LoopVectorizer: Add TargetTransformInfo.
[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/AssumptionCache.h"
59 #include "llvm/Analysis/BlockFrequencyInfo.h"
60 #include "llvm/Analysis/CodeMetrics.h"
61 #include "llvm/Analysis/LoopAccessAnalysis.h"
62 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
63 #include "llvm/Analysis/LoopIterator.h"
64 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
65 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
66 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
67 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
68 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
69 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
70 #include "llvm/IR/Constants.h"
71 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
72 #include "llvm/IR/DebugInfo.h"
73 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
74 #include "llvm/IR/DiagnosticInfo.h"
75 #include "llvm/IR/Dominators.h"
76 #include "llvm/IR/Function.h"
77 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
78 #include "llvm/IR/Instructions.h"
79 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
80 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
81 #include "llvm/IR/Module.h"
82 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
83 #include "llvm/IR/Type.h"
84 #include "llvm/IR/Value.h"
85 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
86 #include "llvm/IR/Verifier.h"
87 #include "llvm/Pass.h"
88 #include "llvm/Support/BranchProbability.h"
89 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
90 #include "llvm/Support/Debug.h"
91 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
92 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
93 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
94 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
95 #include "llvm/Transforms/Utils/VectorUtils.h"
96 #include <algorithm>
97 #include <map>
98 #include <tuple>
99
100 using namespace llvm;
101 using namespace llvm::PatternMatch;
102
103 #define LV_NAME "loop-vectorize"
104 #define DEBUG_TYPE LV_NAME
105
106 STATISTIC(LoopsVectorized, "Number of loops vectorized");
107 STATISTIC(LoopsAnalyzed, "Number of loops analyzed for vectorization");
108
109 static cl::opt<bool>
110 EnableIfConversion("enable-if-conversion", cl::init(true), cl::Hidden,
111                    cl::desc("Enable if-conversion during vectorization."));
112
113 /// We don't vectorize loops with a known constant trip count below this number.
114 static cl::opt<unsigned>
115 TinyTripCountVectorThreshold("vectorizer-min-trip-count", cl::init(16),
116                              cl::Hidden,
117                              cl::desc("Don't vectorize loops with a constant "
118                                       "trip count that is smaller than this "
119                                       "value."));
120
121 /// This enables versioning on the strides of symbolically striding memory
122 /// accesses in code like the following.
123 ///   for (i = 0; i < N; ++i)
124 ///     A[i * Stride1] += B[i * Stride2] ...
125 ///
126 /// Will be roughly translated to
127 ///    if (Stride1 == 1 && Stride2 == 1) {
128 ///      for (i = 0; i < N; i+=4)
129 ///       A[i:i+3] += ...
130 ///    } else
131 ///      ...
132 static cl::opt<bool> EnableMemAccessVersioning(
133     "enable-mem-access-versioning", cl::init(true), cl::Hidden,
134     cl::desc("Enable symblic stride memory access versioning"));
135
136 /// We don't unroll loops with a known constant trip count below this number.
137 static const unsigned TinyTripCountUnrollThreshold = 128;
138
139 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumScalarRegs(
140     "force-target-num-scalar-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
141     cl::desc("A flag that overrides the target's number of scalar registers."));
142
143 static cl::opt<unsigned> ForceTargetNumVectorRegs(
144     "force-target-num-vector-regs", cl::init(0), cl::Hidden,
145     cl::desc("A flag that overrides the target's number of vector registers."));
146
147 /// Maximum vectorization interleave count.
148 static const unsigned MaxInterleaveFactor = 16;
149
150 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor(
151     "force-target-max-scalar-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
152     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
153              "scalar loops."));
154
155 static cl::opt<unsigned> ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor(
156     "force-target-max-vector-interleave", cl::init(0), cl::Hidden,
157     cl::desc("A flag that overrides the target's max interleave factor for "
158              "vectorized loops."));
159
160 static cl::opt<unsigned> ForceTargetInstructionCost(
161     "force-target-instruction-cost", cl::init(0), cl::Hidden,
162     cl::desc("A flag that overrides the target's expected cost for "
163              "an instruction to a single constant value. Mostly "
164              "useful for getting consistent testing."));
165
166 static cl::opt<unsigned> SmallLoopCost(
167     "small-loop-cost", cl::init(20), cl::Hidden,
168     cl::desc("The cost of a loop that is considered 'small' by the unroller."));
169
170 static cl::opt<bool> LoopVectorizeWithBlockFrequency(
171     "loop-vectorize-with-block-frequency", cl::init(false), cl::Hidden,
172     cl::desc("Enable the use of the block frequency analysis to access PGO "
173              "heuristics minimizing code growth in cold regions and being more "
174              "aggressive in hot regions."));
175
176 // Runtime unroll loops for load/store throughput.
177 static cl::opt<bool> EnableLoadStoreRuntimeUnroll(
178     "enable-loadstore-runtime-unroll", cl::init(true), cl::Hidden,
179     cl::desc("Enable runtime unrolling until load/store ports are saturated"));
180
181 /// The number of stores in a loop that are allowed to need predication.
182 static cl::opt<unsigned> NumberOfStoresToPredicate(
183     "vectorize-num-stores-pred", cl::init(1), cl::Hidden,
184     cl::desc("Max number of stores to be predicated behind an if."));
185
186 static cl::opt<bool> EnableIndVarRegisterHeur(
187     "enable-ind-var-reg-heur", cl::init(true), cl::Hidden,
188     cl::desc("Count the induction variable only once when unrolling"));
189
190 static cl::opt<bool> EnableCondStoresVectorization(
191     "enable-cond-stores-vec", cl::init(false), cl::Hidden,
192     cl::desc("Enable if predication of stores during vectorization."));
193
194 static cl::opt<unsigned> MaxNestedScalarReductionUF(
195     "max-nested-scalar-reduction-unroll", cl::init(2), cl::Hidden,
196     cl::desc("The maximum unroll factor to use when unrolling a scalar "
197              "reduction in a nested loop."));
198
199 namespace {
200
201 // Forward declarations.
202 class LoopVectorizationLegality;
203 class LoopVectorizationCostModel;
204 class LoopVectorizeHints;
205
206 /// \brief This modifies LoopAccessReport to initialize message with
207 /// loop-vectorizer-specific part.
208 class VectorizationReport : public LoopAccessReport {
209 public:
210   VectorizationReport(Instruction *I = nullptr)
211       : LoopAccessReport("loop not vectorized: ", I) {}
212
213   /// \brief This allows promotion of the loop-access analysis report into the
214   /// loop-vectorizer report.  It modifies the message to add the
215   /// loop-vectorizer-specific part of the message.
216   explicit VectorizationReport(const LoopAccessReport &R)
217       : LoopAccessReport(Twine("loop not vectorized: ") + R.str(),
218                          R.getInstr()) {}
219 };
220
221 /// A helper function for converting Scalar types to vector types.
222 /// If the incoming type is void, we return void. If the VF is 1, we return
223 /// the scalar type.
224 static Type* ToVectorTy(Type *Scalar, unsigned VF) {
225   if (Scalar->isVoidTy() || VF == 1)
226     return Scalar;
227   return VectorType::get(Scalar, VF);
228 }
229
230 /// InnerLoopVectorizer vectorizes loops which contain only one basic
231 /// block to a specified vectorization factor (VF).
232 /// This class performs the widening of scalars into vectors, or multiple
233 /// scalars. This class also implements the following features:
234 /// * It inserts an epilogue loop for handling loops that don't have iteration
235 ///   counts that are known to be a multiple of the vectorization factor.
236 /// * It handles the code generation for reduction variables.
237 /// * Scalarization (implementation using scalars) of un-vectorizable
238 ///   instructions.
239 /// InnerLoopVectorizer does not perform any vectorization-legality
240 /// checks, and relies on the caller to check for the different legality
241 /// aspects. The InnerLoopVectorizer relies on the
242 /// LoopVectorizationLegality class to provide information about the induction
243 /// and reduction variables that were found to a given vectorization factor.
244 class InnerLoopVectorizer {
245 public:
246   InnerLoopVectorizer(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
247                       DominatorTree *DT, const TargetLibraryInfo *TLI,
248                       const TargetTransformInfo *TTI, unsigned VecWidth,
249                       unsigned UnrollFactor)
250       : OrigLoop(OrigLoop), SE(SE), LI(LI), DT(DT), TLI(TLI), TTI(TTI),
251         VF(VecWidth), UF(UnrollFactor), Builder(SE->getContext()),
252         Induction(nullptr), OldInduction(nullptr), WidenMap(UnrollFactor),
253         Legal(nullptr), AddedSafetyChecks(false) {}
254
255   // Perform the actual loop widening (vectorization).
256   void vectorize(LoopVectorizationLegality *L) {
257     Legal = L;
258     // Create a new empty loop. Unlink the old loop and connect the new one.
259     createEmptyLoop();
260     // Widen each instruction in the old loop to a new one in the new loop.
261     // Use the Legality module to find the induction and reduction variables.
262     vectorizeLoop();
263     // Register the new loop and update the analysis passes.
264     updateAnalysis();
265   }
266
267   // Return true if any runtime check is added.
268   bool IsSafetyChecksAdded() {
269     return AddedSafetyChecks;
270   }
271
272   virtual ~InnerLoopVectorizer() {}
273
274 protected:
275   /// A small list of PHINodes.
276   typedef SmallVector<PHINode*, 4> PhiVector;
277   /// When we unroll loops we have multiple vector values for each scalar.
278   /// This data structure holds the unrolled and vectorized values that
279   /// originated from one scalar instruction.
280   typedef SmallVector<Value*, 2> VectorParts;
281
282   // When we if-convert we need create edge masks. We have to cache values so
283   // that we don't end up with exponential recursion/IR.
284   typedef DenseMap<std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*>,
285                    VectorParts> EdgeMaskCache;
286
287   /// \brief Add checks for strides that where assumed to be 1.
288   ///
289   /// Returns the last check instruction and the first check instruction in the
290   /// pair as (first, last).
291   std::pair<Instruction *, Instruction *> addStrideCheck(Instruction *Loc);
292
293   /// Create an empty loop, based on the loop ranges of the old loop.
294   void createEmptyLoop();
295   /// Copy and widen the instructions from the old loop.
296   virtual void vectorizeLoop();
297
298   /// \brief The Loop exit block may have single value PHI nodes where the
299   /// incoming value is 'Undef'. While vectorizing we only handled real values
300   /// that were defined inside the loop. Here we fix the 'undef case'.
301   /// See PR14725.
302   void fixLCSSAPHIs();
303
304   /// A helper function that computes the predicate of the block BB, assuming
305   /// that the header block of the loop is set to True. It returns the *entry*
306   /// mask for the block BB.
307   VectorParts createBlockInMask(BasicBlock *BB);
308   /// A helper function that computes the predicate of the edge between SRC
309   /// and DST.
310   VectorParts createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst);
311
312   /// A helper function to vectorize a single BB within the innermost loop.
313   void vectorizeBlockInLoop(BasicBlock *BB, PhiVector *PV);
314
315   /// Vectorize a single PHINode in a block. This method handles the induction
316   /// variable canonicalization. It supports both VF = 1 for unrolled loops and
317   /// arbitrary length vectors.
318   void widenPHIInstruction(Instruction *PN, VectorParts &Entry,
319                            unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV);
320
321   /// Insert the new loop to the loop hierarchy and pass manager
322   /// and update the analysis passes.
323   void updateAnalysis();
324
325   /// This instruction is un-vectorizable. Implement it as a sequence
326   /// of scalars. If \p IfPredicateStore is true we need to 'hide' each
327   /// scalarized instruction behind an if block predicated on the control
328   /// dependence of the instruction.
329   virtual void scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
330                                     bool IfPredicateStore=false);
331
332   /// Vectorize Load and Store instructions,
333   virtual void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr);
334
335   /// Create a broadcast instruction. This method generates a broadcast
336   /// instruction (shuffle) for loop invariant values and for the induction
337   /// value. If this is the induction variable then we extend it to N, N+1, ...
338   /// this is needed because each iteration in the loop corresponds to a SIMD
339   /// element.
340   virtual Value *getBroadcastInstrs(Value *V);
341
342   /// This function adds (StartIdx, StartIdx + Step, StartIdx + 2*Step, ...)
343   /// to each vector element of Val. The sequence starts at StartIndex.
344   virtual Value *getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step);
345
346   /// When we go over instructions in the basic block we rely on previous
347   /// values within the current basic block or on loop invariant values.
348   /// When we widen (vectorize) values we place them in the map. If the values
349   /// are not within the map, they have to be loop invariant, so we simply
350   /// broadcast them into a vector.
351   VectorParts &getVectorValue(Value *V);
352
353   /// Generate a shuffle sequence that will reverse the vector Vec.
354   virtual Value *reverseVector(Value *Vec);
355
356   /// This is a helper class that holds the vectorizer state. It maps scalar
357   /// instructions to vector instructions. When the code is 'unrolled' then
358   /// then a single scalar value is mapped to multiple vector parts. The parts
359   /// are stored in the VectorPart type.
360   struct ValueMap {
361     /// C'tor.  UnrollFactor controls the number of vectors ('parts') that
362     /// are mapped.
363     ValueMap(unsigned UnrollFactor) : UF(UnrollFactor) {}
364
365     /// \return True if 'Key' is saved in the Value Map.
366     bool has(Value *Key) const { return MapStorage.count(Key); }
367
368     /// Initializes a new entry in the map. Sets all of the vector parts to the
369     /// save value in 'Val'.
370     /// \return A reference to a vector with splat values.
371     VectorParts &splat(Value *Key, Value *Val) {
372       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
373       Entry.assign(UF, Val);
374       return Entry;
375     }
376
377     ///\return A reference to the value that is stored at 'Key'.
378     VectorParts &get(Value *Key) {
379       VectorParts &Entry = MapStorage[Key];
380       if (Entry.empty())
381         Entry.resize(UF);
382       assert(Entry.size() == UF);
383       return Entry;
384     }
385
386   private:
387     /// The unroll factor. Each entry in the map stores this number of vector
388     /// elements.
389     unsigned UF;
390
391     /// Map storage. We use std::map and not DenseMap because insertions to a
392     /// dense map invalidates its iterators.
393     std::map<Value *, VectorParts> MapStorage;
394   };
395
396   /// The original loop.
397   Loop *OrigLoop;
398   /// Scev analysis to use.
399   ScalarEvolution *SE;
400   /// Loop Info.
401   LoopInfo *LI;
402   /// Dominator Tree.
403   DominatorTree *DT;
404   /// Alias Analysis.
405   AliasAnalysis *AA;
406   /// Target Library Info.
407   const TargetLibraryInfo *TLI;
408   /// Target Transform Info.
409   const TargetTransformInfo *TTI;
410
411   /// The vectorization SIMD factor to use. Each vector will have this many
412   /// vector elements.
413   unsigned VF;
414
415 protected:
416   /// The vectorization unroll factor to use. Each scalar is vectorized to this
417   /// many different vector instructions.
418   unsigned UF;
419
420   /// The builder that we use
421   IRBuilder<> Builder;
422
423   // --- Vectorization state ---
424
425   /// The vector-loop preheader.
426   BasicBlock *LoopVectorPreHeader;
427   /// The scalar-loop preheader.
428   BasicBlock *LoopScalarPreHeader;
429   /// Middle Block between the vector and the scalar.
430   BasicBlock *LoopMiddleBlock;
431   ///The ExitBlock of the scalar loop.
432   BasicBlock *LoopExitBlock;
433   ///The vector loop body.
434   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopVectorBody;
435   ///The scalar loop body.
436   BasicBlock *LoopScalarBody;
437   /// A list of all bypass blocks. The first block is the entry of the loop.
438   SmallVector<BasicBlock *, 4> LoopBypassBlocks;
439
440   /// The new Induction variable which was added to the new block.
441   PHINode *Induction;
442   /// The induction variable of the old basic block.
443   PHINode *OldInduction;
444   /// Holds the extended (to the widest induction type) start index.
445   Value *ExtendedIdx;
446   /// Maps scalars to widened vectors.
447   ValueMap WidenMap;
448   EdgeMaskCache MaskCache;
449
450   LoopVectorizationLegality *Legal;
451
452   // Record whether runtime check is added.
453   bool AddedSafetyChecks;
454 };
455
456 class InnerLoopUnroller : public InnerLoopVectorizer {
457 public:
458   InnerLoopUnroller(Loop *OrigLoop, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
459                     DominatorTree *DT, const TargetLibraryInfo *TLI,
460                     const TargetTransformInfo *TTI, unsigned UnrollFactor)
461       : InnerLoopVectorizer(OrigLoop, SE, LI, DT, TLI, TTI, 1, UnrollFactor) {}
462
463 private:
464   void scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
465                             bool IfPredicateStore = false) override;
466   void vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) override;
467   Value *getBroadcastInstrs(Value *V) override;
468   Value *getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step) override;
469   Value *reverseVector(Value *Vec) override;
470 };
471
472 /// \brief Look for a meaningful debug location on the instruction or it's
473 /// operands.
474 static Instruction *getDebugLocFromInstOrOperands(Instruction *I) {
475   if (!I)
476     return I;
477
478   DebugLoc Empty;
479   if (I->getDebugLoc() != Empty)
480     return I;
481
482   for (User::op_iterator OI = I->op_begin(), OE = I->op_end(); OI != OE; ++OI) {
483     if (Instruction *OpInst = dyn_cast<Instruction>(*OI))
484       if (OpInst->getDebugLoc() != Empty)
485         return OpInst;
486   }
487
488   return I;
489 }
490
491 /// \brief Set the debug location in the builder using the debug location in the
492 /// instruction.
493 static void setDebugLocFromInst(IRBuilder<> &B, const Value *Ptr) {
494   if (const Instruction *Inst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Ptr))
495     B.SetCurrentDebugLocation(Inst->getDebugLoc());
496   else
497     B.SetCurrentDebugLocation(DebugLoc());
498 }
499
500 #ifndef NDEBUG
501 /// \return string containing a file name and a line # for the given loop.
502 static std::string getDebugLocString(const Loop *L) {
503   std::string Result;
504   if (L) {
505     raw_string_ostream OS(Result);
506     const DebugLoc LoopDbgLoc = L->getStartLoc();
507     if (!LoopDbgLoc.isUnknown())
508       LoopDbgLoc.print(OS);
509     else
510       // Just print the module name.
511       OS << L->getHeader()->getParent()->getParent()->getModuleIdentifier();
512     OS.flush();
513   }
514   return Result;
515 }
516 #endif
517
518 /// \brief Propagate known metadata from one instruction to another.
519 static void propagateMetadata(Instruction *To, const Instruction *From) {
520   SmallVector<std::pair<unsigned, MDNode *>, 4> Metadata;
521   From->getAllMetadataOtherThanDebugLoc(Metadata);
522
523   for (auto M : Metadata) {
524     unsigned Kind = M.first;
525
526     // These are safe to transfer (this is safe for TBAA, even when we
527     // if-convert, because should that metadata have had a control dependency
528     // on the condition, and thus actually aliased with some other
529     // non-speculated memory access when the condition was false, this would be
530     // caught by the runtime overlap checks).
531     if (Kind != LLVMContext::MD_tbaa &&
532         Kind != LLVMContext::MD_alias_scope &&
533         Kind != LLVMContext::MD_noalias &&
534         Kind != LLVMContext::MD_fpmath)
535       continue;
536
537     To->setMetadata(Kind, M.second);
538   }
539 }
540
541 /// \brief Propagate known metadata from one instruction to a vector of others.
542 static void propagateMetadata(SmallVectorImpl<Value *> &To, const Instruction *From) {
543   for (Value *V : To)
544     if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
545       propagateMetadata(I, From);
546 }
547
548 /// LoopVectorizationLegality checks if it is legal to vectorize a loop, and
549 /// to what vectorization factor.
550 /// This class does not look at the profitability of vectorization, only the
551 /// legality. This class has two main kinds of checks:
552 /// * Memory checks - The code in canVectorizeMemory checks if vectorization
553 ///   will change the order of memory accesses in a way that will change the
554 ///   correctness of the program.
555 /// * Scalars checks - The code in canVectorizeInstrs and canVectorizeMemory
556 /// checks for a number of different conditions, such as the availability of a
557 /// single induction variable, that all types are supported and vectorize-able,
558 /// etc. This code reflects the capabilities of InnerLoopVectorizer.
559 /// This class is also used by InnerLoopVectorizer for identifying
560 /// induction variable and the different reduction variables.
561 class LoopVectorizationLegality {
562 public:
563   LoopVectorizationLegality(Loop *L, ScalarEvolution *SE, DominatorTree *DT,
564                             TargetLibraryInfo *TLI, AliasAnalysis *AA,
565                             Function *F, const TargetTransformInfo *TTI,
566                             LoopAccessAnalysis *LAA)
567       : NumPredStores(0), TheLoop(L), SE(SE), TLI(TLI), TheFunction(F),
568         TTI(TTI), DT(DT), LAA(LAA), LAI(nullptr), Induction(nullptr),
569         WidestIndTy(nullptr), HasFunNoNaNAttr(false) {}
570
571   /// This enum represents the kinds of reductions that we support.
572   enum ReductionKind {
573     RK_NoReduction, ///< Not a reduction.
574     RK_IntegerAdd,  ///< Sum of integers.
575     RK_IntegerMult, ///< Product of integers.
576     RK_IntegerOr,   ///< Bitwise or logical OR of numbers.
577     RK_IntegerAnd,  ///< Bitwise or logical AND of numbers.
578     RK_IntegerXor,  ///< Bitwise or logical XOR of numbers.
579     RK_IntegerMinMax, ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
580     RK_FloatAdd,    ///< Sum of floats.
581     RK_FloatMult,   ///< Product of floats.
582     RK_FloatMinMax  ///< Min/max implemented in terms of select(cmp()).
583   };
584
585   /// This enum represents the kinds of inductions that we support.
