Did we reach the initial PHI node ?
1220     bool FoundStartPHI = false;
1221
1222     // If the instruction has no users then this is a broken
1223     // chain and can't be a reduction variable.
1224     if (Iter->use_begin() == Iter->use_end())
1225       return false;
1226
1227     // For each of the *users* of iter.
1228     for (Value::use_iterator it = Iter->use_begin(), e = Iter->use_end();
1229          it != e; ++it) {
1230       Instruction *U = cast<Instruction>(*it);
1231       // We already know that the PHI is a user.
1232       if (U == Phi) {
1233         FoundStartPHI = true;
1234         continue;
1235       }
1236       // Check if we found the exit user.
1237       BasicBlock *Parent = U->getParent();
1238       if (Parent != BB) {
1239         // We must have a single exit instruction.
1240         if (ExitInstruction != 0)
1241           return false;
1242         ExitInstruction = Iter;
1243       }
1244       // We can't have multiple inside users.
1245       if (FoundInBlockUser)
1246         return false;
1247       FoundInBlockUser = true;
1248       Iter = U;
1249     }
1250
1251     // We found a reduction var if we have reached the original
1252     // phi node and we only have a single instruction with out-of-loop
1253     // users.
1254    if (FoundStartPHI && ExitInstruction) {
1255      // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
1256      AllowedExit.insert(ExitInstruction);
1257
1258      // Save the description of this reduction variable.
1259      ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind);
1260      Reductions[Phi] = RD;
1261      return true;
1262    }
1263   }
1264 }
1265
1266 bool
1267 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
1268                                             ReductionKind Kind) {
1269     switch (I->getOpcode()) {
1270     default:
1271       return false;
1272     case Instruction::PHI:
1273       // possibly.
1274       return true;
1275     case Instruction::Add:
1276     case Instruction::Sub:
1277       return Kind == IntegerAdd;
1278     case Instruction::Mul:
1279     case Instruction::UDiv:
1280     case Instruction::SDiv:
1281       return Kind == IntegerMult;
1282     }
1283 }
1284
1285 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi) {
1286   // Check that the PHI is consecutive and starts at zero.
1287   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
1288   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
1289   if (!AR) {
1290     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
1291     return false;
1292   }
1293   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1294   const SCEV *Start = AR->getStart();
1295
1296   if (!Step->isOne() || !Start->isZero()) {
1297     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI does not start at zero or steps by one.\n");
1298     return false;
1299   }
1300   return true;
1301 }
1302
1303 } // namespace
1304
1305 char LoopVectorize::ID = 0;
1306 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
1307 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
1308 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
1309 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
1310 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
1311 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
1312
1313 namespace llvm {
1314   Pass *createLoopVectorizePass() {
1315     return new LoopVectorize();
1316   }
1317 }
1318