586   enum InductionKind {
587     IK_NoInduction,  ///< Not an induction variable.
588     IK_IntInduction, ///< Integer induction variable. Step = C.
589     IK_PtrInduction  ///< Pointer induction var. Step = C / sizeof(elem).
590   };
591
592   // This enum represents the kind of minmax reduction.
593   enum MinMaxReductionKind {
594     MRK_Invalid,
595     MRK_UIntMin,
596     MRK_UIntMax,
597     MRK_SIntMin,
598     MRK_SIntMax,
599     MRK_FloatMin,
600     MRK_FloatMax
601   };
602
603   /// This struct holds information about reduction variables.
604   struct ReductionDescriptor {
605     ReductionDescriptor() : StartValue(nullptr), LoopExitInstr(nullptr),
606       Kind(RK_NoReduction), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
607
608     ReductionDescriptor(Value *Start, Instruction *Exit, ReductionKind K,
609                         MinMaxReductionKind MK)
610         : StartValue(Start), LoopExitInstr(Exit), Kind(K), MinMaxKind(MK) {}
611
612     // The starting value of the reduction.
613     // It does not have to be zero!
614     TrackingVH<Value> StartValue;
615     // The instruction who's value is used outside the loop.
616     Instruction *LoopExitInstr;
617     // The kind of the reduction.
618     ReductionKind Kind;
619     // If this a min/max reduction the kind of reduction.
620     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
621   };
622
623   /// This POD struct holds information about a potential reduction operation.
624   struct ReductionInstDesc {
625     ReductionInstDesc(bool IsRedux, Instruction *I) :
626       IsReduction(IsRedux), PatternLastInst(I), MinMaxKind(MRK_Invalid) {}
627
628     ReductionInstDesc(Instruction *I, MinMaxReductionKind K) :
629       IsReduction(true), PatternLastInst(I), MinMaxKind(K) {}
630
631     // Is this instruction a reduction candidate.
632     bool IsReduction;
633     // The last instruction in a min/max pattern (select of the select(icmp())
634     // pattern), or the current reduction instruction otherwise.
635     Instruction *PatternLastInst;
636     // If this is a min/max pattern the comparison predicate.
637     MinMaxReductionKind MinMaxKind;
638   };
639
640   /// A struct for saving information about induction variables.
641   struct InductionInfo {
642     InductionInfo(Value *Start, InductionKind K, ConstantInt *Step)
643         : StartValue(Start), IK(K), StepValue(Step) {
644       assert(IK != IK_NoInduction && "Not an induction");
645       assert(StartValue && "StartValue is null");
646       assert(StepValue && !StepValue->isZero() && "StepValue is zero");
647       assert((IK != IK_PtrInduction || StartValue->getType()->isPointerTy()) &&
648              "StartValue is not a pointer for pointer induction");
649       assert((IK != IK_IntInduction || StartValue->getType()->isIntegerTy()) &&
650              "StartValue is not an integer for integer induction");
651       assert(StepValue->getType()->isIntegerTy() &&
652              "StepValue is not an integer");
653     }
654     InductionInfo()
655         : StartValue(nullptr), IK(IK_NoInduction), StepValue(nullptr) {}
656
657     /// Get the consecutive direction. Returns:
658     ///   0 - unknown or non-consecutive.
659     ///   1 - consecutive and increasing.
660     ///  -1 - consecutive and decreasing.
661     int getConsecutiveDirection() const {
662       if (StepValue && (StepValue->isOne() || StepValue->isMinusOne()))
663         return StepValue->getSExtValue();
664       return 0;
665     }
666
667     /// Compute the transformed value of Index at offset StartValue using step
668     /// StepValue.
669     /// For integer induction, returns StartValue + Index * StepValue.
670     /// For pointer induction, returns StartValue[Index * StepValue].
671     /// FIXME: The newly created binary instructions should contain nsw/nuw
672     /// flags, which can be found from the original scalar operations.
673     Value *transform(IRBuilder<> &B, Value *Index) const {
674       switch (IK) {
675       case IK_IntInduction:
676         assert(Index->getType() == StartValue->getType() &&
677                "Index type does not match StartValue type");
678         if (StepValue->isMinusOne())
679           return B.CreateSub(StartValue, Index);
680         if (!StepValue->isOne())
681           Index = B.CreateMul(Index, StepValue);
682         return B.CreateAdd(StartValue, Index);
683
684       case IK_PtrInduction:
685         if (StepValue->isMinusOne())
686           Index = B.CreateNeg(Index);
687         else if (!StepValue->isOne())
688           Index = B.CreateMul(Index, StepValue);
689         return B.CreateGEP(StartValue, Index);
690
691       case IK_NoInduction:
692         return nullptr;
693       }
694       llvm_unreachable("invalid enum");
695     }
696
697     /// Start value.
698     TrackingVH<Value> StartValue;
699     /// Induction kind.
700     InductionKind IK;
701     /// Step value.
702     ConstantInt *StepValue;
703   };
704
705   /// ReductionList contains the reduction descriptors for all
706   /// of the reductions that were found in the loop.
707   typedef DenseMap<PHINode*, ReductionDescriptor> ReductionList;
708
709   /// InductionList saves induction variables and maps them to the
710   /// induction descriptor.
711   typedef MapVector<PHINode*, InductionInfo> InductionList;
712
713   /// Returns true if it is legal to vectorize this loop.
714   /// This does not mean that it is profitable to vectorize this
715   /// loop, only that it is legal to do so.
716   bool canVectorize();
717
718   /// Returns the Induction variable.
719   PHINode *getInduction() { return Induction; }
720
721   /// Returns the reduction variables found in the loop.
722   ReductionList *getReductionVars() { return &Reductions; }
723
724   /// Returns the induction variables found in the loop.
725   InductionList *getInductionVars() { return &Inductions; }
726
727   /// Returns the widest induction type.
728   Type *getWidestInductionType() { return WidestIndTy; }
729
730   /// Returns True if V is an induction variable in this loop.
731   bool isInductionVariable(const Value *V);
732
733   /// Return true if the block BB needs to be predicated in order for the loop
734   /// to be vectorized.
735   bool blockNeedsPredication(BasicBlock *BB);
736
737   /// Check if this  pointer is consecutive when vectorizing. This happens
738   /// when the last index of the GEP is the induction variable, or that the
739   /// pointer itself is an induction variable.
740   /// This check allows us to vectorize A[idx] into a wide load/store.
741   /// Returns:
742   /// 0 - Stride is unknown or non-consecutive.
743   /// 1 - Address is consecutive.
744   /// -1 - Address is consecutive, and decreasing.
745   int isConsecutivePtr(Value *Ptr);
746
747   /// Returns true if the value V is uniform within the loop.
748   bool isUniform(Value *V);
749
750   /// Returns true if this instruction will remain scalar after vectorization.
751   bool isUniformAfterVectorization(Instruction* I) { return Uniforms.count(I); }
752
753   /// Returns the information that we collected about runtime memory check.
754   const LoopAccessInfo::RuntimePointerCheck *getRuntimePointerCheck() const {
755     return LAI->getRuntimePointerCheck();
756   }
757
758   const LoopAccessInfo *getLAI() const {
759     return LAI;
760   }
761
762   /// This function returns the identity element (or neutral element) for
763   /// the operation K.
764   static Constant *getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp);
765
766   unsigned getMaxSafeDepDistBytes() { return LAI->getMaxSafeDepDistBytes(); }
767
768   bool hasStride(Value *V) { return StrideSet.count(V); }
769   bool mustCheckStrides() { return !StrideSet.empty(); }
770   SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator strides_begin() {
771     return StrideSet.begin();
772   }
773   SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator strides_end() { return StrideSet.end(); }
774
775   /// Returns true if the target machine supports masked store operation
776   /// for the given \p DataType and kind of access to \p Ptr.
777   bool isLegalMaskedStore(Type *DataType, Value *Ptr) {
778     return TTI->isLegalMaskedStore(DataType, isConsecutivePtr(Ptr));
779   }
780   /// Returns true if the target machine supports masked load operation
781   /// for the given \p DataType and kind of access to \p Ptr.
782   bool isLegalMaskedLoad(Type *DataType, Value *Ptr) {
783     return TTI->isLegalMaskedLoad(DataType, isConsecutivePtr(Ptr));
784   }
785   /// Returns true if vector representation of the instruction \p I
786   /// requires mask.
787   bool isMaskRequired(const Instruction* I) {
788     return (MaskedOp.count(I) != 0);
789   }
790   unsigned getNumStores() const {
791     return LAI->getNumStores();
792   }
793   unsigned getNumLoads() const {
794     return LAI->getNumLoads();
795   }
796   unsigned getNumPredStores() const {
797     return NumPredStores;
798   }
799 private:
800   /// Check if a single basic block loop is vectorizable.
801   /// At this point we know that this is a loop with a constant trip count
802   /// and we only need to check individual instructions.
803   bool canVectorizeInstrs();
804
805   /// When we vectorize loops we may change the order in which
806   /// we read and write from memory. This method checks if it is
807   /// legal to vectorize the code, considering only memory constrains.
808   /// Returns true if the loop is vectorizable
809   bool canVectorizeMemory();
810
811   /// Return true if we can vectorize this loop using the IF-conversion
812   /// transformation.
813   bool canVectorizeWithIfConvert();
814
815   /// Collect the variables that need to stay uniform after vectorization.
816   void collectLoopUniforms();
817
818   /// Return true if all of the instructions in the block can be speculatively
819   /// executed. \p SafePtrs is a list of addresses that are known to be legal
820   /// and we know that we can read from them without segfault.
821   bool blockCanBePredicated(BasicBlock *BB, SmallPtrSetImpl<Value *> &SafePtrs);
822
823   /// Returns True, if 'Phi' is the kind of reduction variable for type
824   /// 'Kind'. If this is a reduction variable, it adds it to ReductionList.
825   bool AddReductionVar(PHINode *Phi, ReductionKind Kind);
826   /// Returns a struct describing if the instruction 'I' can be a reduction
827   /// variable of type 'Kind'. If the reduction is a min/max pattern of
828   /// select(icmp()) this function advances the instruction pointer 'I' from the
829   /// compare instruction to the select instruction and stores this pointer in
830   /// 'PatternLastInst' member of the returned struct.
831   ReductionInstDesc isReductionInstr(Instruction *I, ReductionKind Kind,
832                                      ReductionInstDesc &Desc);
833   /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
834   /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
835   static ReductionInstDesc isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
836                                                     ReductionInstDesc &Prev);
837   /// Returns the induction kind of Phi and record the step. This function may
838   /// return NoInduction if the PHI is not an induction variable.
839   InductionKind isInductionVariable(PHINode *Phi, ConstantInt *&StepValue);
840
841   /// \brief Collect memory access with loop invariant strides.
842   ///
843   /// Looks for accesses like "a[i * StrideA]" where "StrideA" is loop
844   /// invariant.
845   void collectStridedAccess(Value *LoadOrStoreInst);
846
847   /// Report an analysis message to assist the user in diagnosing loops that are
848   /// not vectorized.  These are handled as LoopAccessReport rather than
849   /// VectorizationReport because the << operator of VectorizationReport returns
850   /// LoopAccessReport.
851   void emitAnalysis(const LoopAccessReport &Message) {
852     LoopAccessReport::emitAnalysis(Message, TheFunction, TheLoop, LV_NAME);
853   }
854
855   unsigned NumPredStores;
856
857   /// The loop that we evaluate.
858   Loop *TheLoop;
859   /// Scev analysis.
860   ScalarEvolution *SE;
861   /// Target Library Info.
862   TargetLibraryInfo *TLI;
863   /// Parent function
864   Function *TheFunction;
865   /// Target Transform Info
866   const TargetTransformInfo *TTI;
867   /// Dominator Tree.
868   DominatorTree *DT;
869   // LoopAccess analysis.
870   LoopAccessAnalysis *LAA;
871   // And the loop-accesses info corresponding to this loop.  This pointer is
872   // null until canVectorizeMemory sets it up.
873   const LoopAccessInfo *LAI;
874
875   //  ---  vectorization state --- //
876
877   /// Holds the integer induction variable. This is the counter of the
878   /// loop.
879   PHINode *Induction;
880   /// Holds the reduction variables.
881   ReductionList Reductions;
882   /// Holds all of the induction variables that we found in the loop.
883   /// Notice that inductions don't need to start at zero and that induction
884   /// variables can be pointers.
885   InductionList Inductions;
886   /// Holds the widest induction type encountered.
887   Type *WidestIndTy;
888
889   /// Allowed outside users. This holds the reduction
890   /// vars which can be accessed from outside the loop.
891   SmallPtrSet<Value*, 4> AllowedExit;
892   /// This set holds the variables which are known to be uniform after
893   /// vectorization.
894   SmallPtrSet<Instruction*, 4> Uniforms;
895
896   /// Can we assume the absence of NaNs.
897   bool HasFunNoNaNAttr;
898
899   ValueToValueMap Strides;
900   SmallPtrSet<Value *, 8> StrideSet;
901
902   /// While vectorizing these instructions we have to generate a
903   /// call to the appropriate masked intrinsic
904   SmallPtrSet<const Instruction*, 8> MaskedOp;
905 };
906
907 /// LoopVectorizationCostModel - estimates the expected speedups due to
908 /// vectorization.
909 /// In many cases vectorization is not profitable. This can happen because of
910 /// a number of reasons. In this class we mainly attempt to predict the
911 /// expected speedup/slowdowns due to the supported instruction set. We use the
912 /// TargetTransformInfo to query the different backends for the cost of
913 /// different operations.
914 class LoopVectorizationCostModel {
915 public:
916   LoopVectorizationCostModel(Loop *L, ScalarEvolution *SE, LoopInfo *LI,
917                              LoopVectorizationLegality *Legal,
918                              const TargetTransformInfo &TTI,
919                              const TargetLibraryInfo *TLI, AssumptionCache *AC,
920                              const Function *F, const LoopVectorizeHints *Hints)
921       : TheLoop(L), SE(SE), LI(LI), Legal(Legal), TTI(TTI), TLI(TLI),
922         TheFunction(F), Hints(Hints) {
923     CodeMetrics::collectEphemeralValues(L, AC, EphValues);
924   }
925
926   /// Information about vectorization costs
927   struct VectorizationFactor {
928     unsigned Width; // Vector width with best cost
929     unsigned Cost; // Cost of the loop with that width
930   };
931   /// \return The most profitable vectorization factor and the cost of that VF.
932   /// This method checks every power of two up to VF. If UserVF is not ZERO
933   /// then this vectorization factor will be selected if vectorization is
934   /// possible.
935   VectorizationFactor selectVectorizationFactor(bool OptForSize);
936
937   /// \return The size (in bits) of the widest type in the code that
938   /// needs to be vectorized. We ignore values that remain scalar such as
939   /// 64 bit loop indices.
940   unsigned getWidestType();
941
942   /// \return The most profitable unroll factor.
943   /// If UserUF is non-zero then this method finds the best unroll-factor
944   /// based on register pressure and other parameters.
945   /// VF and LoopCost are the selected vectorization factor and the cost of the
946   /// selected VF.
947   unsigned selectUnrollFactor(bool OptForSize, unsigned VF, unsigned LoopCost);
948
949   /// \brief A struct that represents some properties of the register usage
950   /// of a loop.
951   struct RegisterUsage {
952     /// Holds the number of loop invariant values that are used in the loop.
953     unsigned LoopInvariantRegs;
954     /// Holds the maximum number of concurrent live intervals in the loop.
955     unsigned MaxLocalUsers;
956     /// Holds the number of instructions in the loop.
957     unsigned NumInstructions;
958   };
959
960   /// \return  information about the register usage of the loop.
961   RegisterUsage calculateRegisterUsage();
962
963 private:
964   /// Returns the expected execution cost. The unit of the cost does
965   /// not matter because we use the 'cost' units to compare different
966   /// vector widths. The cost that is returned is *not* normalized by
967   /// the factor width.
968   unsigned expectedCost(unsigned VF);
969
970   /// Returns the execution time cost of an instruction for a given vector
971   /// width. Vector width of one means scalar.
972   unsigned getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF);
973
974   /// Returns whether the instruction is a load or store and will be a emitted
975   /// as a vector operation.
976   bool isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *I);
977
978   /// Report an analysis message to assist the user in diagnosing loops that are
979   /// not vectorized.  These are handled as LoopAccessReport rather than
980   /// VectorizationReport because the << operator of VectorizationReport returns
981   /// LoopAccessReport.
982   void emitAnalysis(const LoopAccessReport &Message) {
983     LoopAccessReport::emitAnalysis(Message, TheFunction, TheLoop, LV_NAME);
984   }
985
986   /// Values used only by @llvm.assume calls.
987   SmallPtrSet<const Value *, 32> EphValues;
988
989   /// The loop that we evaluate.
990   Loop *TheLoop;
991   /// Scev analysis.
992   ScalarEvolution *SE;
993   /// Loop Info analysis.
994   LoopInfo *LI;
995   /// Vectorization legality.
996   LoopVectorizationLegality *Legal;
997   /// Vector target information.
998   const TargetTransformInfo &TTI;
999   /// Target Library Info.
1000   const TargetLibraryInfo *TLI;
1001   const Function *TheFunction;
1002   // Loop Vectorize Hint.
1003   const LoopVectorizeHints *Hints;
1004 };
1005
1006 /// Utility class for getting and setting loop vectorizer hints in the form
1007 /// of loop metadata.
1008 /// This class keeps a number of loop annotations locally (as member variables)
1009 /// and can, upon request, write them back as metadata on the loop. It will
1010 /// initially scan the loop for existing metadata, and will update the local
1011 /// values based on information in the loop.
1012 /// We cannot write all values to metadata, as the mere presence of some info,
1013 /// for example 'force', means a decision has been made. So, we need to be
1014 /// careful NOT to add them if the user hasn't specifically asked so.
1015 class LoopVectorizeHints {
1016   enum HintKind {
1017     HK_WIDTH,
1018     HK_UNROLL,
1019     HK_FORCE
1020   };
1021
1022   /// Hint - associates name and validation with the hint value.
1023   struct Hint {
1024     const char * Name;
1025     unsigned Value; // This may have to change for non-numeric values.
1026     HintKind Kind;
1027
1028     Hint(const char * Name, unsigned Value, HintKind Kind)
1029       : Name(Name), Value(Value), Kind(Kind) { }
1030
1031     bool validate(unsigned Val) {
1032       switch (Kind) {
1033       case HK_WIDTH:
1034         return isPowerOf2_32(Val) && Val <= VectorizerParams::MaxVectorWidth;
1035       case HK_UNROLL:
1036         return isPowerOf2_32(Val) && Val <= MaxInterleaveFactor;
1037       case HK_FORCE:
1038         return (Val <= 1);
1039       }
1040       return false;
1041     }
1042   };
1043
1044   /// Vectorization width.
1045   Hint Width;
1046   /// Vectorization interleave factor.
1047   Hint Interleave;
1048   /// Vectorization forced
1049   Hint Force;
1050
1051   /// Return the loop metadata prefix.
1052   static StringRef Prefix() { return "llvm.loop."; }
1053
1054 public:
1055   enum ForceKind {
1056     FK_Undefined = -1, ///< Not selected.
1057     FK_Disabled = 0,   ///< Forcing disabled.
1058     FK_Enabled = 1,    ///< Forcing enabled.
1059   };
1060
1061   LoopVectorizeHints(const Loop *L, bool DisableInterleaving)
1062       : Width("vectorize.width", VectorizerParams::VectorizationFactor,
1063               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 (VectorizerParams::isInterleaveForced())
1072       Interleave.Value = VectorizerParams::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     VectorizationReport 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   LoopInfo *LI;
1264   TargetTransformInfo *TTI;
1265   DominatorTree *DT;
1266   BlockFrequencyInfo *BFI;
1267   TargetLibraryInfo *TLI;
1268   AliasAnalysis *AA;
1269   AssumptionCache *AC;
1270   LoopAccessAnalysis *LAA;
1271   bool DisableUnrolling;
1272   bool AlwaysVectorize;
1273
1274   BlockFrequency ColdEntryFreq;
1275
1276   bool runOnFunction(Function &F) override {
1277     SE = &getAnalysis<ScalarEvolution>();
1278     LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
1279     TTI = &getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(F);
1280     DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1281     BFI = &getAnalysis<BlockFrequencyInfo>();
1282     auto *TLIP = getAnalysisIfAvailable<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
1283     TLI = TLIP ? &TLIP->getTLI() : nullptr;
1284     AA = &getAnalysis<AliasAnalysis>();
1285     AC = &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F);
1286     LAA = &getAnalysis<LoopAccessAnalysis>();
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     // Build up a worklist of inner-loops to vectorize. This is necessary as
1299     // the act of vectorizing or partially unrolling a loop creates new loops
1300     // and can invalidate iterators across the loops.
1301     SmallVector<Loop *, 8> Worklist;
1302
1303     for (Loop *L : *LI)
1304       addInnerLoop(*L, Worklist);
1305
1306     LoopsAnalyzed += Worklist.size();
1307
1308     // Now walk the identified inner loops.
1309     bool Changed = false;
1310     while (!Worklist.empty())
1311       Changed |= processLoop(Worklist.pop_back_val());
1312
1313     // Process each loop nest in the function.
1314     return Changed;
1315   }
1316
1317   static void AddRuntimeUnrollDisableMetaData(Loop *L) {
1318     SmallVector<Metadata *, 4> MDs;
1319     // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
1320     MDs.push_back(nullptr);
1321     bool IsUnrollMetadata = false;
1322     MDNode *LoopID = L->getLoopID();
1323     if (LoopID) {
1324       // First find existing loop unrolling disable metadata.
1325       for (unsigned i = 1, ie = LoopID->getNumOperands(); i < ie; ++i) {
1326         MDNode *MD = dyn_cast<MDNode>(LoopID->getOperand(i));
1327         if (MD) {
1328           const MDString *S = dyn_cast<MDString>(MD->getOperand(0));
1329           IsUnrollMetadata =
1330               S && S->getString().startswith("llvm.loop.unroll.disable");
1331         }
1332         MDs.push_back(LoopID->getOperand(i));
1333       }
1334     }
1335
1336     if (!IsUnrollMetadata) {
1337       // Add runtime unroll disable metadata.
1338       LLVMContext &Context = L->getHeader()->getContext();
1339       SmallVector<Metadata *, 1> DisableOperands;
1340       DisableOperands.push_back(
1341           MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.runtime.disable"));
1342       MDNode *DisableNode = MDNode::get(Context, DisableOperands);
1343       MDs.push_back(DisableNode);
1344       MDNode *NewLoopID = MDNode::get(Context, MDs);
1345       // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
1346       NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
1347       L->setLoopID(NewLoopID);
1348     }
1349   }
1350
1351   bool processLoop(Loop *L) {
1352     assert(L->empty() && "Only process inner loops.");
1353
1354 #ifndef NDEBUG
1355     const std::string DebugLocStr = getDebugLocString(L);
1356 #endif /* NDEBUG */
1357
1358     DEBUG(dbgs() << "\nLV: Checking a loop in \""
1359                  << L->getHeader()->getParent()->getName() << "\" from "
1360                  << DebugLocStr << "\n");
1361
1362     LoopVectorizeHints Hints(L, DisableUnrolling);
1363
1364     DEBUG(dbgs() << "LV: Loop hints:"
1365                  << " force="
1366                  << (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled
1367                          ? "disabled"
1368                          : (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled
1369                                 ? "enabled"
1370                                 : "?")) << " width=" << Hints.getWidth()
1371                  << " unroll=" << Hints.getInterleave() << "\n");
1372
1373     // Function containing loop
1374     Function *F = L->getHeader()->getParent();
1375
1376     // Looking at the diagnostic output is the only way to determine if a loop
1377     // was vectorized (other than looking at the IR or machine code), so it
1378     // is important to generate an optimization remark for each loop. Most of
1379     // these messages are generated by emitOptimizationRemarkAnalysis. Remarks
1380     // generated by emitOptimizationRemark and emitOptimizationRemarkMissed are
1381     // less verbose reporting vectorized loops and unvectorized loops that may
1382     // benefit from vectorization, respectively.
1383
1384     if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Disabled) {
1385       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: #pragma vectorize disable.\n");
1386       emitOptimizationRemarkAnalysis(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1387                                      L->getStartLoc(), Hints.emitRemark());
1388       return false;
1389     }
1390
1391     if (!AlwaysVectorize && Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled) {
1392       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: No #pragma vectorize enable.\n");
1393       emitOptimizationRemarkAnalysis(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F,
1394                                      L->getStartLoc(), Hints.emitRemark());
1395       return false;
1396     }
1397
1398     if (Hints.getWidth() == 1 && Hints.getInterleave() == 1) {
1399       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Disabled/already vectorized.\n");
1400       emitOptimizationRemarkAnalysis(
1401           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1402           "loop not vectorized: vector width and interleave count are "
1403           "explicitly set to 1");
1404       return false;
1405     }
1406
1407     // Check the loop for a trip count threshold:
1408     // do not vectorize loops with a tiny trip count.
1409     const unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(L);
1410     if (TC > 0u && TC < TinyTripCountVectorThreshold) {
1411       DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop with a very small trip count. "
1412                    << "This loop is not worth vectorizing.");
1413       if (Hints.getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled)
1414         DEBUG(dbgs() << " But vectorizing was explicitly forced.\n");
1415       else {
1416         DEBUG(dbgs() << "\n");
1417         emitOptimizationRemarkAnalysis(
1418             F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1419             "vectorization is not beneficial and is not explicitly forced");
1420         return false;
1421       }
1422     }
1423
1424     // Check if it is legal to vectorize the loop.
1425     LoopVectorizationLegality LVL(L, SE, DT, TLI, AA, F, TTI, LAA);
1426     if (!LVL.canVectorize()) {
1427       DEBUG(dbgs() << "LV: Not vectorizing: Cannot prove legality.\n");
1428       emitMissedWarning(F, L, Hints);
1429       return false;
1430     }
1431
1432     // Use the cost model.
1433     LoopVectorizationCostModel CM(L, SE, LI, &LVL, *TTI, TLI, AC, F, &Hints);
1434
1435     // Check the function attributes to find out if this function should be
1436     // optimized for size.
1437     bool OptForSize = Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled &&
1438                       F->hasFnAttribute(Attribute::OptimizeForSize);
1439
1440     // Compute the weighted frequency of this loop being executed and see if it
1441     // is less than 20% of the function entry baseline frequency. Note that we
1442     // always have a canonical loop here because we think we *can* vectoriez.
1443     // FIXME: This is hidden behind a flag due to pervasive problems with
1444     // exactly what block frequency models.
1445     if (LoopVectorizeWithBlockFrequency) {
1446       BlockFrequency LoopEntryFreq = BFI->getBlockFreq(L->getLoopPreheader());
1447       if (Hints.getForce() != LoopVectorizeHints::FK_Enabled &&
1448           LoopEntryFreq < ColdEntryFreq)
1449         OptForSize = true;
1450     }
1451
1452     // Check the function attributes to see if implicit floats are allowed.a
1453     // FIXME: This check doesn't seem possibly correct -- what if the loop is
1454     // an integer loop and the vector instructions selected are purely integer
1455     // vector instructions?
1456     if (F->hasFnAttribute(Attribute::NoImplicitFloat)) {
1457       DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize when the NoImplicitFloat"
1458             "attribute is used.\n");
1459       emitOptimizationRemarkAnalysis(
1460           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1461           "loop not vectorized due to NoImplicitFloat attribute");
1462       emitMissedWarning(F, L, Hints);
1463       return false;
1464     }
1465
1466     // Select the optimal vectorization factor.
1467     const LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor VF =
1468         CM.selectVectorizationFactor(OptForSize);
1469
1470     // Select the unroll factor.
1471     const unsigned UF =
1472         CM.selectUnrollFactor(OptForSize, VF.Width, VF.Cost);
1473
1474     DEBUG(dbgs() << "LV: Found a vectorizable loop (" << VF.Width << ") in "
1475                  << DebugLocStr << '\n');
1476     DEBUG(dbgs() << "LV: Unroll Factor is " << UF << '\n');
1477
1478     if (VF.Width == 1) {
1479       DEBUG(dbgs() << "LV: Vectorization is possible but not beneficial\n");
1480
1481       if (UF == 1) {
1482         emitOptimizationRemarkAnalysis(
1483             F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1484             "not beneficial to vectorize and user disabled interleaving");
1485         return false;
1486       }
1487       DEBUG(dbgs() << "LV: Trying to at least unroll the loops.\n");
1488
1489       // Report the unrolling decision.
1490       emitOptimizationRemark(F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1491                              Twine("unrolled with interleaving factor " +
1492                                    Twine(UF) +
1493                                    " (vectorization not beneficial)"));
1494
1495       // We decided not to vectorize, but we may want to unroll.
1496
1497       InnerLoopUnroller Unroller(L, SE, LI, DT, TLI, TTI, UF);
1498       Unroller.vectorize(&LVL);
1499     } else {
1500       // If we decided that it is *legal* to vectorize the loop then do it.
1501       InnerLoopVectorizer LB(L, SE, LI, DT, TLI, TTI, VF.Width, UF);
1502       LB.vectorize(&LVL);
1503       ++LoopsVectorized;
1504
1505       // Add metadata to disable runtime unrolling scalar loop when there's no
1506       // runtime check about strides and memory. Because at this situation,
1507       // scalar loop is rarely used not worthy to be unrolled.
1508       if (!LB.IsSafetyChecksAdded())
1509         AddRuntimeUnrollDisableMetaData(L);
1510
1511       // Report the vectorization decision.
1512       emitOptimizationRemark(
1513           F->getContext(), DEBUG_TYPE, *F, L->getStartLoc(),
1514           Twine("vectorized loop (vectorization factor: ") + Twine(VF.Width) +
1515               ", unrolling interleave factor: " + Twine(UF) + ")");
1516     }
1517
1518     // Mark the loop as already vectorized to avoid vectorizing again.
1519     Hints.setAlreadyVectorized();
1520
1521     DEBUG(verifyFunction(*L->getHeader()->getParent()));
1522     return true;
1523   }
1524
1525   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
1526     AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
1527     AU.addRequiredID(LoopSimplifyID);
1528     AU.addRequiredID(LCSSAID);
1529     AU.addRequired<BlockFrequencyInfo>();
1530     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
1531     AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
1532     AU.addRequired<ScalarEvolution>();
1533     AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
1534     AU.addRequired<AliasAnalysis>();
1535     AU.addRequired<LoopAccessAnalysis>();
1536     AU.addPreserved<LoopInfoWrapperPass>();
1537     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
1538     AU.addPreserved<AliasAnalysis>();
1539   }
1540
1541 };
1542
1543 } // end anonymous namespace
1544
1545 //===----------------------------------------------------------------------===//
1546 // Implementation of LoopVectorizationLegality, InnerLoopVectorizer and
1547 // LoopVectorizationCostModel.
1548 //===----------------------------------------------------------------------===//
1549
1550 Value *InnerLoopVectorizer::getBroadcastInstrs(Value *V) {
1551   // We need to place the broadcast of invariant variables outside the loop.
1552   Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(V);
1553   bool NewInstr =
1554       (Instr && std::find(LoopVectorBody.begin(), LoopVectorBody.end(),
1555                           Instr->getParent()) != LoopVectorBody.end());
1556   bool Invariant = OrigLoop->isLoopInvariant(V) && !NewInstr;
1557
1558   // Place the code for broadcasting invariant variables in the new preheader.
1559   IRBuilder<>::InsertPointGuard Guard(Builder);
1560   if (Invariant)
1561     Builder.SetInsertPoint(LoopVectorPreHeader->getTerminator());
1562
1563   // Broadcast the scalar into all locations in the vector.
1564   Value *Shuf = Builder.CreateVectorSplat(VF, V, "broadcast");
1565
1566   return Shuf;
1567 }
1568
1569 Value *InnerLoopVectorizer::getStepVector(Value *Val, int StartIdx,
1570                                           Value *Step) {
1571   assert(Val->getType()->isVectorTy() && "Must be a vector");
1572   assert(Val->getType()->getScalarType()->isIntegerTy() &&
1573          "Elem must be an integer");
1574   assert(Step->getType() == Val->getType()->getScalarType() &&
1575          "Step has wrong type");
1576   // Create the types.
1577   Type *ITy = Val->getType()->getScalarType();
1578   VectorType *Ty = cast<VectorType>(Val->getType());
1579   int VLen = Ty->getNumElements();
1580   SmallVector<Constant*, 8> Indices;
1581
1582   // Create a vector of consecutive numbers from zero to VF.
1583   for (int i = 0; i < VLen; ++i)
1584     Indices.push_back(ConstantInt::get(ITy, StartIdx + i));
1585
1586   // Add the consecutive indices to the vector value.
1587   Constant *Cv = ConstantVector::get(Indices);
1588   assert(Cv->getType() == Val->getType() && "Invalid consecutive vec");
1589   Step = Builder.CreateVectorSplat(VLen, Step);
1590   assert(Step->getType() == Val->getType() && "Invalid step vec");
1591   // FIXME: The newly created binary instructions should contain nsw/nuw flags,
1592   // which can be found from the original scalar operations.
1593   Step = Builder.CreateMul(Cv, Step);
1594   return Builder.CreateAdd(Val, Step, "induction");
1595 }
1596
1597 /// \brief Find the operand of the GEP that should be checked for consecutive
1598 /// stores. This ignores trailing indices that have no effect on the final
1599 /// pointer.
1600 static unsigned getGEPInductionOperand(const GetElementPtrInst *Gep) {
1601   const DataLayout &DL = Gep->getModule()->getDataLayout();
1602   unsigned LastOperand = Gep->getNumOperands() - 1;
1603   unsigned GEPAllocSize = DL.getTypeAllocSize(
1604       cast<PointerType>(Gep->getType()->getScalarType())->getElementType());
1605
1606   // Walk backwards and try to peel off zeros.
1607   while (LastOperand > 1 && match(Gep->getOperand(LastOperand), m_Zero())) {
1608     // Find the type we're currently indexing into.
1609     gep_type_iterator GEPTI = gep_type_begin(Gep);
1610     std::advance(GEPTI, LastOperand - 1);
1611
1612     // If it's a type with the same allocation size as the result of the GEP we
1613     // can peel off the zero index.
1614     if (DL.getTypeAllocSize(*GEPTI) != GEPAllocSize)
1615       break;
1616     --LastOperand;
1617   }
1618
1619   return LastOperand;
1620 }
1621
1622 int LoopVectorizationLegality::isConsecutivePtr(Value *Ptr) {
1623   assert(Ptr->getType()->isPointerTy() && "Unexpected non-ptr");
1624   // Make sure that the pointer does not point to structs.
1625   if (Ptr->getType()->getPointerElementType()->isAggregateType())
1626     return 0;
1627
1628   // If this value is a pointer induction variable we know it is consecutive.
1629   PHINode *Phi = dyn_cast_or_null<PHINode>(Ptr);
1630   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1631     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1632     return II.getConsecutiveDirection();
1633   }
1634
1635   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast_or_null<GetElementPtrInst>(Ptr);
1636   if (!Gep)
1637     return 0;
1638
1639   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1640   Value *GpPtr = Gep->getPointerOperand();
1641   // If this GEP value is a consecutive pointer induction variable and all of
1642   // the indices are constant then we know it is consecutive. We can
1643   Phi = dyn_cast<PHINode>(GpPtr);
1644   if (Phi && Inductions.count(Phi)) {
1645
1646     // Make sure that the pointer does not point to structs.
1647     PointerType *GepPtrType = cast<PointerType>(GpPtr->getType());
1648     if (GepPtrType->getElementType()->isAggregateType())
1649       return 0;
1650
1651     // Make sure that all of the index operands are loop invariant.
1652     for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i)
1653       if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1654         return 0;
1655
1656     InductionInfo II = Inductions[Phi];
1657     return II.getConsecutiveDirection();
1658   }
1659
1660   unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(Gep);
1661
1662   // Check that all of the gep indices are uniform except for our induction
1663   // operand.
1664   for (unsigned i = 0; i != NumOperands; ++i)
1665     if (i != InductionOperand &&
1666         !SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getOperand(i)), TheLoop))
1667       return 0;
1668
1669   // We can emit wide load/stores only if the last non-zero index is the
1670   // induction variable.
1671   const SCEV *Last = nullptr;
1672   if (!Strides.count(Gep))
1673     Last = SE->getSCEV(Gep->getOperand(InductionOperand));
1674   else {
1675     // Because of the multiplication by a stride we can have a s/zext cast.
1676     // We are going to replace this stride by 1 so the cast is safe to ignore.
1677     //
1678     //  %indvars.iv = phi i64 [ 0, %entry ], [ %indvars.iv.next, %for.body ]
1679     //  %0 = trunc i64 %indvars.iv to i32
1680     //  %mul = mul i32 %0, %Stride1
1681     //  %idxprom = zext i32 %mul to i64  << Safe cast.
1682     //  %arrayidx = getelementptr inbounds i32* %B, i64 %idxprom
1683     //
1684     Last = replaceSymbolicStrideSCEV(SE, Strides,
1685                                      Gep->getOperand(InductionOperand), Gep);
1686     if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(Last))
1687       Last =
1688           (C->getSCEVType() == scSignExtend || C->getSCEVType() == scZeroExtend)
1689               ? C->getOperand()
1690               : Last;
1691   }
1692   if (const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(Last)) {
1693     const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
1694
1695     // The memory is consecutive because the last index is consecutive
1696     // and all other indices are loop invariant.
1697     if (Step->isOne())
1698       return 1;
1699     if (Step->isAllOnesValue())
1700       return -1;
1701   }
1702
1703   return 0;
1704 }
1705
1706 bool LoopVectorizationLegality::isUniform(Value *V) {
1707   return LAI->isUniform(V);
1708 }
1709
1710 InnerLoopVectorizer::VectorParts&
1711 InnerLoopVectorizer::getVectorValue(Value *V) {
1712   assert(V != Induction && "The new induction variable should not be used.");
1713   assert(!V->getType()->isVectorTy() && "Can't widen a vector");
1714
1715   // If we have a stride that is replaced by one, do it here.
1716   if (Legal->hasStride(V))
1717     V = ConstantInt::get(V->getType(), 1);
1718
1719   // If we have this scalar in the map, return it.
1720   if (WidenMap.has(V))
1721     return WidenMap.get(V);
1722
1723   // If this scalar is unknown, assume that it is a constant or that it is
1724   // loop invariant. Broadcast V and save the value for future uses.
1725   Value *B = getBroadcastInstrs(V);
1726   return WidenMap.splat(V, B);
1727 }
1728
1729 Value *InnerLoopVectorizer::reverseVector(Value *Vec) {
1730   assert(Vec->getType()->isVectorTy() && "Invalid type");
1731   SmallVector<Constant*, 8> ShuffleMask;
1732   for (unsigned i = 0; i < VF; ++i)
1733     ShuffleMask.push_back(Builder.getInt32(VF - i - 1));
1734
1735   return Builder.CreateShuffleVector(Vec, UndefValue::get(Vec->getType()),
1736                                      ConstantVector::get(ShuffleMask),
1737                                      "reverse");
1738 }
1739
1740 void InnerLoopVectorizer::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) {
1741   // Attempt to issue a wide load.
1742   LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Instr);
1743   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
1744
1745   assert((LI || SI) && "Invalid Load/Store instruction");
1746
1747   Type *ScalarDataTy = LI ? LI->getType() : SI->getValueOperand()->getType();
1748   Type *DataTy = VectorType::get(ScalarDataTy, VF);
1749   Value *Ptr = LI ? LI->getPointerOperand() : SI->getPointerOperand();
1750   unsigned Alignment = LI ? LI->getAlignment() : SI->getAlignment();
1751   // An alignment of 0 means target abi alignment. We need to use the scalar's
1752   // target abi alignment in such a case.
1753   const DataLayout &DL = Instr->getModule()->getDataLayout();
1754   if (!Alignment)
1755     Alignment = DL.getABITypeAlignment(ScalarDataTy);
1756   unsigned AddressSpace = Ptr->getType()->getPointerAddressSpace();
1757   unsigned ScalarAllocatedSize = DL.getTypeAllocSize(ScalarDataTy);
1758   unsigned VectorElementSize = DL.getTypeStoreSize(DataTy) / VF;
1759
1760   if (SI && Legal->blockNeedsPredication(SI->getParent()) &&
1761       !Legal->isMaskRequired(SI))
1762     return scalarizeInstruction(Instr, true);
1763
1764   if (ScalarAllocatedSize != VectorElementSize)
1765     return scalarizeInstruction(Instr);
1766
1767   // If the pointer is loop invariant or if it is non-consecutive,
1768   // scalarize the load.
1769   int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
1770   bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
1771   bool UniformLoad = LI && Legal->isUniform(Ptr);
1772   if (!ConsecutiveStride || UniformLoad)
1773     return scalarizeInstruction(Instr);
1774
1775   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
1776   VectorParts &Entry = WidenMap.get(Instr);
1777
1778   // Handle consecutive loads/stores.
1779   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
1780   if (Gep && Legal->isInductionVariable(Gep->getPointerOperand())) {
1781     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1782     Value *PtrOperand = Gep->getPointerOperand();
1783     Value *FirstBasePtr = getVectorValue(PtrOperand)[0];
1784     FirstBasePtr = Builder.CreateExtractElement(FirstBasePtr, Zero);
1785
1786     // Create the new GEP with the new induction variable.
1787     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1788     Gep2->setOperand(0, FirstBasePtr);
1789     Gep2->setName("gep.indvar.base");
1790     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1791   } else if (Gep) {
1792     setDebugLocFromInst(Builder, Gep);
1793     assert(SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Gep->getPointerOperand()),
1794                                OrigLoop) && "Base ptr must be invariant");
1795
1796     // The last index does not have to be the induction. It can be
1797     // consecutive and be a function of the index. For example A[I+1];
1798     unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
1799     unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(Gep);
1800     // Create the new GEP with the new induction variable.
1801     GetElementPtrInst *Gep2 = cast<GetElementPtrInst>(Gep->clone());
1802
1803     for (unsigned i = 0; i < NumOperands; ++i) {
1804       Value *GepOperand = Gep->getOperand(i);
1805       Instruction *GepOperandInst = dyn_cast<Instruction>(GepOperand);
1806
1807       // Update last index or loop invariant instruction anchored in loop.
1808       if (i == InductionOperand ||
1809           (GepOperandInst && OrigLoop->contains(GepOperandInst))) {
1810         assert((i == InductionOperand ||
1811                SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GepOperandInst), OrigLoop)) &&
1812                "Must be last index or loop invariant");
1813
1814         VectorParts &GEPParts = getVectorValue(GepOperand);
1815         Value *Index = GEPParts[0];
1816         Index = Builder.CreateExtractElement(Index, Zero);
1817         Gep2->setOperand(i, Index);
1818         Gep2->setName("gep.indvar.idx");
1819       }
1820     }
1821     Ptr = Builder.Insert(Gep2);
1822   } else {
1823     // Use the induction element ptr.
1824     assert(isa<PHINode>(Ptr) && "Invalid induction ptr");
1825     setDebugLocFromInst(Builder, Ptr);
1826     VectorParts &PtrVal = getVectorValue(Ptr);
1827     Ptr = Builder.CreateExtractElement(PtrVal[0], Zero);
1828   }
1829
1830   VectorParts Mask = createBlockInMask(Instr->getParent());
1831   // Handle Stores:
1832   if (SI) {
1833     assert(!Legal->isUniform(SI->getPointerOperand()) &&
1834            "We do not allow storing to uniform addresses");
1835     setDebugLocFromInst(Builder, SI);
1836     // We don't want to update the value in the map as it might be used in
1837     // another expression. So don't use a reference type for "StoredVal".
1838     VectorParts StoredVal = getVectorValue(SI->getValueOperand());
1839     
1840     for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1841       // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1842       Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1843
1844       if (Reverse) {
1845         // If we store to reverse consecutive memory locations then we need
1846         // to reverse the order of elements in the stored value.
1847         StoredVal[Part] = reverseVector(StoredVal[Part]);
1848         // If the address is consecutive but reversed, then the
1849         // wide store needs to start at the last vector element.
1850         PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1851         PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1852         Mask[Part] = reverseVector(Mask[Part]);
1853       }
1854
1855       Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1856                                             DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1857
1858       Instruction *NewSI;
1859       if (Legal->isMaskRequired(SI))
1860         NewSI = Builder.CreateMaskedStore(StoredVal[Part], VecPtr, Alignment,
1861                                           Mask[Part]);
1862       else 
1863         NewSI = Builder.CreateAlignedStore(StoredVal[Part], VecPtr, Alignment);
1864       propagateMetadata(NewSI, SI);
1865     }
1866     return;
1867   }
1868
1869   // Handle loads.
1870   assert(LI && "Must have a load instruction");
1871   setDebugLocFromInst(Builder, LI);
1872   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1873     // Calculate the pointer for the specific unroll-part.
1874     Value *PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(Part * VF));
1875
1876     if (Reverse) {
1877       // If the address is consecutive but reversed, then the
1878       // wide load needs to start at the last vector element.
1879       PartPtr = Builder.CreateGEP(Ptr, Builder.getInt32(-Part * VF));
1880       PartPtr = Builder.CreateGEP(PartPtr, Builder.getInt32(1 - VF));
1881       Mask[Part] = reverseVector(Mask[Part]);
1882     }
1883
1884     Instruction* NewLI;
1885     Value *VecPtr = Builder.CreateBitCast(PartPtr,
1886                                           DataTy->getPointerTo(AddressSpace));
1887     if (Legal->isMaskRequired(LI))
1888       NewLI = Builder.CreateMaskedLoad(VecPtr, Alignment, Mask[Part],
1889                                        UndefValue::get(DataTy),
1890                                        "wide.masked.load");
1891     else
1892       NewLI = Builder.CreateAlignedLoad(VecPtr, Alignment, "wide.load");
1893     propagateMetadata(NewLI, LI);
1894     Entry[Part] = Reverse ? reverseVector(NewLI) :  NewLI;
1895   }
1896 }
1897
1898 void InnerLoopVectorizer::scalarizeInstruction(Instruction *Instr, bool IfPredicateStore) {
1899   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
1900   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
1901   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
1902
1903   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
1904
1905   // Find all of the vectorized parameters.
1906   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1907     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
1908
1909     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
1910     if (SrcOp == OldInduction) {
1911       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
1912       continue;
1913     }
1914
1915     // Try using previously calculated values.
1916     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
1917
1918     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
1919     // then it should already be vectorized.
1920     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
1921       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
1922       // The parameter is a vector value from earlier.
1923       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
1924     } else {
1925       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
1926       VectorParts Scalars;
1927       Scalars.append(UF, SrcOp);
1928       Params.push_back(Scalars);
1929     }
1930   }
1931
1932   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
1933          "Invalid number of operands");
1934
1935   // Does this instruction return a value ?
1936   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
1937
1938   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? nullptr :
1939     UndefValue::get(VectorType::get(Instr->getType(), VF));
1940   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
1941   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
1942
1943   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
1944   BasicBlock *IfBlock = Builder.GetInsertBlock();
1945   BasicBlock *CondBlock = nullptr;
1946
1947   VectorParts Cond;
1948   Loop *VectorLp = nullptr;
1949   if (IfPredicateStore) {
1950     assert(Instr->getParent()->getSinglePredecessor() &&
1951            "Only support single predecessor blocks");
1952     Cond = createEdgeMask(Instr->getParent()->getSinglePredecessor(),
1953                           Instr->getParent());
1954     VectorLp = LI->getLoopFor(IfBlock);
1955     assert(VectorLp && "Must have a loop for this block");
1956   }
1957
1958   // For each vector unroll 'part':
1959   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
1960     // For each scalar that we create:
1961     for (unsigned Width = 0; Width < VF; ++Width) {
1962
1963       // Start if-block.
1964       Value *Cmp = nullptr;
1965       if (IfPredicateStore) {
1966         Cmp = Builder.CreateExtractElement(Cond[Part], Builder.getInt32(Width));
1967         Cmp = Builder.CreateICmp(ICmpInst::ICMP_EQ, Cmp, ConstantInt::get(Cmp->getType(), 1));
1968         CondBlock = IfBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "cond.store");
1969         LoopVectorBody.push_back(CondBlock);
1970         VectorLp->addBasicBlockToLoop(CondBlock, *LI);
1971         // Update Builder with newly created basic block.
1972         Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
1973       }
1974
1975       Instruction *Cloned = Instr->clone();
1976       if (!IsVoidRetTy)
1977         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
1978       // Replace the operands of the cloned instructions with extracted scalars.
1979       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
1980         Value *Op = Params[op][Part];
1981         // Param is a vector. Need to extract the right lane.
1982         if (Op->getType()->isVectorTy())
1983           Op = Builder.CreateExtractElement(Op, Builder.getInt32(Width));
1984         Cloned->setOperand(op, Op);
1985       }
1986
1987       // Place the cloned scalar in the new loop.
1988       Builder.Insert(Cloned);
1989
1990       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
1991       // so that future users will be able to use it.
1992       if (!IsVoidRetTy)
1993         VecResults[Part] = Builder.CreateInsertElement(VecResults[Part], Cloned,
1994                                                        Builder.getInt32(Width));
1995       // End if-block.
1996       if (IfPredicateStore) {
1997          BasicBlock *NewIfBlock = CondBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "else");
1998          LoopVectorBody.push_back(NewIfBlock);
1999          VectorLp->addBasicBlockToLoop(NewIfBlock, *LI);
2000          Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
2001          Instruction *OldBr = IfBlock->getTerminator();
2002          BranchInst::Create(CondBlock, NewIfBlock, Cmp, OldBr);
2003          OldBr->eraseFromParent();
2004          IfBlock = NewIfBlock;
2005       }
2006     }
2007   }
2008 }
2009
2010 static Instruction *getFirstInst(Instruction *FirstInst, Value *V,
2011                                  Instruction *Loc) {
2012   if (FirstInst)
2013     return FirstInst;
2014   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
2015     return I->getParent() == Loc->getParent() ? I : nullptr;
2016   return nullptr;
2017 }
2018
2019 std::pair<Instruction *, Instruction *>
2020 InnerLoopVectorizer::addStrideCheck(Instruction *Loc) {
2021   Instruction *tnullptr = nullptr;
2022   if (!Legal->mustCheckStrides())
2023     return std::pair<Instruction *, Instruction *>(tnullptr, tnullptr);
2024
2025   IRBuilder<> ChkBuilder(Loc);
2026
2027   // Emit checks.
2028   Value *Check = nullptr;
2029   Instruction *FirstInst = nullptr;
2030   for (SmallPtrSet<Value *, 8>::iterator SI = Legal->strides_begin(),
2031                                          SE = Legal->strides_end();
2032        SI != SE; ++SI) {
2033     Value *Ptr = stripIntegerCast(*SI);
2034     Value *C = ChkBuilder.CreateICmpNE(Ptr, ConstantInt::get(Ptr->getType(), 1),
2035                                        "stride.chk");
2036     // Store the first instruction we create.
2037     FirstInst = getFirstInst(FirstInst, C, Loc);
2038     if (Check)
2039       Check = ChkBuilder.CreateOr(Check, C);
2040     else
2041       Check = C;
2042   }
2043
2044   // We have to do this trickery because the IRBuilder might fold the check to a
2045   // constant expression in which case there is no Instruction anchored in a
2046   // the block.
2047   LLVMContext &Ctx = Loc->getContext();
2048   Instruction *TheCheck =
2049       BinaryOperator::CreateAnd(Check, ConstantInt::getTrue(Ctx));
2050   ChkBuilder.Insert(TheCheck, "stride.not.one");
2051   FirstInst = getFirstInst(FirstInst, TheCheck, Loc);
2052
2053   return std::make_pair(FirstInst, TheCheck);
2054 }
2055
2056 void InnerLoopVectorizer::createEmptyLoop() {
2057   /*
2058    In this function we generate a new loop. The new loop will contain
2059    the vectorized instructions while the old loop will continue to run the
2060    scalar remainder.
2061
2062        [ ] <-- Back-edge taken count overflow check.
2063     /   |
2064    /    v
2065   |    [ ] <-- vector loop bypass (may consist of multiple blocks).
2066   |  /  |
2067   | /   v
2068   ||   [ ]     <-- vector pre header.
2069   ||    |
2070   ||    v
2071   ||   [  ] \
2072   ||   [  ]_|   <-- vector loop.
2073   ||    |
2074   | \   v
2075   |   >[ ]   <--- middle-block.
2076   |  /  |
2077   | /   v
2078   -|- >[ ]     <--- new preheader.
2079    |    |
2080    |    v
2081    |   [ ] \
2082    |   [ ]_|   <-- old scalar loop to handle remainder.
2083     \   |
2084      \  v
2085       >[ ]     <-- exit block.
2086    ...
2087    */
2088
2089   BasicBlock *OldBasicBlock = OrigLoop->getHeader();
2090   BasicBlock *BypassBlock = OrigLoop->getLoopPreheader();
2091   BasicBlock *ExitBlock = OrigLoop->getExitBlock();
2092   assert(BypassBlock && "Invalid loop structure");
2093   assert(ExitBlock && "Must have an exit block");
2094
2095   // Some loops have a single integer induction variable, while other loops
2096   // don't. One example is c++ iterators that often have multiple pointer
2097   // induction variables. In the code below we also support a case where we
2098   // don't have a single induction variable.
2099   OldInduction = Legal->getInduction();
2100   Type *IdxTy = Legal->getWidestInductionType();
2101
2102   // Find the loop boundaries.
2103   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(OrigLoop);
2104   assert(ExitCount != SE->getCouldNotCompute() && "Invalid loop count");
2105
2106   // The exit count might have the type of i64 while the phi is i32. This can
2107   // happen if we have an induction variable that is sign extended before the
2108   // compare. The only way that we get a backedge taken count is that the
2109   // induction variable was signed and as such will not overflow. In such a case
2110   // truncation is legal.
2111   if (ExitCount->getType()->getPrimitiveSizeInBits() >
2112       IdxTy->getPrimitiveSizeInBits())
2113     ExitCount = SE->getTruncateOrNoop(ExitCount, IdxTy);
2114
2115   const SCEV *BackedgeTakeCount = SE->getNoopOrZeroExtend(ExitCount, IdxTy);
2116   // Get the total trip count from the count by adding 1.
2117   ExitCount = SE->getAddExpr(BackedgeTakeCount,
2118                              SE->getConstant(BackedgeTakeCount->getType(), 1));
2119
2120   const DataLayout &DL = OldBasicBlock->getModule()->getDataLayout();
2121
2122   // Expand the trip count and place the new instructions in the preheader.
2123   // Notice that the pre-header does not change, only the loop body.
2124   SCEVExpander Exp(*SE, DL, "induction");
2125
2126   // We need to test whether the backedge-taken count is uint##_max. Adding one
2127   // to it will cause overflow and an incorrect loop trip count in the vector
2128   // body. In case of overflow we want to directly jump to the scalar remainder
2129   // loop.
2130   Value *BackedgeCount =
2131       Exp.expandCodeFor(BackedgeTakeCount, BackedgeTakeCount->getType(),
2132                         BypassBlock->getTerminator());
2133   if (BackedgeCount->getType()->isPointerTy())
2134     BackedgeCount = CastInst::CreatePointerCast(BackedgeCount, IdxTy,
2135                                                 "backedge.ptrcnt.to.int",
2136                                                 BypassBlock->getTerminator());
2137   Instruction *CheckBCOverflow =
2138       CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, BackedgeCount,
2139                       Constant::getAllOnesValue(BackedgeCount->getType()),
2140                       "backedge.overflow", BypassBlock->getTerminator());
2141
2142   // The loop index does not have to start at Zero. Find the original start
2143   // value from the induction PHI node. If we don't have an induction variable
2144   // then we know that it starts at zero.
2145   Builder.SetInsertPoint(BypassBlock->getTerminator());
2146   Value *StartIdx = ExtendedIdx = OldInduction ?
2147     Builder.CreateZExt(OldInduction->getIncomingValueForBlock(BypassBlock),
2148                        IdxTy):
2149     ConstantInt::get(IdxTy, 0);
2150
2151   // We need an instruction to anchor the overflow check on. StartIdx needs to
2152   // be defined before the overflow check branch. Because the scalar preheader
2153   // is going to merge the start index and so the overflow branch block needs to
2154   // contain a definition of the start index.
2155   Instruction *OverflowCheckAnchor = BinaryOperator::CreateAdd(
2156       StartIdx, ConstantInt::get(IdxTy, 0), "overflow.check.anchor",
2157       BypassBlock->getTerminator());
2158
2159   // Count holds the overall loop count (N).
2160   Value *Count = Exp.expandCodeFor(ExitCount, ExitCount->getType(),
2161                                    BypassBlock->getTerminator());
2162
2163   LoopBypassBlocks.push_back(BypassBlock);
2164
2165   // Split the single block loop into the two loop structure described above.
2166   BasicBlock *VectorPH =
2167   BypassBlock->splitBasicBlock(BypassBlock->getTerminator(), "vector.ph");
2168   BasicBlock *VecBody =
2169   VectorPH->splitBasicBlock(VectorPH->getTerminator(), "vector.body");
2170   BasicBlock *MiddleBlock =
2171   VecBody->splitBasicBlock(VecBody->getTerminator(), "middle.block");
2172   BasicBlock *ScalarPH =
2173   MiddleBlock->splitBasicBlock(MiddleBlock->getTerminator(), "scalar.ph");
2174
2175   // Create and register the new vector loop.
2176   Loop* Lp = new Loop();
2177   Loop *ParentLoop = OrigLoop->getParentLoop();
2178
2179   // Insert the new loop into the loop nest and register the new basic blocks
2180   // before calling any utilities such as SCEV that require valid LoopInfo.
2181   if (ParentLoop) {
2182     ParentLoop->addChildLoop(Lp);
2183     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(ScalarPH, *LI);
2184     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(VectorPH, *LI);
2185     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(MiddleBlock, *LI);
2186   } else {
2187     LI->addTopLevelLoop(Lp);
2188   }
2189   Lp->addBasicBlockToLoop(VecBody, *LI);
2190
2191   // Use this IR builder to create the loop instructions (Phi, Br, Cmp)
2192   // inside the loop.
2193   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstNonPHI());
2194
2195   // Generate the induction variable.
2196   setDebugLocFromInst(Builder, getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2197   Induction = Builder.CreatePHI(IdxTy, 2, "index");
2198   // The loop step is equal to the vectorization factor (num of SIMD elements)
2199   // times the unroll factor (num of SIMD instructions).
2200   Constant *Step = ConstantInt::get(IdxTy, VF * UF);
2201
2202   // This is the IR builder that we use to add all of the logic for bypassing
2203   // the new vector loop.
2204   IRBuilder<> BypassBuilder(BypassBlock->getTerminator());
2205   setDebugLocFromInst(BypassBuilder,
2206                       getDebugLocFromInstOrOperands(OldInduction));
2207
2208   // We may need to extend the index in case there is a type mismatch.
2209   // We know that the count starts at zero and does not overflow.
2210   if (Count->getType() != IdxTy) {
2211     // The exit count can be of pointer type. Convert it to the correct
2212     // integer type.
2213     if (ExitCount->getType()->isPointerTy())
2214       Count = BypassBuilder.CreatePointerCast(Count, IdxTy, "ptrcnt.to.int");
2215     else
2216       Count = BypassBuilder.CreateZExtOrTrunc(Count, IdxTy, "cnt.cast");
2217   }
2218
2219   // Add the start index to the loop count to get the new end index.
2220   Value *IdxEnd = BypassBuilder.CreateAdd(Count, StartIdx, "end.idx");
2221
2222   // Now we need to generate the expression for N - (N % VF), which is
2223   // the part that the vectorized body will execute.
2224   Value *R = BypassBuilder.CreateURem(Count, Step, "n.mod.vf");
2225   Value *CountRoundDown = BypassBuilder.CreateSub(Count, R, "n.vec");
2226   Value *IdxEndRoundDown = BypassBuilder.CreateAdd(CountRoundDown, StartIdx,
2227                                                      "end.idx.rnd.down");
2228
2229   // Now, compare the new count to zero. If it is zero skip the vector loop and
2230   // jump to the scalar loop.
2231   Value *Cmp =
2232       BypassBuilder.CreateICmpEQ(IdxEndRoundDown, StartIdx, "cmp.zero");
2233
2234   BasicBlock *LastBypassBlock = BypassBlock;
2235
2236   // Generate code to check that the loops trip count that we computed by adding
2237   // one to the backedge-taken count will not overflow.
2238   {
2239     auto PastOverflowCheck =
2240         std::next(BasicBlock::iterator(OverflowCheckAnchor));
2241     BasicBlock *CheckBlock =
2242       LastBypassBlock->splitBasicBlock(PastOverflowCheck, "overflow.checked");
2243     if (ParentLoop)
2244       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, *LI);
2245     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2246     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2247     BranchInst::Create(ScalarPH, CheckBlock, CheckBCOverflow, OldTerm);
2248     OldTerm->eraseFromParent();
2249     LastBypassBlock = CheckBlock;
2250   }
2251
2252   // Generate the code to check that the strides we assumed to be one are really
2253   // one. We want the new basic block to start at the first instruction in a
2254   // sequence of instructions that form a check.
2255   Instruction *StrideCheck;
2256   Instruction *FirstCheckInst;
2257   std::tie(FirstCheckInst, StrideCheck) =
2258       addStrideCheck(LastBypassBlock->getTerminator());
2259   if (StrideCheck) {
2260     AddedSafetyChecks = true;
2261     // Create a new block containing the stride check.
2262     BasicBlock *CheckBlock =
2263         LastBypassBlock->splitBasicBlock(FirstCheckInst, "vector.stridecheck");
2264     if (ParentLoop)
2265       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, *LI);
2266     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2267
2268     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
2269     // for the "few elements case".
2270     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2271     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
2272     OldTerm->eraseFromParent();
2273
2274     Cmp = StrideCheck;
2275     LastBypassBlock = CheckBlock;
2276   }
2277
2278   // Generate the code that checks in runtime if arrays overlap. We put the
2279   // checks into a separate block to make the more common case of few elements
2280   // faster.
2281   Instruction *MemRuntimeCheck;
2282   std::tie(FirstCheckInst, MemRuntimeCheck) =
2283     Legal->getLAI()->addRuntimeCheck(LastBypassBlock->getTerminator());
2284   if (MemRuntimeCheck) {
2285     AddedSafetyChecks = true;
2286     // Create a new block containing the memory check.
2287     BasicBlock *CheckBlock =
2288         LastBypassBlock->splitBasicBlock(FirstCheckInst, "vector.memcheck");
2289     if (ParentLoop)
2290       ParentLoop->addBasicBlockToLoop(CheckBlock, *LI);
2291     LoopBypassBlocks.push_back(CheckBlock);
2292
2293     // Replace the branch into the memory check block with a conditional branch
2294     // for the "few elements case".
2295     Instruction *OldTerm = LastBypassBlock->getTerminator();
2296     BranchInst::Create(MiddleBlock, CheckBlock, Cmp, OldTerm);
2297     OldTerm->eraseFromParent();
2298
2299     Cmp = MemRuntimeCheck;
2300     LastBypassBlock = CheckBlock;
2301   }
2302
2303   LastBypassBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
2304   BranchInst::Create(MiddleBlock, VectorPH, Cmp,
2305                      LastBypassBlock);
2306
2307   // We are going to resume the execution of the scalar loop.
2308   // Go over all of the induction variables that we found and fix the
2309   // PHIs that are left in the scalar version of the loop.
2310   // The starting values of PHI nodes depend on the counter of the last
2311   // iteration in the vectorized loop.
2312   // If we come from a bypass edge then we need to start from the original
2313   // start value.
2314
2315   // This variable saves the new starting index for the scalar loop.
2316   PHINode *ResumeIndex = nullptr;
2317   LoopVectorizationLegality::InductionList::iterator I, E;
2318   LoopVectorizationLegality::InductionList *List = Legal->getInductionVars();
2319   // Set builder to point to last bypass block.
2320   BypassBuilder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks.back()->getTerminator());
2321   for (I = List->begin(), E = List->end(); I != E; ++I) {
2322     PHINode *OrigPhi = I->first;
2323     LoopVectorizationLegality::InductionInfo II = I->second;
2324
2325     Type *ResumeValTy = (OrigPhi == OldInduction) ? IdxTy : OrigPhi->getType();
2326     PHINode *ResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 2, "resume.val",
2327                                          MiddleBlock->getTerminator());
2328     // We might have extended the type of the induction variable but we need a
2329     // truncated version for the scalar loop.
2330     PHINode *TruncResumeVal = (OrigPhi == OldInduction) ?
2331       PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "trunc.resume.val",
2332                       MiddleBlock->getTerminator()) : nullptr;
2333
2334     // Create phi nodes to merge from the  backedge-taken check block.
2335     PHINode *BCResumeVal = PHINode::Create(ResumeValTy, 3, "bc.resume.val",
2336                                            ScalarPH->getTerminator());
2337     BCResumeVal->addIncoming(ResumeVal, MiddleBlock);
2338
2339     PHINode *BCTruncResumeVal = nullptr;
2340     if (OrigPhi == OldInduction) {
2341       BCTruncResumeVal =
2342           PHINode::Create(OrigPhi->getType(), 2, "bc.trunc.resume.val",
2343                           ScalarPH->getTerminator());
2344       BCTruncResumeVal->addIncoming(TruncResumeVal, MiddleBlock);
2345     }
2346
2347     Value *EndValue = nullptr;
2348     switch (II.IK) {
2349     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
2350       llvm_unreachable("Unknown induction");
2351     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
2352       // Handle the integer induction counter.
2353       assert(OrigPhi->getType()->isIntegerTy() && "Invalid type");
2354
2355       // We have the canonical induction variable.
2356       if (OrigPhi == OldInduction) {
2357         // Create a truncated version of the resume value for the scalar loop,
2358         // we might have promoted the type to a larger width.
2359         EndValue =
2360           BypassBuilder.CreateTrunc(IdxEndRoundDown, OrigPhi->getType());
2361         // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2362         // or the value at the end of the vectorized loop.
2363         for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2364           TruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
2365         TruncResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
2366
2367         BCTruncResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2368
2369         // We know what the end value is.
2370         EndValue = IdxEndRoundDown;
2371         // We also know which PHI node holds it.
2372         ResumeIndex = ResumeVal;
2373         break;
2374       }
2375
2376       // Not the canonical induction variable - add the vector loop count to the
2377       // start value.
2378       Value *CRD = BypassBuilder.CreateSExtOrTrunc(CountRoundDown,
2379                                                    II.StartValue->getType(),
2380                                                    "cast.crd");
2381       EndValue = II.transform(BypassBuilder, CRD);
2382       EndValue->setName("ind.end");
2383       break;
2384     }
2385     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction: {
2386       EndValue = II.transform(BypassBuilder, CountRoundDown);
2387       EndValue->setName("ptr.ind.end");
2388       break;
2389     }
2390     }// end of case
2391
2392     // The new PHI merges the original incoming value, in case of a bypass,
2393     // or the value at the end of the vectorized loop.
2394     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I) {
2395       if (OrigPhi == OldInduction)
2396         ResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
2397       else
2398         ResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[I]);
2399     }
2400     ResumeVal->addIncoming(EndValue, VecBody);
2401
2402     // Fix the scalar body counter (PHI node).
2403     unsigned BlockIdx = OrigPhi->getBasicBlockIndex(ScalarPH);
2404
2405     // The old induction's phi node in the scalar body needs the truncated
2406     // value.
2407     if (OrigPhi == OldInduction) {
2408       BCResumeVal->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[0]);
2409       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCTruncResumeVal);
2410     } else {
2411       BCResumeVal->addIncoming(II.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2412       OrigPhi->setIncomingValue(BlockIdx, BCResumeVal);
2413     }
2414   }
2415
2416   // If we are generating a new induction variable then we also need to
2417   // generate the code that calculates the exit value. This value is not
2418   // simply the end of the counter because we may skip the vectorized body
2419   // in case of a runtime check.
2420   if (!OldInduction){
2421     assert(!ResumeIndex && "Unexpected resume value found");
2422     ResumeIndex = PHINode::Create(IdxTy, 2, "new.indc.resume.val",
2423                                   MiddleBlock->getTerminator());
2424     for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2425       ResumeIndex->addIncoming(StartIdx, LoopBypassBlocks[I]);
2426     ResumeIndex->addIncoming(IdxEndRoundDown, VecBody);
2427   }
2428
2429   // Make sure that we found the index where scalar loop needs to continue.
2430   assert(ResumeIndex && ResumeIndex->getType()->isIntegerTy() &&
2431          "Invalid resume Index");
2432
2433   // Add a check in the middle block to see if we have completed
2434   // all of the iterations in the first vector loop.
2435   // If (N - N%VF) == N, then we *don't* need to run the remainder.
2436   Value *CmpN = CmpInst::Create(Instruction::ICmp, CmpInst::ICMP_EQ, IdxEnd,
2437                                 ResumeIndex, "cmp.n",
2438                                 MiddleBlock->getTerminator());
2439
2440   BranchInst::Create(ExitBlock, ScalarPH, CmpN, MiddleBlock->getTerminator());
2441   // Remove the old terminator.
2442   MiddleBlock->getTerminator()->eraseFromParent();
2443
2444   // Create i+1 and fill the PHINode.
2445   Value *NextIdx = Builder.CreateAdd(Induction, Step, "index.next");
2446   Induction->addIncoming(StartIdx, VectorPH);
2447   Induction->addIncoming(NextIdx, VecBody);
2448   // Create the compare.
2449   Value *ICmp = Builder.CreateICmpEQ(NextIdx, IdxEndRoundDown);
2450   Builder.CreateCondBr(ICmp, MiddleBlock, VecBody);
2451
2452   // Now we have two terminators. Remove the old one from the block.
2453   VecBody->getTerminator()->eraseFromParent();
2454
2455   // Get ready to start creating new instructions into the vectorized body.
2456   Builder.SetInsertPoint(VecBody->getFirstInsertionPt());
2457
2458   // Save the state.
2459   LoopVectorPreHeader = VectorPH;
2460   LoopScalarPreHeader = ScalarPH;
2461   LoopMiddleBlock = MiddleBlock;
2462   LoopExitBlock = ExitBlock;
2463   LoopVectorBody.push_back(VecBody);
2464   LoopScalarBody = OldBasicBlock;
2465
2466   LoopVectorizeHints Hints(Lp, true);
2467   Hints.setAlreadyVectorized();
2468 }
2469
2470 /// This function returns the identity element (or neutral element) for
2471 /// the operation K.
2472 Constant*
2473 LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(ReductionKind K, Type *Tp) {
2474   switch (K) {
2475   case RK_IntegerXor:
2476   case RK_IntegerAdd:
2477   case RK_IntegerOr:
2478     // Adding, Xoring, Oring zero to a number does not change it.
2479     return ConstantInt::get(Tp, 0);
2480   case RK_IntegerMult:
2481     // Multiplying a number by 1 does not change it.
2482     return ConstantInt::get(Tp, 1);
2483   case RK_IntegerAnd:
2484     // AND-ing a number with an all-1 value does not change it.
2485     return ConstantInt::get(Tp, -1, true);
2486   case  RK_FloatMult:
2487     // Multiplying a number by 1 does not change it.
2488     return ConstantFP::get(Tp, 1.0L);
2489   case  RK_FloatAdd:
2490     // Adding zero to a number does not change it.
2491     return ConstantFP::get(Tp, 0.0L);
2492   default:
2493     llvm_unreachable("Unknown reduction kind");
2494   }
2495 }
2496
2497 /// This function translates the reduction kind to an LLVM binary operator.
2498 static unsigned
2499 getReductionBinOp(LoopVectorizationLegality::ReductionKind Kind) {
2500   switch (Kind) {
2501     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAdd:
2502       return Instruction::Add;
2503     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMult:
2504       return Instruction::Mul;
2505     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerOr:
2506       return Instruction::Or;
2507     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerAnd:
2508       return Instruction::And;
2509     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerXor:
2510       return Instruction::Xor;
2511     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMult:
2512       return Instruction::FMul;
2513     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatAdd:
2514       return Instruction::FAdd;
2515     case LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax:
2516       return Instruction::ICmp;
2517     case LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax:
2518       return Instruction::FCmp;
2519     default:
2520       llvm_unreachable("Unknown reduction operation");
2521   }
2522 }
2523
2524 static Value *createMinMaxOp(IRBuilder<> &Builder,
2525                              LoopVectorizationLegality::MinMaxReductionKind RK,
2526                              Value *Left, Value *Right) {
2527   CmpInst::Predicate P = CmpInst::ICMP_NE;
2528   switch (RK) {
2529   default:
2530     llvm_unreachable("Unknown min/max reduction kind");
2531   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMin:
2532     P = CmpInst::ICMP_ULT;
2533     break;
2534   case LoopVectorizationLegality::MRK_UIntMax:
2535     P = CmpInst::ICMP_UGT;
2536     break;
2537   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMin:
2538     P = CmpInst::ICMP_SLT;
2539     break;
2540   case LoopVectorizationLegality::MRK_SIntMax:
2541     P = CmpInst::ICMP_SGT;
2542     break;
2543   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin:
2544     P = CmpInst::FCMP_OLT;
2545     break;
2546   case LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax:
2547     P = CmpInst::FCMP_OGT;
2548     break;
2549   }
2550
2551   Value *Cmp;
2552   if (RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMin ||
2553       RK == LoopVectorizationLegality::MRK_FloatMax)
2554     Cmp = Builder.CreateFCmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
2555   else
2556     Cmp = Builder.CreateICmp(P, Left, Right, "rdx.minmax.cmp");
2557
2558   Value *Select = Builder.CreateSelect(Cmp, Left, Right, "rdx.minmax.select");
2559   return Select;
2560 }
2561
2562 namespace {
2563 struct CSEDenseMapInfo {
2564   static bool canHandle(Instruction *I) {
2565     return isa<InsertElementInst>(I) || isa<ExtractElementInst>(I) ||
2566            isa<ShuffleVectorInst>(I) || isa<GetElementPtrInst>(I);
2567   }
2568   static inline Instruction *getEmptyKey() {
2569     return DenseMapInfo<Instruction *>::getEmptyKey();
2570   }
2571   static inline Instruction *getTombstoneKey() {
2572     return DenseMapInfo<Instruction *>::getTombstoneKey();
2573   }
2574   static unsigned getHashValue(Instruction *I) {
2575     assert(canHandle(I) && "Unknown instruction!");
2576     return hash_combine(I->getOpcode(), hash_combine_range(I->value_op_begin(),
2577                                                            I->value_op_end()));
2578   }
2579   static bool isEqual(Instruction *LHS, Instruction *RHS) {
2580     if (LHS == getEmptyKey() || RHS == getEmptyKey() ||
2581         LHS == getTombstoneKey() || RHS == getTombstoneKey())
2582       return LHS == RHS;
2583     return LHS->isIdenticalTo(RHS);
2584   }
2585 };
2586 }
2587
2588 /// \brief Check whether this block is a predicated block.
2589 /// Due to if predication of stores we might create a sequence of "if(pred) a[i]
2590 /// = ...;  " blocks. We start with one vectorized basic block. For every
2591 /// conditional block we split this vectorized block. Therefore, every second
2592 /// block will be a predicated one.
2593 static bool isPredicatedBlock(unsigned BlockNum) {
2594   return BlockNum % 2;
2595 }
2596
2597 ///\brief Perform cse of induction variable instructions.
2598 static void cse(SmallVector<BasicBlock *, 4> &BBs) {
2599   // Perform simple cse.
2600   SmallDenseMap<Instruction *, Instruction *, 4, CSEDenseMapInfo> CSEMap;
2601   for (unsigned i = 0, e = BBs.size(); i != e; ++i) {
2602     BasicBlock *BB = BBs[i];
2603     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E;) {
2604       Instruction *In = I++;
2605
2606       if (!CSEDenseMapInfo::canHandle(In))
2607         continue;
2608
2609       // Check if we can replace this instruction with any of the
2610       // visited instructions.
2611       if (Instruction *V = CSEMap.lookup(In)) {
2612         In->replaceAllUsesWith(V);
2613         In->eraseFromParent();
2614         continue;
2615       }
2616       // Ignore instructions in conditional blocks. We create "if (pred) a[i] =
2617       // ...;" blocks for predicated stores. Every second block is a predicated
2618       // block.
2619       if (isPredicatedBlock(i))
2620         continue;
2621
2622       CSEMap[In] = In;
2623     }
2624   }
2625 }
2626
2627 /// \brief Adds a 'fast' flag to floating point operations.
2628 static Value *addFastMathFlag(Value *V) {
2629   if (isa<FPMathOperator>(V)){
2630     FastMathFlags Flags;
2631     Flags.setUnsafeAlgebra();
2632     cast<Instruction>(V)->setFastMathFlags(Flags);
2633   }
2634   return V;
2635 }
2636
2637 void InnerLoopVectorizer::vectorizeLoop() {
2638   //===------------------------------------------------===//
2639   //
2640   // Notice: any optimization or new instruction that go
2641   // into the code below should be also be implemented in
2642   // the cost-model.
2643   //
2644   //===------------------------------------------------===//
2645   Constant *Zero = Builder.getInt32(0);
2646
2647   // In order to support reduction variables we need to be able to vectorize
2648   // Phi nodes. Phi nodes have cycles, so we need to vectorize them in two
2649   // stages. First, we create a new vector PHI node with no incoming edges.
2650   // We use this value when we vectorize all of the instructions that use the
2651   // PHI. Next, after all of the instructions in the block are complete we
2652   // add the new incoming edges to the PHI. At this point all of the
2653   // instructions in the basic block are vectorized, so we can use them to
2654   // construct the PHI.
2655   PhiVector RdxPHIsToFix;
2656
2657   // Scan the loop in a topological order to ensure that defs are vectorized
2658   // before users.
2659   LoopBlocksDFS DFS(OrigLoop);
2660   DFS.perform(LI);
2661
2662   // Vectorize all of the blocks in the original loop.
2663   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
2664        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb)
2665     vectorizeBlockInLoop(*bb, &RdxPHIsToFix);
2666
2667   // At this point every instruction in the original loop is widened to
2668   // a vector form. We are almost done. Now, we need to fix the PHI nodes
2669   // that we vectorized. The PHI nodes are currently empty because we did
2670   // not want to introduce cycles. Notice that the remaining PHI nodes
2671   // that we need to fix are reduction variables.
2672
2673   // Create the 'reduced' values for each of the induction vars.
2674   // The reduced values are the vector values that we scalarize and combine
2675   // after the loop is finished.
2676   for (PhiVector::iterator it = RdxPHIsToFix.begin(), e = RdxPHIsToFix.end();
2677        it != e; ++it) {
2678     PHINode *RdxPhi = *it;
2679     assert(RdxPhi && "Unable to recover vectorized PHI");
2680
2681     // Find the reduction variable descriptor.
2682     assert(Legal->getReductionVars()->count(RdxPhi) &&
2683            "Unable to find the reduction variable");
2684     LoopVectorizationLegality::ReductionDescriptor RdxDesc =
2685     (*Legal->getReductionVars())[RdxPhi];
2686
2687     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.StartValue);
2688
2689     // We need to generate a reduction vector from the incoming scalar.
2690     // To do so, we need to generate the 'identity' vector and override
2691     // one of the elements with the incoming scalar reduction. We need
2692     // to do it in the vector-loop preheader.
2693     Builder.SetInsertPoint(LoopBypassBlocks[1]->getTerminator());
2694
2695     // This is the vector-clone of the value that leaves the loop.
2696     VectorParts &VectorExit = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2697     Type *VecTy = VectorExit[0]->getType();
2698
2699     // Find the reduction identity variable. Zero for addition, or, xor,
2700     // one for multiplication, -1 for And.
2701     Value *Identity;
2702     Value *VectorStart;
2703     if (RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_IntegerMinMax ||
2704         RdxDesc.Kind == LoopVectorizationLegality::RK_FloatMinMax) {
2705       // MinMax reduction have the start value as their identify.
2706       if (VF == 1) {
2707         VectorStart = Identity = RdxDesc.StartValue;
2708       } else {
2709         VectorStart = Identity = Builder.CreateVectorSplat(VF,
2710                                                            RdxDesc.StartValue,
2711                                                            "minmax.ident");
2712       }
2713     } else {
2714       // Handle other reduction kinds:
2715       Constant *Iden =
2716       LoopVectorizationLegality::getReductionIdentity(RdxDesc.Kind,
2717                                                       VecTy->getScalarType());
2718       if (VF == 1) {
2719         Identity = Iden;
2720         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2721         // incoming scalar reduction.
2722         VectorStart = RdxDesc.StartValue;
2723       } else {
2724         Identity = ConstantVector::getSplat(VF, Iden);
2725
2726         // This vector is the Identity vector where the first element is the
2727         // incoming scalar reduction.
2728         VectorStart = Builder.CreateInsertElement(Identity,
2729                                                   RdxDesc.StartValue, Zero);
2730       }
2731     }
2732
2733     // Fix the vector-loop phi.
2734
2735     // Reductions do not have to start at zero. They can start with
2736     // any loop invariant values.
2737     VectorParts &VecRdxPhi = WidenMap.get(RdxPhi);
2738     BasicBlock *Latch = OrigLoop->getLoopLatch();
2739     Value *LoopVal = RdxPhi->getIncomingValueForBlock(Latch);
2740     VectorParts &Val = getVectorValue(LoopVal);
2741     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2742       // Make sure to add the reduction stat value only to the
2743       // first unroll part.
2744       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2745       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(StartVal,
2746                                                   LoopVectorPreHeader);
2747       cast<PHINode>(VecRdxPhi[part])->addIncoming(Val[part],
2748                                                   LoopVectorBody.back());
2749     }
2750
2751     // Before each round, move the insertion point right between
2752     // the PHIs and the values we are going to write.
2753     // This allows us to write both PHINodes and the extractelement
2754     // instructions.
2755     Builder.SetInsertPoint(LoopMiddleBlock->getFirstInsertionPt());
2756
2757     VectorParts RdxParts;
2758     setDebugLocFromInst(Builder, RdxDesc.LoopExitInstr);
2759     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2760       // This PHINode contains the vectorized reduction variable, or
2761       // the initial value vector, if we bypass the vector loop.
2762       VectorParts &RdxExitVal = getVectorValue(RdxDesc.LoopExitInstr);
2763       PHINode *NewPhi = Builder.CreatePHI(VecTy, 2, "rdx.vec.exit.phi");
2764       Value *StartVal = (part == 0) ? VectorStart : Identity;
2765       for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
2766         NewPhi->addIncoming(StartVal, LoopBypassBlocks[I]);
2767       NewPhi->addIncoming(RdxExitVal[part],
2768                           LoopVectorBody.back());
2769       RdxParts.push_back(NewPhi);
2770     }
2771
2772     // Reduce all of the unrolled parts into a single vector.
2773     Value *ReducedPartRdx = RdxParts[0];
2774     unsigned Op = getReductionBinOp(RdxDesc.Kind);
2775     setDebugLocFromInst(Builder, ReducedPartRdx);
2776     for (unsigned part = 1; part < UF; ++part) {
2777       if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2778         // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
2779         ReducedPartRdx = addFastMathFlag(
2780             Builder.CreateBinOp((Instruction::BinaryOps)Op, RdxParts[part],
2781                                 ReducedPartRdx, "bin.rdx"));
2782       else
2783         ReducedPartRdx = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind,
2784                                         ReducedPartRdx, RdxParts[part]);
2785     }
2786
2787     if (VF > 1) {
2788       // VF is a power of 2 so we can emit the reduction using log2(VF) shuffles
2789       // and vector ops, reducing the set of values being computed by half each
2790       // round.
2791       assert(isPowerOf2_32(VF) &&
2792              "Reduction emission only supported for pow2 vectors!");
2793       Value *TmpVec = ReducedPartRdx;
2794       SmallVector<Constant*, 32> ShuffleMask(VF, nullptr);
2795       for (unsigned i = VF; i != 1; i >>= 1) {
2796         // Move the upper half of the vector to the lower half.
2797         for (unsigned j = 0; j != i/2; ++j)
2798           ShuffleMask[j] = Builder.getInt32(i/2 + j);
2799
2800         // Fill the rest of the mask with undef.
2801         std::fill(&ShuffleMask[i/2], ShuffleMask.end(),
2802                   UndefValue::get(Builder.getInt32Ty()));
2803
2804         Value *Shuf =
2805         Builder.CreateShuffleVector(TmpVec,
2806                                     UndefValue::get(TmpVec->getType()),
2807                                     ConstantVector::get(ShuffleMask),
2808                                     "rdx.shuf");
2809
2810         if (Op != Instruction::ICmp && Op != Instruction::FCmp)
2811           // Floating point operations had to be 'fast' to enable the reduction.
2812           TmpVec = addFastMathFlag(Builder.CreateBinOp(
2813               (Instruction::BinaryOps)Op, TmpVec, Shuf, "bin.rdx"));
2814         else
2815           TmpVec = createMinMaxOp(Builder, RdxDesc.MinMaxKind, TmpVec, Shuf);
2816       }
2817
2818       // The result is in the first element of the vector.
2819       ReducedPartRdx = Builder.CreateExtractElement(TmpVec,
2820                                                     Builder.getInt32(0));
2821     }
2822
2823     // Create a phi node that merges control-flow from the backedge-taken check
2824     // block and the middle block.
2825     PHINode *BCBlockPhi = PHINode::Create(RdxPhi->getType(), 2, "bc.merge.rdx",
2826                                           LoopScalarPreHeader->getTerminator());
2827     BCBlockPhi->addIncoming(RdxDesc.StartValue, LoopBypassBlocks[0]);
2828     BCBlockPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2829
2830     // Now, we need to fix the users of the reduction variable
2831     // inside and outside of the scalar remainder loop.
2832     // We know that the loop is in LCSSA form. We need to update the
2833     // PHI nodes in the exit blocks.
2834     for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2835          LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2836       PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2837       if (!LCSSAPhi) break;
2838
2839       // All PHINodes need to have a single entry edge, or two if
2840       // we already fixed them.
2841       assert(LCSSAPhi->getNumIncomingValues() < 3 && "Invalid LCSSA PHI");
2842
2843       // We found our reduction value exit-PHI. Update it with the
2844       // incoming bypass edge.
2845       if (LCSSAPhi->getIncomingValue(0) == RdxDesc.LoopExitInstr) {
2846         // Add an edge coming from the bypass.
2847         LCSSAPhi->addIncoming(ReducedPartRdx, LoopMiddleBlock);
2848         break;
2849       }
2850     }// end of the LCSSA phi scan.
2851
2852     // Fix the scalar loop reduction variable with the incoming reduction sum
2853     // from the vector body and from the backedge value.
2854     int IncomingEdgeBlockIdx =
2855     (RdxPhi)->getBasicBlockIndex(OrigLoop->getLoopLatch());
2856     assert(IncomingEdgeBlockIdx >= 0 && "Invalid block index");
2857     // Pick the other block.
2858     int SelfEdgeBlockIdx = (IncomingEdgeBlockIdx ? 0 : 1);
2859     (RdxPhi)->setIncomingValue(SelfEdgeBlockIdx, BCBlockPhi);
2860     (RdxPhi)->setIncomingValue(IncomingEdgeBlockIdx, RdxDesc.LoopExitInstr);
2861   }// end of for each redux variable.
2862
2863   fixLCSSAPHIs();
2864
2865   // Remove redundant induction instructions.
2866   cse(LoopVectorBody);
2867 }
2868
2869 void InnerLoopVectorizer::fixLCSSAPHIs() {
2870   for (BasicBlock::iterator LEI = LoopExitBlock->begin(),
2871        LEE = LoopExitBlock->end(); LEI != LEE; ++LEI) {
2872     PHINode *LCSSAPhi = dyn_cast<PHINode>(LEI);
2873     if (!LCSSAPhi) break;
2874     if (LCSSAPhi->getNumIncomingValues() == 1)
2875       LCSSAPhi->addIncoming(UndefValue::get(LCSSAPhi->getType()),
2876                             LoopMiddleBlock);
2877   }
2878 }
2879
2880 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2881 InnerLoopVectorizer::createEdgeMask(BasicBlock *Src, BasicBlock *Dst) {
2882   assert(std::find(pred_begin(Dst), pred_end(Dst), Src) != pred_end(Dst) &&
2883          "Invalid edge");
2884
2885   // Look for cached value.
2886   std::pair<BasicBlock*, BasicBlock*> Edge(Src, Dst);
2887   EdgeMaskCache::iterator ECEntryIt = MaskCache.find(Edge);
2888   if (ECEntryIt != MaskCache.end())
2889     return ECEntryIt->second;
2890
2891   VectorParts SrcMask = createBlockInMask(Src);
2892
2893   // The terminator has to be a branch inst!
2894   BranchInst *BI = dyn_cast<BranchInst>(Src->getTerminator());
2895   assert(BI && "Unexpected terminator found");
2896
2897   if (BI->isConditional()) {
2898     VectorParts EdgeMask = getVectorValue(BI->getCondition());
2899
2900     if (BI->getSuccessor(0) != Dst)
2901       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2902         EdgeMask[part] = Builder.CreateNot(EdgeMask[part]);
2903
2904     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2905       EdgeMask[part] = Builder.CreateAnd(EdgeMask[part], SrcMask[part]);
2906
2907     MaskCache[Edge] = EdgeMask;
2908     return EdgeMask;
2909   }
2910
2911   MaskCache[Edge] = SrcMask;
2912   return SrcMask;
2913 }
2914
2915 InnerLoopVectorizer::VectorParts
2916 InnerLoopVectorizer::createBlockInMask(BasicBlock *BB) {
2917   assert(OrigLoop->contains(BB) && "Block is not a part of a loop");
2918
2919   // Loop incoming mask is all-one.
2920   if (OrigLoop->getHeader() == BB) {
2921     Value *C = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 1);
2922     return getVectorValue(C);
2923   }
2924
2925   // This is the block mask. We OR all incoming edges, and with zero.
2926   Value *Zero = ConstantInt::get(IntegerType::getInt1Ty(BB->getContext()), 0);
2927   VectorParts BlockMask = getVectorValue(Zero);
2928
2929   // For each pred:
2930   for (pred_iterator it = pred_begin(BB), e = pred_end(BB); it != e; ++it) {
2931     VectorParts EM = createEdgeMask(*it, BB);
2932     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
2933       BlockMask[part] = Builder.CreateOr(BlockMask[part], EM[part]);
2934   }
2935
2936   return BlockMask;
2937 }
2938
2939 void InnerLoopVectorizer::widenPHIInstruction(Instruction *PN,
2940                                               InnerLoopVectorizer::VectorParts &Entry,
2941                                               unsigned UF, unsigned VF, PhiVector *PV) {
2942   PHINode* P = cast<PHINode>(PN);
2943   // Handle reduction variables:
2944   if (Legal->getReductionVars()->count(P)) {
2945     for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2946       // This is phase one of vectorizing PHIs.
2947       Type *VecTy = (VF == 1) ? PN->getType() :
2948       VectorType::get(PN->getType(), VF);
2949       Entry[part] = PHINode::Create(VecTy, 2, "vec.phi",
2950                                     LoopVectorBody.back()-> getFirstInsertionPt());
2951     }
2952     PV->push_back(P);
2953     return;
2954   }
2955
2956   setDebugLocFromInst(Builder, P);
2957   // Check for PHI nodes that are lowered to vector selects.
2958   if (P->getParent() != OrigLoop->getHeader()) {
2959     // We know that all PHIs in non-header blocks are converted into
2960     // selects, so we don't have to worry about the insertion order and we
2961     // can just use the builder.
2962     // At this point we generate the predication tree. There may be
2963     // duplications since this is a simple recursive scan, but future
2964     // optimizations will clean it up.
2965
2966     unsigned NumIncoming = P->getNumIncomingValues();
2967
2968     // Generate a sequence of selects of the form:
2969     // SELECT(Mask3, In3,
2970     //      SELECT(Mask2, In2,
2971     //                   ( ...)))
2972     for (unsigned In = 0; In < NumIncoming; In++) {
2973       VectorParts Cond = createEdgeMask(P->getIncomingBlock(In),
2974                                         P->getParent());
2975       VectorParts &In0 = getVectorValue(P->getIncomingValue(In));
2976
2977       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
2978         // We might have single edge PHIs (blocks) - use an identity
2979         // 'select' for the first PHI operand.
2980         if (In == 0)
2981           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
2982                                              In0[part]);
2983         else
2984           // Select between the current value and the previous incoming edge
2985           // based on the incoming mask.
2986           Entry[part] = Builder.CreateSelect(Cond[part], In0[part],
2987                                              Entry[part], "predphi");
2988       }
2989     }
2990     return;
2991   }
2992
2993   // This PHINode must be an induction variable.
2994   // Make sure that we know about it.
2995   assert(Legal->getInductionVars()->count(P) &&
2996          "Not an induction variable");
2997
2998   LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
2999   Legal->getInductionVars()->lookup(P);
3000
3001   // FIXME: The newly created binary instructions should contain nsw/nuw flags,
3002   // which can be found from the original scalar operations.
3003   switch (II.IK) {
3004     case LoopVectorizationLegality::IK_NoInduction:
3005       llvm_unreachable("Unknown induction");
3006     case LoopVectorizationLegality::IK_IntInduction: {
3007       assert(P->getType() == II.StartValue->getType() && "Types must match");
3008       Type *PhiTy = P->getType();
3009       Value *Broadcasted;
3010       if (P == OldInduction) {
3011         // Handle the canonical induction variable. We might have had to
3012         // extend the type.
3013         Broadcasted = Builder.CreateTrunc(Induction, PhiTy);
3014       } else {
3015         // Handle other induction variables that are now based on the
3016         // canonical one.
3017         Value *NormalizedIdx = Builder.CreateSub(Induction, ExtendedIdx,
3018                                                  "normalized.idx");
3019         NormalizedIdx = Builder.CreateSExtOrTrunc(NormalizedIdx, PhiTy);
3020         Broadcasted = II.transform(Builder, NormalizedIdx);
3021         Broadcasted->setName("offset.idx");
3022       }
3023       Broadcasted = getBroadcastInstrs(Broadcasted);
3024       // After broadcasting the induction variable we need to make the vector
3025       // consecutive by adding 0, 1, 2, etc.
3026       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part)
3027         Entry[part] = getStepVector(Broadcasted, VF * part, II.StepValue);
3028       return;
3029     }
3030     case LoopVectorizationLegality::IK_PtrInduction:
3031       // Handle the pointer induction variable case.
3032       assert(P->getType()->isPointerTy() && "Unexpected type.");
3033       // This is the normalized GEP that starts counting at zero.
3034       Value *NormalizedIdx =
3035           Builder.CreateSub(Induction, ExtendedIdx, "normalized.idx");
3036       // This is the vector of results. Notice that we don't generate
3037       // vector geps because scalar geps result in better code.
3038       for (unsigned part = 0; part < UF; ++part) {
3039         if (VF == 1) {
3040           int EltIndex = part;
3041           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
3042           Value *GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx);
3043           Value *SclrGep = II.transform(Builder, GlobalIdx);
3044           SclrGep->setName("next.gep");
3045           Entry[part] = SclrGep;
3046           continue;
3047         }
3048
3049         Value *VecVal = UndefValue::get(VectorType::get(P->getType(), VF));
3050         for (unsigned int i = 0; i < VF; ++i) {
3051           int EltIndex = i + part * VF;
3052           Constant *Idx = ConstantInt::get(Induction->getType(), EltIndex);
3053           Value *GlobalIdx = Builder.CreateAdd(NormalizedIdx, Idx);
3054           Value *SclrGep = II.transform(Builder, GlobalIdx);
3055           SclrGep->setName("next.gep");
3056           VecVal = Builder.CreateInsertElement(VecVal, SclrGep,
3057                                                Builder.getInt32(i),
3058                                                "insert.gep");
3059         }
3060         Entry[part] = VecVal;
3061       }
3062       return;
3063   }
3064 }
3065
3066 void InnerLoopVectorizer::vectorizeBlockInLoop(BasicBlock *BB, PhiVector *PV) {
3067   // For each instruction in the old loop.
3068   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
3069     VectorParts &Entry = WidenMap.get(it);
3070     switch (it->getOpcode()) {
3071     case Instruction::Br:
3072       // Nothing to do for PHIs and BR, since we already took care of the
3073       // loop control flow instructions.
3074       continue;
3075     case Instruction::PHI: {
3076       // Vectorize PHINodes.
3077       widenPHIInstruction(it, Entry, UF, VF, PV);
3078       continue;
3079     }// End of PHI.
3080
3081     case Instruction::Add:
3082     case Instruction::FAdd:
3083     case Instruction::Sub:
3084     case Instruction::FSub:
3085     case Instruction::Mul:
3086     case Instruction::FMul:
3087     case Instruction::UDiv:
3088     case Instruction::SDiv:
3089     case Instruction::FDiv:
3090     case Instruction::URem:
3091     case Instruction::SRem:
3092     case Instruction::FRem:
3093     case Instruction::Shl:
3094     case Instruction::LShr:
3095     case Instruction::AShr:
3096     case Instruction::And:
3097     case Instruction::Or:
3098     case Instruction::Xor: {
3099       // Just widen binops.
3100       BinaryOperator *BinOp = dyn_cast<BinaryOperator>(it);
3101       setDebugLocFromInst(Builder, BinOp);
3102       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3103       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
3104
3105       // Use this vector value for all users of the original instruction.
3106       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3107         Value *V = Builder.CreateBinOp(BinOp->getOpcode(), A[Part], B[Part]);
3108
3109         if (BinaryOperator *VecOp = dyn_cast<BinaryOperator>(V))
3110           VecOp->copyIRFlags(BinOp);
3111
3112         Entry[Part] = V;
3113       }
3114
3115       propagateMetadata(Entry, it);
3116       break;
3117     }
3118     case Instruction::Select: {
3119       // Widen selects.
3120       // If the selector is loop invariant we can create a select
3121       // instruction with a scalar condition. Otherwise, use vector-select.
3122       bool InvariantCond = SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(it->getOperand(0)),
3123                                                OrigLoop);
3124       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3125
3126       // The condition can be loop invariant  but still defined inside the
3127       // loop. This means that we can't just use the original 'cond' value.
3128       // We have to take the 'vectorized' value and pick the first lane.
3129       // Instcombine will make this a no-op.
3130       VectorParts &Cond = getVectorValue(it->getOperand(0));
3131       VectorParts &Op0  = getVectorValue(it->getOperand(1));
3132       VectorParts &Op1  = getVectorValue(it->getOperand(2));
3133
3134       Value *ScalarCond = (VF == 1) ? Cond[0] :
3135         Builder.CreateExtractElement(Cond[0], Builder.getInt32(0));
3136
3137       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3138         Entry[Part] = Builder.CreateSelect(
3139           InvariantCond ? ScalarCond : Cond[Part],
3140           Op0[Part],
3141           Op1[Part]);
3142       }
3143
3144       propagateMetadata(Entry, it);
3145       break;
3146     }
3147
3148     case Instruction::ICmp:
3149     case Instruction::FCmp: {
3150       // Widen compares. Generate vector compares.
3151       bool FCmp = (it->getOpcode() == Instruction::FCmp);
3152       CmpInst *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(it);
3153       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3154       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3155       VectorParts &B = getVectorValue(it->getOperand(1));
3156       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3157         Value *C = nullptr;
3158         if (FCmp)
3159           C = Builder.CreateFCmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
3160         else
3161           C = Builder.CreateICmp(Cmp->getPredicate(), A[Part], B[Part]);
3162         Entry[Part] = C;
3163       }
3164
3165       propagateMetadata(Entry, it);
3166       break;
3167     }
3168
3169     case Instruction::Store:
3170     case Instruction::Load:
3171       vectorizeMemoryInstruction(it);
3172         break;
3173     case Instruction::ZExt:
3174     case Instruction::SExt:
3175     case Instruction::FPToUI:
3176     case Instruction::FPToSI:
3177     case Instruction::FPExt:
3178     case Instruction::PtrToInt:
3179     case Instruction::IntToPtr:
3180     case Instruction::SIToFP:
3181     case Instruction::UIToFP:
3182     case Instruction::Trunc:
3183     case Instruction::FPTrunc:
3184     case Instruction::BitCast: {
3185       CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(it);
3186       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3187       /// Optimize the special case where the source is the induction
3188       /// variable. Notice that we can only optimize the 'trunc' case
3189       /// because: a. FP conversions lose precision, b. sext/zext may wrap,
3190       /// c. other casts depend on pointer size.
3191       if (CI->getOperand(0) == OldInduction &&
3192           it->getOpcode() == Instruction::Trunc) {
3193         Value *ScalarCast = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), Induction,
3194                                                CI->getType());
3195         Value *Broadcasted = getBroadcastInstrs(ScalarCast);
3196         LoopVectorizationLegality::InductionInfo II =
3197             Legal->getInductionVars()->lookup(OldInduction);
3198         Constant *Step =
3199             ConstantInt::getSigned(CI->getType(), II.StepValue->getSExtValue());
3200         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
3201           Entry[Part] = getStepVector(Broadcasted, VF * Part, Step);
3202         propagateMetadata(Entry, it);
3203         break;
3204       }
3205       /// Vectorize casts.
3206       Type *DestTy = (VF == 1) ? CI->getType() :
3207                                  VectorType::get(CI->getType(), VF);
3208
3209       VectorParts &A = getVectorValue(it->getOperand(0));
3210       for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part)
3211         Entry[Part] = Builder.CreateCast(CI->getOpcode(), A[Part], DestTy);
3212       propagateMetadata(Entry, it);
3213       break;
3214     }
3215
3216     case Instruction::Call: {
3217       // Ignore dbg intrinsics.
3218       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
3219         break;
3220       setDebugLocFromInst(Builder, it);
3221
3222       Module *M = BB->getParent()->getParent();
3223       CallInst *CI = cast<CallInst>(it);
3224       Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
3225       assert(ID && "Not an intrinsic call!");
3226       switch (ID) {
3227       case Intrinsic::assume:
3228       case Intrinsic::lifetime_end:
3229       case Intrinsic::lifetime_start:
3230         scalarizeInstruction(it);
3231         break;
3232       default:
3233         bool HasScalarOpd = hasVectorInstrinsicScalarOpd(ID, 1);
3234         for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
3235           SmallVector<Value *, 4> Args;
3236           for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i) {
3237             if (HasScalarOpd && i == 1) {
3238               Args.push_back(CI->getArgOperand(i));
3239               continue;
3240             }
3241             VectorParts &Arg = getVectorValue(CI->getArgOperand(i));
3242             Args.push_back(Arg[Part]);
3243           }
3244           Type *Tys[] = {CI->getType()};
3245           if (VF > 1)
3246             Tys[0] = VectorType::get(CI->getType()->getScalarType(), VF);
3247
3248           Function *F = Intrinsic::getDeclaration(M, ID, Tys);
3249           Entry[Part] = Builder.CreateCall(F, Args);
3250         }
3251
3252         propagateMetadata(Entry, it);
3253         break;
3254       }
3255       break;
3256     }
3257
3258     default:
3259       // All other instructions are unsupported. Scalarize them.
3260       scalarizeInstruction(it);
3261       break;
3262     }// end of switch.
3263   }// end of for_each instr.
3264 }
3265
3266 void InnerLoopVectorizer::updateAnalysis() {
3267   // Forget the original basic block.
3268   SE->forgetLoop(OrigLoop);
3269
3270   // Update the dominator tree information.
3271   assert(DT->properlyDominates(LoopBypassBlocks.front(), LoopExitBlock) &&
3272          "Entry does not dominate exit.");
3273
3274   for (unsigned I = 1, E = LoopBypassBlocks.size(); I != E; ++I)
3275     DT->addNewBlock(LoopBypassBlocks[I], LoopBypassBlocks[I-1]);
3276   DT->addNewBlock(LoopVectorPreHeader, LoopBypassBlocks.back());
3277
3278   // Due to if predication of stores we might create a sequence of "if(pred)
3279   // a[i] = ...;  " blocks.
3280   for (unsigned i = 0, e = LoopVectorBody.size(); i != e; ++i) {
3281     if (i == 0)
3282       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[0], LoopVectorPreHeader);
3283     else if (isPredicatedBlock(i)) {
3284       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[i], LoopVectorBody[i-1]);
3285     } else {
3286       DT->addNewBlock(LoopVectorBody[i], LoopVectorBody[i-2]);
3287     }
3288   }
3289
3290   DT->addNewBlock(LoopMiddleBlock, LoopBypassBlocks[1]);
3291   DT->addNewBlock(LoopScalarPreHeader, LoopBypassBlocks[0]);
3292   DT->changeImmediateDominator(LoopScalarBody, LoopScalarPreHeader);
3293   DT->changeImmediateDominator(LoopExitBlock, LoopBypassBlocks[0]);
3294
3295   DEBUG(DT->verifyDomTree());
3296 }
3297
3298 /// \brief Check whether it is safe to if-convert this phi node.
3299 ///
3300 /// Phi nodes with constant expressions that can trap are not safe to if
3301 /// convert.
3302 static bool canIfConvertPHINodes(BasicBlock *BB) {
3303   for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
3304     PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(I);
3305     if (!Phi)
3306       return true;
3307     for (unsigned p = 0, e = Phi->getNumIncomingValues(); p != e; ++p)
3308       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Phi->getIncomingValue(p)))
3309         if (C->canTrap())
3310           return false;
3311   }
3312   return true;
3313 }
3314
3315 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeWithIfConvert() {
3316   if (!EnableIfConversion) {
3317     emitAnalysis(VectorizationReport() << "if-conversion is disabled");
3318     return false;
3319   }
3320
3321   assert(TheLoop->getNumBlocks() > 1 && "Single block loops are vectorizable");
3322
3323   // A list of pointers that we can safely read and write to.
3324   SmallPtrSet<Value *, 8> SafePointes;
3325
3326   // Collect safe addresses.
3327   for (Loop::block_iterator BI = TheLoop->block_begin(),
3328          BE = TheLoop->block_end(); BI != BE; ++BI) {
3329     BasicBlock *BB = *BI;
3330
3331     if (blockNeedsPredication(BB))
3332       continue;
3333
3334     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I) {
3335       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I))
3336         SafePointes.insert(LI->getPointerOperand());
3337       else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I))
3338         SafePointes.insert(SI->getPointerOperand());
3339     }
3340   }
3341
3342   // Collect the blocks that need predication.
3343   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
3344   for (Loop::block_iterator BI = TheLoop->block_begin(),
3345          BE = TheLoop->block_end(); BI != BE; ++BI) {
3346     BasicBlock *BB = *BI;
3347
3348     // We don't support switch statements inside loops.
3349     if (!isa<BranchInst>(BB->getTerminator())) {
3350       emitAnalysis(VectorizationReport(BB->getTerminator())
3351                    << "loop contains a switch statement");
3352       return false;
3353     }
3354
3355     // We must be able to predicate all blocks that need to be predicated.
3356     if (blockNeedsPredication(BB)) {
3357       if (!blockCanBePredicated(BB, SafePointes)) {
3358         emitAnalysis(VectorizationReport(BB->getTerminator())
3359                      << "control flow cannot be substituted for a select");
3360         return false;
3361       }
3362     } else if (BB != Header && !canIfConvertPHINodes(BB)) {
3363       emitAnalysis(VectorizationReport(BB->getTerminator())
3364                    << "control flow cannot be substituted for a select");
3365       return false;
3366     }
3367   }
3368
3369   // We can if-convert this loop.
3370   return true;
3371 }
3372
3373 bool LoopVectorizationLegality::canVectorize() {
3374   // We must have a loop in canonical form. Loops with indirectbr in them cannot
3375   // be canonicalized.
3376   if (!TheLoop->getLoopPreheader()) {
3377     emitAnalysis(
3378         VectorizationReport() <<
3379         "loop control flow is not understood by vectorizer");
3380     return false;
3381   }
3382
3383   // We can only vectorize innermost loops.
3384   if (!TheLoop->getSubLoopsVector().empty()) {
3385     emitAnalysis(VectorizationReport() << "loop is not the innermost loop");
3386     return false;
3387   }
3388
3389   // We must have a single backedge.
3390   if (TheLoop->getNumBackEdges() != 1) {
3391     emitAnalysis(
3392         VectorizationReport() <<
3393         "loop control flow is not understood by vectorizer");
3394     return false;
3395   }
3396
3397   // We must have a single exiting block.
3398   if (!TheLoop->getExitingBlock()) {
3399     emitAnalysis(
3400         VectorizationReport() <<
3401         "loop control flow is not understood by vectorizer");
3402     return false;
3403   }
3404
3405   // We only handle bottom-tested loops, i.e. loop in which the condition is
3406   // checked at the end of each iteration. With that we can assume that all
3407   // instructions in the loop are executed the same number of times.
3408   if (TheLoop->getExitingBlock() != TheLoop->getLoopLatch()) {
3409     emitAnalysis(
3410         VectorizationReport() <<
3411         "loop control flow is not understood by vectorizer");
3412     return false;
3413   }
3414
3415   // We need to have a loop header.
3416   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a loop: " <<
3417         TheLoop->getHeader()->getName() << '\n');
3418
3419   // Check if we can if-convert non-single-bb loops.
3420   unsigned NumBlocks = TheLoop->getNumBlocks();
3421   if (NumBlocks != 1 && !canVectorizeWithIfConvert()) {
3422     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't if-convert the loop.\n");
3423     return false;
3424   }
3425
3426   // ScalarEvolution needs to be able to find the exit count.
3427   const SCEV *ExitCount = SE->getBackedgeTakenCount(TheLoop);
3428   if (ExitCount == SE->getCouldNotCompute()) {
3429     emitAnalysis(VectorizationReport() <<
3430                  "could not determine number of loop iterations");
3431     DEBUG(dbgs() << "LV: SCEV could not compute the loop exit count.\n");
3432     return false;
3433   }
3434
3435   // Check if we can vectorize the instructions and CFG in this loop.
3436   if (!canVectorizeInstrs()) {
3437     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize the instructions or CFG\n");
3438     return false;
3439   }
3440
3441   // Go over each instruction and look at memory deps.
3442   if (!canVectorizeMemory()) {
3443     DEBUG(dbgs() << "LV: Can't vectorize due to memory conflicts\n");
3444     return false;
3445   }
3446
3447   // Collect all of the variables that remain uniform after vectorization.
3448   collectLoopUniforms();
3449
3450   DEBUG(dbgs() << "LV: We can vectorize this loop" <<
3451         (LAI->getRuntimePointerCheck()->Need ? " (with a runtime bound check)" :
3452          "")
3453         <<"!\n");
3454
3455   // Okay! We can vectorize. At this point we don't have any other mem analysis
3456   // which may limit our maximum vectorization factor, so just return true with
3457   // no restrictions.
3458   return true;
3459 }
3460
3461 static Type *convertPointerToIntegerType(const DataLayout &DL, Type *Ty) {
3462   if (Ty->isPointerTy())
3463     return DL.getIntPtrType(Ty);
3464
3465   // It is possible that char's or short's overflow when we ask for the loop's
3466   // trip count, work around this by changing the type size.
3467   if (Ty->getScalarSizeInBits() < 32)
3468     return Type::getInt32Ty(Ty->getContext());
3469
3470   return Ty;
3471 }
3472
3473 static Type* getWiderType(const DataLayout &DL, Type *Ty0, Type *Ty1) {
3474   Ty0 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty0);
3475   Ty1 = convertPointerToIntegerType(DL, Ty1);
3476   if (Ty0->getScalarSizeInBits() > Ty1->getScalarSizeInBits())
3477     return Ty0;
3478   return Ty1;
3479 }
3480
3481 /// \brief Check that the instruction has outside loop users and is not an
3482 /// identified reduction variable.
3483 static bool hasOutsideLoopUser(const Loop *TheLoop, Instruction *Inst,
3484                                SmallPtrSetImpl<Value *> &Reductions) {
3485   // Reduction instructions are allowed to have exit users. All other
3486   // instructions must not have external users.
3487   if (!Reductions.count(Inst))
3488     //Check that all of the users of the loop are inside the BB.
3489     for (User *U : Inst->users()) {
3490       Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
3491       // This user may be a reduction exit value.
3492       if (!TheLoop->contains(UI)) {
3493         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an outside user for : " << *UI << '\n');
3494         return true;
3495       }
3496     }
3497   return false;
3498 }
3499
3500 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeInstrs() {
3501   BasicBlock *PreHeader = TheLoop->getLoopPreheader();
3502   BasicBlock *Header = TheLoop->getHeader();
3503
3504   // Look for the attribute signaling the absence of NaNs.
3505   Function &F = *Header->getParent();
3506   const DataLayout &DL = F.getParent()->getDataLayout();
3507   if (F.hasFnAttribute("no-nans-fp-math"))
3508     HasFunNoNaNAttr =
3509         F.getFnAttribute("no-nans-fp-math").getValueAsString() == "true";
3510
3511   // For each block in the loop.
3512   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
3513        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
3514
3515     // Scan the instructions in the block and look for hazards.
3516     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
3517          ++it) {
3518
3519       if (PHINode *Phi = dyn_cast<PHINode>(it)) {
3520         Type *PhiTy = Phi->getType();
3521         // Check that this PHI type is allowed.
3522         if (!PhiTy->isIntegerTy() &&
3523             !PhiTy->isFloatingPointTy() &&
3524             !PhiTy->isPointerTy()) {
3525           emitAnalysis(VectorizationReport(it)
3526                        << "loop control flow is not understood by vectorizer");
3527           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an non-int non-pointer PHI.\n");
3528           return false;
3529         }
3530
3531         // If this PHINode is not in the header block, then we know that we
3532         // can convert it to select during if-conversion. No need to check if
3533         // the PHIs in this block are induction or reduction variables.
3534         if (*bb != Header) {
3535           // Check that this instruction has no outside users or is an
3536           // identified reduction value with an outside user.
3537           if (!hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit))
3538             continue;
3539           emitAnalysis(VectorizationReport(it) <<
3540                        "value could not be identified as "
3541                        "an induction or reduction variable");
3542           return false;
3543         }
3544
3545         // We only allow if-converted PHIs with exactly two incoming values.
3546         if (Phi->getNumIncomingValues() != 2) {
3547           emitAnalysis(VectorizationReport(it)
3548                        << "control flow not understood by vectorizer");
3549           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an invalid PHI.\n");
3550           return false;
3551         }
3552
3553         // This is the value coming from the preheader.
3554         Value *StartValue = Phi->getIncomingValueForBlock(PreHeader);
3555         ConstantInt *StepValue = nullptr;
3556         // Check if this is an induction variable.
3557         InductionKind IK = isInductionVariable(Phi, StepValue);
3558
3559         if (IK_NoInduction != IK) {
3560           // Get the widest type.
3561           if (!WidestIndTy)
3562             WidestIndTy = convertPointerToIntegerType(DL, PhiTy);
3563           else
3564             WidestIndTy = getWiderType(DL, PhiTy, WidestIndTy);
3565
3566           // Int inductions are special because we only allow one IV.
3567           if (IK == IK_IntInduction && StepValue->isOne()) {
3568             // Use the phi node with the widest type as induction. Use the last
3569             // one if there are multiple (no good reason for doing this other
3570             // than it is expedient).
3571             if (!Induction || PhiTy == WidestIndTy)
3572               Induction = Phi;
3573           }
3574
3575           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an induction variable.\n");
3576           Inductions[Phi] = InductionInfo(StartValue, IK, StepValue);
3577
3578           // Until we explicitly handle the case of an induction variable with
3579           // an outside loop user we have to give up vectorizing this loop.
3580           if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit)) {
3581             emitAnalysis(VectorizationReport(it) <<
3582                          "use of induction value outside of the "
3583                          "loop is not handled by vectorizer");
3584             return false;
3585           }
3586
3587           continue;
3588         }
3589
3590         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAdd)) {
3591           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an ADD reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3592           continue;
3593         }
3594         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMult)) {
3595           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MUL reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3596           continue;
3597         }
3598         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerOr)) {
3599           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an OR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3600           continue;
3601         }
3602         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerAnd)) {
3603           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an AND reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3604           continue;
3605         }
3606         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerXor)) {
3607           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a XOR reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3608           continue;
3609         }
3610         if (AddReductionVar(Phi, RK_IntegerMinMax)) {
3611           DEBUG(dbgs() << "LV: Found a MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3612           continue;
3613         }
3614         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMult)) {
3615           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FMult reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3616           continue;
3617         }
3618         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatAdd)) {
3619           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an FAdd reduction PHI."<< *Phi <<"\n");
3620           continue;
3621         }
3622         if (AddReductionVar(Phi, RK_FloatMinMax)) {
3623           DEBUG(dbgs() << "LV: Found an float MINMAX reduction PHI."<< *Phi <<
3624                 "\n");
3625           continue;
3626         }
3627
3628         emitAnalysis(VectorizationReport(it) <<
3629                      "value that could not be identified as "
3630                      "reduction is used outside the loop");
3631         DEBUG(dbgs() << "LV: Found an unidentified PHI."<< *Phi <<"\n");
3632         return false;
3633       }// end of PHI handling
3634
3635       // We still don't handle functions. However, we can ignore dbg intrinsic
3636       // calls and we do handle certain intrinsic and libm functions.
3637       CallInst *CI = dyn_cast<CallInst>(it);
3638       if (CI && !getIntrinsicIDForCall(CI, TLI) && !isa<DbgInfoIntrinsic>(CI)) {
3639         emitAnalysis(VectorizationReport(it) <<
3640                      "call instruction cannot be vectorized");
3641         DEBUG(dbgs() << "LV: Found a call site.\n");
3642         return false;
3643       }
3644
3645       // Intrinsics such as powi,cttz and ctlz are legal to vectorize if the
3646       // second argument is the same (i.e. loop invariant)
3647       if (CI &&
3648           hasVectorInstrinsicScalarOpd(getIntrinsicIDForCall(CI, TLI), 1)) {
3649         if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(CI->getOperand(1)), TheLoop)) {
3650           emitAnalysis(VectorizationReport(it)
3651                        << "intrinsic instruction cannot be vectorized");
3652           DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable intrinsic " << *CI << "\n");
3653           return false;
3654         }
3655       }
3656
3657       // Check that the instruction return type is vectorizable.
3658       // Also, we can't vectorize extractelement instructions.
3659       if ((!VectorType::isValidElementType(it->getType()) &&
3660            !it->getType()->isVoidTy()) || isa<ExtractElementInst>(it)) {
3661         emitAnalysis(VectorizationReport(it)
3662                      << "instruction return type cannot be vectorized");
3663         DEBUG(dbgs() << "LV: Found unvectorizable type.\n");
3664         return false;
3665       }
3666
3667       // Check that the stored type is vectorizable.
3668       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it)) {
3669         Type *T = ST->getValueOperand()->getType();
3670         if (!VectorType::isValidElementType(T)) {
3671           emitAnalysis(VectorizationReport(ST) <<
3672                        "store instruction cannot be vectorized");
3673           return false;
3674         }
3675         if (EnableMemAccessVersioning)
3676           collectStridedAccess(ST);
3677       }
3678
3679       if (EnableMemAccessVersioning)
3680         if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it))
3681           collectStridedAccess(LI);
3682
3683       // Reduction instructions are allowed to have exit users.
3684       // All other instructions must not have external users.
3685       if (hasOutsideLoopUser(TheLoop, it, AllowedExit)) {
3686         emitAnalysis(VectorizationReport(it) <<
3687                      "value cannot be used outside the loop");
3688         return false;
3689       }
3690
3691     } // next instr.
3692
3693   }
3694
3695   if (!Induction) {
3696     DEBUG(dbgs() << "LV: Did not find one integer induction var.\n");
3697     if (Inductions.empty()) {
3698       emitAnalysis(VectorizationReport()
3699                    << "loop induction variable could not be identified");
3700       return false;
3701     }
3702   }
3703
3704   return true;
3705 }
3706
3707 ///\brief Remove GEPs whose indices but the last one are loop invariant and
3708 /// return the induction operand of the gep pointer.
3709 static Value *stripGetElementPtr(Value *Ptr, ScalarEvolution *SE, Loop *Lp) {
3710   GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
3711   if (!GEP)
3712     return Ptr;
3713
3714   unsigned InductionOperand = getGEPInductionOperand(GEP);
3715
3716   // Check that all of the gep indices are uniform except for our induction
3717   // operand.
3718   for (unsigned i = 0, e = GEP->getNumOperands(); i != e; ++i)
3719     if (i != InductionOperand &&
3720         !SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(GEP->getOperand(i)), Lp))
3721       return Ptr;
3722   return GEP->getOperand(InductionOperand);
3723 }
3724
3725 ///\brief Look for a cast use of the passed value.
3726 static Value *getUniqueCastUse(Value *Ptr, Loop *Lp, Type *Ty) {
3727   Value *UniqueCast = nullptr;
3728   for (User *U : Ptr->users()) {
3729     CastInst *CI = dyn_cast<CastInst>(U);
3730     if (CI && CI->getType() == Ty) {
3731       if (!UniqueCast)
3732         UniqueCast = CI;
3733       else
3734         return nullptr;
3735     }
3736   }
3737   return UniqueCast;
3738 }
3739
3740 ///\brief Get the stride of a pointer access in a loop.
3741 /// Looks for symbolic strides "a[i*stride]". Returns the symbolic stride as a
3742 /// pointer to the Value, or null otherwise.
3743 static Value *getStrideFromPointer(Value *Ptr, ScalarEvolution *SE, Loop *Lp) {
3744   const PointerType *PtrTy = dyn_cast<PointerType>(Ptr->getType());
3745   if (!PtrTy || PtrTy->isAggregateType())
3746     return nullptr;
3747
3748   // Try to remove a gep instruction to make the pointer (actually index at this
3749   // point) easier analyzable. If OrigPtr is equal to Ptr we are analzying the
3750   // pointer, otherwise, we are analyzing the index.
3751   Value *OrigPtr = Ptr;
3752
3753   // The size of the pointer access.
3754   int64_t PtrAccessSize = 1;
3755
3756   Ptr = stripGetElementPtr(Ptr, SE, Lp);
3757   const SCEV *V = SE->getSCEV(Ptr);
3758
3759   if (Ptr != OrigPtr)
3760     // Strip off casts.
3761     while (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(V))
3762       V = C->getOperand();
3763
3764   const SCEVAddRecExpr *S = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(V);
3765   if (!S)
3766     return nullptr;
3767
3768   V = S->getStepRecurrence(*SE);
3769   if (!V)
3770     return nullptr;
3771
3772   // Strip off the size of access multiplication if we are still analyzing the
3773   // pointer.
3774   if (OrigPtr == Ptr) {
3775     const DataLayout &DL = Lp->getHeader()->getModule()->getDataLayout();
3776     DL.getTypeAllocSize(PtrTy->getElementType());
3777     if (const SCEVMulExpr *M = dyn_cast<SCEVMulExpr>(V)) {
3778       if (M->getOperand(0)->getSCEVType() != scConstant)
3779         return nullptr;
3780
3781       const APInt &APStepVal =
3782           cast<SCEVConstant>(M->getOperand(0))->getValue()->getValue();
3783
3784       // Huge step value - give up.
3785       if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
3786         return nullptr;
3787
3788       int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
3789       if (PtrAccessSize != StepVal)
3790         return nullptr;
3791       V = M->getOperand(1);
3792     }
3793   }
3794
3795   // Strip off casts.
3796   Type *StripedOffRecurrenceCast = nullptr;
3797   if (const SCEVCastExpr *C = dyn_cast<SCEVCastExpr>(V)) {
3798     StripedOffRecurrenceCast = C->getType();
3799     V = C->getOperand();
3800   }
3801
3802   // Look for the loop invariant symbolic value.
3803   const SCEVUnknown *U = dyn_cast<SCEVUnknown>(V);
3804   if (!U)
3805     return nullptr;
3806
3807   Value *Stride = U->getValue();
3808   if (!Lp->isLoopInvariant(Stride))
3809     return nullptr;
3810
3811   // If we have stripped off the recurrence cast we have to make sure that we
3812   // return the value that is used in this loop so that we can replace it later.
3813   if (StripedOffRecurrenceCast)
3814     Stride = getUniqueCastUse(Stride, Lp, StripedOffRecurrenceCast);
3815
3816   return Stride;
3817 }
3818
3819 void LoopVectorizationLegality::collectStridedAccess(Value *MemAccess) {
3820   Value *Ptr = nullptr;
3821   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(MemAccess))
3822     Ptr = LI->getPointerOperand();
3823   else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(MemAccess))
3824     Ptr = SI->getPointerOperand();
3825   else
3826     return;
3827
3828   Value *Stride = getStrideFromPointer(Ptr, SE, TheLoop);
3829   if (!Stride)
3830     return;
3831
3832   DEBUG(dbgs() << "LV: Found a strided access that we can version");
3833   DEBUG(dbgs() << "  Ptr: " << *Ptr << " Stride: " << *Stride << "\n");
3834   Strides[Ptr] = Stride;
3835   StrideSet.insert(Stride);
3836 }
3837
3838 void LoopVectorizationLegality::collectLoopUniforms() {
3839   // We now know that the loop is vectorizable!
3840   // Collect variables that will remain uniform after vectorization.
3841   std::vector<Value*> Worklist;
3842   BasicBlock *Latch = TheLoop->getLoopLatch();
3843
3844   // Start with the conditional branch and walk up the block.
3845   Worklist.push_back(Latch->getTerminator()->getOperand(0));
3846
3847   // Also add all consecutive pointer values; these values will be uniform
3848   // after vectorization (and subsequent cleanup) and, until revectorization is
3849   // supported, all dependencies must also be uniform.
3850   for (Loop::block_iterator B = TheLoop->block_begin(),
3851        BE = TheLoop->block_end(); B != BE; ++B)
3852     for (BasicBlock::iterator I = (*B)->begin(), IE = (*B)->end();
3853          I != IE; ++I)
3854       if (I->getType()->isPointerTy() && isConsecutivePtr(I))
3855         Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
3856
3857   while (!Worklist.empty()) {
3858     Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(Worklist.back());
3859     Worklist.pop_back();
3860
3861     // Look at instructions inside this loop.
3862     // Stop when reaching PHI nodes.
3863     // TODO: we need to follow values all over the loop, not only in this block.
3864     if (!I || !TheLoop->contains(I) || isa<PHINode>(I))
3865       continue;
3866
3867     // This is a known uniform.
3868     Uniforms.insert(I);
3869
3870     // Insert all operands.
3871     Worklist.insert(Worklist.end(), I->op_begin(), I->op_end());
3872   }
3873 }
3874
3875 bool LoopVectorizationLegality::canVectorizeMemory() {
3876   LAI = &LAA->getInfo(TheLoop, Strides);
3877   auto &OptionalReport = LAI->getReport();
3878   if (OptionalReport)
3879     emitAnalysis(VectorizationReport(*OptionalReport));
3880   if (!LAI->canVectorizeMemory())
3881     return false;
3882
3883   if (LAI->getNumRuntimePointerChecks() >
3884       VectorizerParams::RuntimeMemoryCheckThreshold) {
3885     emitAnalysis(VectorizationReport()
3886                  << LAI->getNumRuntimePointerChecks() << " exceeds limit of "
3887                  << VectorizerParams::RuntimeMemoryCheckThreshold
3888                  << " dependent memory operations checked at runtime");
3889     DEBUG(dbgs() << "LV: Too many memory checks needed.\n");
3890     return false;
3891   }
3892   return true;
3893 }
3894
3895 static bool hasMultipleUsesOf(Instruction *I,
3896                               SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Insts) {
3897   unsigned NumUses = 0;
3898   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use) {
3899     if (Insts.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
3900       ++NumUses;
3901     if (NumUses > 1)
3902       return true;
3903   }
3904
3905   return false;
3906 }
3907
3908 static bool areAllUsesIn(Instruction *I, SmallPtrSetImpl<Instruction *> &Set) {
3909   for(User::op_iterator Use = I->op_begin(), E = I->op_end(); Use != E; ++Use)
3910     if (!Set.count(dyn_cast<Instruction>(*Use)))
3911       return false;
3912   return true;
3913 }
3914
3915 bool LoopVectorizationLegality::AddReductionVar(PHINode *Phi,
3916                                                 ReductionKind Kind) {
3917   if (Phi->getNumIncomingValues() != 2)
3918     return false;
3919
3920   // Reduction variables are only found in the loop header block.
3921   if (Phi->getParent() != TheLoop->getHeader())
3922     return false;
3923
3924   // Obtain the reduction start value from the value that comes from the loop
3925   // preheader.
3926   Value *RdxStart = Phi->getIncomingValueForBlock(TheLoop->getLoopPreheader());
3927
3928   // ExitInstruction is the single value which is used outside the loop.
3929   // We only allow for a single reduction value to be used outside the loop.
3930   // This includes users of the reduction, variables (which form a cycle
3931   // which ends in the phi node).
3932   Instruction *ExitInstruction = nullptr;
3933   // Indicates that we found a reduction operation in our scan.
3934   bool FoundReduxOp = false;
3935
3936   // We start with the PHI node and scan for all of the users of this
3937   // instruction. All users must be instructions that can be used as reduction
3938   // variables (such as ADD). We must have a single out-of-block user. The cycle
3939   // must include the original PHI.
3940   bool FoundStartPHI = false;
3941
3942   // To recognize min/max patterns formed by a icmp select sequence, we store
3943   // the number of instruction we saw from the recognized min/max pattern,
3944   //  to make sure we only see exactly the two instructions.
3945   unsigned NumCmpSelectPatternInst = 0;
3946   ReductionInstDesc ReduxDesc(false, nullptr);
3947
3948   SmallPtrSet<Instruction *, 8> VisitedInsts;
3949   SmallVector<Instruction *, 8> Worklist;
3950   Worklist.push_back(Phi);
3951   VisitedInsts.insert(Phi);
3952
3953   // A value in the reduction can be used:
3954   //  - By the reduction:
3955   //      - Reduction operation:
3956   //        - One use of reduction value (safe).
3957   //        - Multiple use of reduction value (not safe).
3958   //      - PHI:
3959   //        - All uses of the PHI must be the reduction (safe).
3960   //        - Otherwise, not safe.
3961   //  - By one instruction outside of the loop (safe).
3962   //  - By further instructions outside of the loop (not safe).
3963   //  - By an instruction that is not part of the reduction (not safe).
3964   //    This is either:
3965   //      * An instruction type other than PHI or the reduction operation.
3966   //      * A PHI in the header other than the initial PHI.
3967   while (!Worklist.empty()) {
3968     Instruction *Cur = Worklist.back();
3969     Worklist.pop_back();
3970
3971     // No Users.
3972     // If the instruction has no users then this is a broken chain and can't be
3973     // a reduction variable.
3974     if (Cur->use_empty())
3975       return false;
3976
3977     bool IsAPhi = isa<PHINode>(Cur);
3978
3979     // A header PHI use other than the original PHI.
3980     if (Cur != Phi && IsAPhi && Cur->getParent() == Phi->getParent())
3981       return false;
3982
3983     // Reductions of instructions such as Div, and Sub is only possible if the
3984     // LHS is the reduction variable.
3985     if (!Cur->isCommutative() && !IsAPhi && !isa<SelectInst>(Cur) &&
3986         !isa<ICmpInst>(Cur) && !isa<FCmpInst>(Cur) &&
3987         !VisitedInsts.count(dyn_cast<Instruction>(Cur->getOperand(0))))
3988       return false;
3989
3990     // Any reduction instruction must be of one of the allowed kinds.
3991     ReduxDesc = isReductionInstr(Cur, Kind, ReduxDesc);
3992     if (!ReduxDesc.IsReduction)
3993       return false;
3994
3995     // A reduction operation must only have one use of the reduction value.
3996     if (!IsAPhi && Kind != RK_IntegerMinMax && Kind != RK_FloatMinMax &&
3997         hasMultipleUsesOf(Cur, VisitedInsts))
3998       return false;
3999
4000     // All inputs to a PHI node must be a reduction value.
4001     if(IsAPhi && Cur != Phi && !areAllUsesIn(Cur, VisitedInsts))
4002       return false;
4003
4004     if (Kind == RK_IntegerMinMax && (isa<ICmpInst>(Cur) ||
4005                                      isa<SelectInst>(Cur)))
4006       ++NumCmpSelectPatternInst;
4007     if (Kind == RK_FloatMinMax && (isa<FCmpInst>(Cur) ||
4008                                    isa<SelectInst>(Cur)))
4009       ++NumCmpSelectPatternInst;
4010
4011     // Check  whether we found a reduction operator.
4012     FoundReduxOp |= !IsAPhi;
4013
4014     // Process users of current instruction. Push non-PHI nodes after PHI nodes
4015     // onto the stack. This way we are going to have seen all inputs to PHI
4016     // nodes once we get to them.
4017     SmallVector<Instruction *, 8> NonPHIs;
4018     SmallVector<Instruction *, 8> PHIs;
4019     for (User *U : Cur->users()) {
4020       Instruction *UI = cast<Instruction>(U);
4021
4022       // Check if we found the exit user.
4023       BasicBlock *Parent = UI->getParent();
4024       if (!TheLoop->contains(Parent)) {
4025         // Exit if you find multiple outside users or if the header phi node is
4026         // being used. In this case the user uses the value of the previous
4027         // iteration, in which case we would loose "VF-1" iterations of the
4028         // reduction operation if we vectorize.
4029         if (ExitInstruction != nullptr || Cur == Phi)
4030           return false;
4031
4032         // The instruction used by an outside user must be the last instruction
4033         // before we feed back to the reduction phi. Otherwise, we loose VF-1
4034         // operations on the value.
4035         if (std::find(Phi->op_begin(), Phi->op_end(), Cur) == Phi->op_end())
4036          return false;
4037
4038         ExitInstruction = Cur;
4039         continue;
4040       }
4041
4042       // Process instructions only once (termination). Each reduction cycle
4043       // value must only be used once, except by phi nodes and min/max
4044       // reductions which are represented as a cmp followed by a select.
4045       ReductionInstDesc IgnoredVal(false, nullptr);
4046       if (VisitedInsts.insert(UI).second) {
4047         if (isa<PHINode>(UI))
4048           PHIs.push_back(UI);
4049         else
4050           NonPHIs.push_back(UI);
4051       } else if (!isa<PHINode>(UI) &&
4052                  ((!isa<FCmpInst>(UI) &&
4053                    !isa<ICmpInst>(UI) &&
4054                    !isa<SelectInst>(UI)) ||
4055                   !isMinMaxSelectCmpPattern(UI, IgnoredVal).IsReduction))
4056         return false;
4057
4058       // Remember that we completed the cycle.
4059       if (UI == Phi)
4060         FoundStartPHI = true;
4061     }
4062     Worklist.append(PHIs.begin(), PHIs.end());
4063     Worklist.append(NonPHIs.begin(), NonPHIs.end());
4064   }
4065
4066   // This means we have seen one but not the other instruction of the
4067   // pattern or more than just a select and cmp.
4068   if ((Kind == RK_IntegerMinMax || Kind == RK_FloatMinMax) &&
4069       NumCmpSelectPatternInst != 2)
4070     return false;
4071
4072   if (!FoundStartPHI || !FoundReduxOp || !ExitInstruction)
4073     return false;
4074
4075   // We found a reduction var if we have reached the original phi node and we
4076   // only have a single instruction with out-of-loop users.
4077
4078   // This instruction is allowed to have out-of-loop users.
4079   AllowedExit.insert(ExitInstruction);
4080
4081   // Save the description of this reduction variable.
4082   ReductionDescriptor RD(RdxStart, ExitInstruction, Kind,
4083                          ReduxDesc.MinMaxKind);
4084   Reductions[Phi] = RD;
4085   // We've ended the cycle. This is a reduction variable if we have an
4086   // outside user and it has a binary op.
4087
4088   return true;
4089 }
4090
4091 /// Returns true if the instruction is a Select(ICmp(X, Y), X, Y) instruction
4092 /// pattern corresponding to a min(X, Y) or max(X, Y).
4093 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
4094 LoopVectorizationLegality::isMinMaxSelectCmpPattern(Instruction *I,
4095                                                     ReductionInstDesc &Prev) {
4096
4097   assert((isa<ICmpInst>(I) || isa<FCmpInst>(I) || isa<SelectInst>(I)) &&
4098          "Expect a select instruction");
4099   Instruction *Cmp = nullptr;
4100   SelectInst *Select = nullptr;
4101
4102   // We must handle the select(cmp()) as a single instruction. Advance to the
4103   // select.
4104   if ((Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I)) || (Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I))) {
4105     if (!Cmp->hasOneUse() || !(Select = dyn_cast<SelectInst>(*I->user_begin())))
4106       return ReductionInstDesc(false, I);
4107     return ReductionInstDesc(Select, Prev.MinMaxKind);
4108   }
4109
4110   // Only handle single use cases for now.
4111   if (!(Select = dyn_cast<SelectInst>(I)))
4112     return ReductionInstDesc(false, I);
4113   if (!(Cmp = dyn_cast<ICmpInst>(I->getOperand(0))) &&
4114       !(Cmp = dyn_cast<FCmpInst>(I->getOperand(0))))
4115     return ReductionInstDesc(false, I);
4116   if (!Cmp->hasOneUse())
4117     return ReductionInstDesc(false, I);
4118
4119   Value *CmpLeft;
4120   Value *CmpRight;
4121
4122   // Look for a min/max pattern.
4123   if (m_UMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4124     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMin);
4125   else if (m_UMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4126     return ReductionInstDesc(Select, MRK_UIntMax);
4127   else if (m_SMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4128     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMax);
4129   else if (m_SMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4130     return ReductionInstDesc(Select, MRK_SIntMin);
4131   else if (m_OrdFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4132     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
4133   else if (m_OrdFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4134     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
4135   else if (m_UnordFMin(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4136     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMin);
4137   else if (m_UnordFMax(m_Value(CmpLeft), m_Value(CmpRight)).match(Select))
4138     return ReductionInstDesc(Select, MRK_FloatMax);
4139
4140   return ReductionInstDesc(false, I);
4141 }
4142
4143 LoopVectorizationLegality::ReductionInstDesc
4144 LoopVectorizationLegality::isReductionInstr(Instruction *I,
4145                                             ReductionKind Kind,
4146                                             ReductionInstDesc &Prev) {
4147   bool FP = I->getType()->isFloatingPointTy();
4148   bool FastMath = FP && I->hasUnsafeAlgebra();
4149   switch (I->getOpcode()) {
4150   default:
4151     return ReductionInstDesc(false, I);
4152   case Instruction::PHI:
4153       if (FP && (Kind != RK_FloatMult && Kind != RK_FloatAdd &&
4154                  Kind != RK_FloatMinMax))
4155         return ReductionInstDesc(false, I);
4156     return ReductionInstDesc(I, Prev.MinMaxKind);
4157   case Instruction::Sub:
4158   case Instruction::Add:
4159     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAdd, I);
4160   case Instruction::Mul:
4161     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerMult, I);
4162   case Instruction::And:
4163     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerAnd, I);
4164   case Instruction::Or:
4165     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerOr, I);
4166   case Instruction::Xor:
4167     return ReductionInstDesc(Kind == RK_IntegerXor, I);
4168   case Instruction::FMul:
4169     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatMult && FastMath, I);
4170   case Instruction::FSub:
4171   case Instruction::FAdd:
4172     return ReductionInstDesc(Kind == RK_FloatAdd && FastMath, I);
4173   case Instruction::FCmp:
4174   case Instruction::ICmp:
4175   case Instruction::Select:
4176     if (Kind != RK_IntegerMinMax &&
4177         (!HasFunNoNaNAttr || Kind != RK_FloatMinMax))
4178       return ReductionInstDesc(false, I);
4179     return isMinMaxSelectCmpPattern(I, Prev);
4180   }
4181 }
4182
4183 LoopVectorizationLegality::InductionKind
4184 LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(PHINode *Phi,
4185                                                ConstantInt *&StepValue) {
4186   Type *PhiTy = Phi->getType();
4187   // We only handle integer and pointer inductions variables.
4188   if (!PhiTy->isIntegerTy() && !PhiTy->isPointerTy())
4189     return IK_NoInduction;
4190
4191   // Check that the PHI is consecutive.
4192   const SCEV *PhiScev = SE->getSCEV(Phi);
4193   const SCEVAddRecExpr *AR = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(PhiScev);
4194   if (!AR) {
4195     DEBUG(dbgs() << "LV: PHI is not a poly recurrence.\n");
4196     return IK_NoInduction;
4197   }
4198
4199   const SCEV *Step = AR->getStepRecurrence(*SE);
4200   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4201   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4202   if (!C)
4203     return IK_NoInduction;
4204
4205   ConstantInt *CV = C->getValue();
4206   if (PhiTy->isIntegerTy()) {
4207     StepValue = CV;
4208     return IK_IntInduction;
4209   }
4210
4211   assert(PhiTy->isPointerTy() && "The PHI must be a pointer");
4212   Type *PointerElementType = PhiTy->getPointerElementType();
4213   // The pointer stride cannot be determined if the pointer element type is not
4214   // sized.
4215   if (!PointerElementType->isSized())
4216     return IK_NoInduction;
4217
4218   const DataLayout &DL = Phi->getModule()->getDataLayout();
4219   int64_t Size = static_cast<int64_t>(DL.getTypeAllocSize(PointerElementType));
4220   int64_t CVSize = CV->getSExtValue();
4221   if (CVSize % Size)
4222     return IK_NoInduction;
4223   StepValue = ConstantInt::getSigned(CV->getType(), CVSize / Size);
4224   return IK_PtrInduction;
4225 }
4226
4227 bool LoopVectorizationLegality::isInductionVariable(const Value *V) {
4228   Value *In0 = const_cast<Value*>(V);
4229   PHINode *PN = dyn_cast_or_null<PHINode>(In0);
4230   if (!PN)
4231     return false;
4232
4233   return Inductions.count(PN);
4234 }
4235
4236 bool LoopVectorizationLegality::blockNeedsPredication(BasicBlock *BB)  {
4237   return LoopAccessInfo::blockNeedsPredication(BB, TheLoop, DT);
4238 }
4239
4240 bool LoopVectorizationLegality::blockCanBePredicated(BasicBlock *BB,
4241                                            SmallPtrSetImpl<Value *> &SafePtrs) {
4242   
4243   for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4244     // Check that we don't have a constant expression that can trap as operand.
4245     for (Instruction::op_iterator OI = it->op_begin(), OE = it->op_end();
4246          OI != OE; ++OI) {
4247       if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(*OI))
4248         if (C->canTrap())
4249           return false;
4250     }
4251     // We might be able to hoist the load.
4252     if (it->mayReadFromMemory()) {
4253       LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(it);
4254       if (!LI)
4255         return false;
4256       if (!SafePtrs.count(LI->getPointerOperand())) {
4257         if (isLegalMaskedLoad(LI->getType(), LI->getPointerOperand())) {
4258           MaskedOp.insert(LI);
4259           continue;
4260         }
4261         return false;
4262       }
4263     }
4264
4265     // We don't predicate stores at the moment.
4266     if (it->mayWriteToMemory()) {
4267       StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(it);
4268       // We only support predication of stores in basic blocks with one
4269       // predecessor.
4270       if (!SI)
4271         return false;
4272
4273       bool isSafePtr = (SafePtrs.count(SI->getPointerOperand()) != 0);
4274       bool isSinglePredecessor = SI->getParent()->getSinglePredecessor();
4275       
4276       if (++NumPredStores > NumberOfStoresToPredicate || !isSafePtr ||
4277           !isSinglePredecessor) {
4278         // Build a masked store if it is legal for the target, otherwise scalarize
4279         // the block.
4280         bool isLegalMaskedOp =
4281           isLegalMaskedStore(SI->getValueOperand()->getType(),
4282                              SI->getPointerOperand());
4283         if (isLegalMaskedOp) {
4284           --NumPredStores;
4285           MaskedOp.insert(SI);
4286           continue;
4287         }
4288         return false;
4289       }
4290     }
4291     if (it->mayThrow())
4292       return false;
4293
4294     // The instructions below can trap.
4295     switch (it->getOpcode()) {
4296     default: continue;
4297     case Instruction::UDiv:
4298     case Instruction::SDiv:
4299     case Instruction::URem:
4300     case Instruction::SRem:
4301       return false;
4302     }
4303   }
4304
4305   return true;
4306 }
4307
4308 LoopVectorizationCostModel::VectorizationFactor
4309 LoopVectorizationCostModel::selectVectorizationFactor(bool OptForSize) {
4310   // Width 1 means no vectorize
4311   VectorizationFactor Factor = { 1U, 0U };
4312   if (OptForSize && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need) {
4313     emitAnalysis(VectorizationReport() <<
4314                  "runtime pointer checks needed. Enable vectorization of this "
4315                  "loop with '#pragma clang loop vectorize(enable)' when "
4316                  "compiling with -Os");
4317     DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. Runtime ptr check is required in Os.\n");
4318     return Factor;
4319   }
4320
4321   if (!EnableCondStoresVectorization && Legal->getNumPredStores()) {
4322     emitAnalysis(VectorizationReport() <<
4323                  "store that is conditionally executed prevents vectorization");
4324     DEBUG(dbgs() << "LV: No vectorization. There are conditional stores.\n");
4325     return Factor;
4326   }
4327
4328   // Find the trip count.
4329   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
4330   DEBUG(dbgs() << "LV: Found trip count: " << TC << '\n');
4331
4332   unsigned WidestType = getWidestType();
4333   unsigned WidestRegister = TTI.getRegisterBitWidth(true);
4334   unsigned MaxSafeDepDist = -1U;
4335   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
4336     MaxSafeDepDist = Legal->getMaxSafeDepDistBytes() * 8;
4337   WidestRegister = ((WidestRegister < MaxSafeDepDist) ?
4338                     WidestRegister : MaxSafeDepDist);
4339   unsigned MaxVectorSize = WidestRegister / WidestType;
4340   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest type: " << WidestType << " bits.\n");
4341   DEBUG(dbgs() << "LV: The Widest register is: "
4342           << WidestRegister << " bits.\n");
4343
4344   if (MaxVectorSize == 0) {
4345     DEBUG(dbgs() << "LV: The target has no vector registers.\n");
4346     MaxVectorSize = 1;
4347   }
4348
4349   assert(MaxVectorSize <= 64 && "Did not expect to pack so many elements"
4350          " into one vector!");
4351
4352   unsigned VF = MaxVectorSize;
4353
4354   // If we optimize the program for size, avoid creating the tail loop.
4355   if (OptForSize) {
4356     // If we are unable to calculate the trip count then don't try to vectorize.
4357     if (TC < 2) {
4358       emitAnalysis
4359         (VectorizationReport() <<
4360          "unable to calculate the loop count due to complex control flow");
4361       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
4362       return Factor;
4363     }
4364
4365     // Find the maximum SIMD width that can fit within the trip count.
4366     VF = TC % MaxVectorSize;
4367
4368     if (VF == 0)
4369       VF = MaxVectorSize;
4370
4371     // If the trip count that we found modulo the vectorization factor is not
4372     // zero then we require a tail.
4373     if (VF < 2) {
4374       emitAnalysis(VectorizationReport() <<
4375                    "cannot optimize for size and vectorize at the "
4376                    "same time. Enable vectorization of this loop "
4377                    "with '#pragma clang loop vectorize(enable)' "
4378                    "when compiling with -Os");
4379       DEBUG(dbgs() << "LV: Aborting. A tail loop is required in Os.\n");
4380       return Factor;
4381     }
4382   }
4383
4384   int UserVF = Hints->getWidth();
4385   if (UserVF != 0) {
4386     assert(isPowerOf2_32(UserVF) && "VF needs to be a power of two");
4387     DEBUG(dbgs() << "LV: Using user VF " << UserVF << ".\n");
4388
4389     Factor.Width = UserVF;
4390     return Factor;
4391   }
4392
4393   float Cost = expectedCost(1);
4394 #ifndef NDEBUG
4395   const float ScalarCost = Cost;
4396 #endif /* NDEBUG */
4397   unsigned Width = 1;
4398   DEBUG(dbgs() << "LV: Scalar loop costs: " << (int)ScalarCost << ".\n");
4399
4400   bool ForceVectorization = Hints->getForce() == LoopVectorizeHints::FK_Enabled;
4401   // Ignore scalar width, because the user explicitly wants vectorization.
4402   if (ForceVectorization && VF > 1) {
4403     Width = 2;
4404     Cost = expectedCost(Width) / (float)Width;
4405   }
4406
4407   for (unsigned i=2; i <= VF; i*=2) {
4408     // Notice that the vector loop needs to be executed less times, so
4409     // we need to divide the cost of the vector loops by the width of
4410     // the vector elements.
4411     float VectorCost = expectedCost(i) / (float)i;
4412     DEBUG(dbgs() << "LV: Vector loop of width " << i << " costs: " <<
4413           (int)VectorCost << ".\n");
4414     if (VectorCost < Cost) {
4415       Cost = VectorCost;
4416       Width = i;
4417     }
4418   }
4419
4420   DEBUG(if (ForceVectorization && Width > 1 && Cost >= ScalarCost) dbgs()
4421         << "LV: Vectorization seems to be not beneficial, "
4422         << "but was forced by a user.\n");
4423   DEBUG(dbgs() << "LV: Selecting VF: "<< Width << ".\n");
4424   Factor.Width = Width;
4425   Factor.Cost = Width * Cost;
4426   return Factor;
4427 }
4428
4429 unsigned LoopVectorizationCostModel::getWidestType() {
4430   unsigned MaxWidth = 8;
4431   const DataLayout &DL = TheFunction->getParent()->getDataLayout();
4432
4433   // For each block.
4434   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4435        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4436     BasicBlock *BB = *bb;
4437
4438     // For each instruction in the loop.
4439     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4440       Type *T = it->getType();
4441
4442       // Ignore ephemeral values.
4443       if (EphValues.count(it))
4444         continue;
4445
4446       // Only examine Loads, Stores and PHINodes.
4447       if (!isa<LoadInst>(it) && !isa<StoreInst>(it) && !isa<PHINode>(it))
4448         continue;
4449
4450       // Examine PHI nodes that are reduction variables.
4451       if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(it))
4452         if (!Legal->getReductionVars()->count(PN))
4453           continue;
4454
4455       // Examine the stored values.
4456       if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(it))
4457         T = ST->getValueOperand()->getType();
4458
4459       // Ignore loaded pointer types and stored pointer types that are not
4460       // consecutive. However, we do want to take consecutive stores/loads of
4461       // pointer vectors into account.
4462       if (T->isPointerTy() && !isConsecutiveLoadOrStore(it))
4463         continue;
4464
4465       MaxWidth = std::max(MaxWidth,
4466                           (unsigned)DL.getTypeSizeInBits(T->getScalarType()));
4467     }
4468   }
4469
4470   return MaxWidth;
4471 }
4472
4473 unsigned
4474 LoopVectorizationCostModel::selectUnrollFactor(bool OptForSize,
4475                                                unsigned VF,
4476                                                unsigned LoopCost) {
4477
4478   // -- The unroll heuristics --
4479   // We unroll the loop in order to expose ILP and reduce the loop overhead.
4480   // There are many micro-architectural considerations that we can't predict
4481   // at this level. For example, frontend pressure (on decode or fetch) due to
4482   // code size, or the number and capabilities of the execution ports.
4483   //
4484   // We use the following heuristics to select the unroll factor:
4485   // 1. If the code has reductions, then we unroll in order to break the cross
4486   // iteration dependency.
4487   // 2. If the loop is really small, then we unroll in order to reduce the loop
4488   // overhead.
4489   // 3. We don't unroll if we think that we will spill registers to memory due
4490   // to the increased register pressure.
4491
4492   // Use the user preference, unless 'auto' is selected.
4493   int UserUF = Hints->getInterleave();
4494   if (UserUF != 0)
4495     return UserUF;
4496
4497   // When we optimize for size, we don't unroll.
4498   if (OptForSize)
4499     return 1;
4500
4501   // We used the distance for the unroll factor.
4502   if (Legal->getMaxSafeDepDistBytes() != -1U)
4503     return 1;
4504
4505   // Do not unroll loops with a relatively small trip count.
4506   unsigned TC = SE->getSmallConstantTripCount(TheLoop);
4507   if (TC > 1 && TC < TinyTripCountUnrollThreshold)
4508     return 1;
4509
4510   unsigned TargetNumRegisters = TTI.getNumberOfRegisters(VF > 1);
4511   DEBUG(dbgs() << "LV: The target has " << TargetNumRegisters <<
4512         " registers\n");
4513
4514   if (VF == 1) {
4515     if (ForceTargetNumScalarRegs.getNumOccurrences() > 0)
4516       TargetNumRegisters = ForceTargetNumScalarRegs;
4517   } else {
4518     if (ForceTargetNumVectorRegs.getNumOccurrences() > 0)
4519       TargetNumRegisters = ForceTargetNumVectorRegs;
4520   }
4521
4522   LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage R = calculateRegisterUsage();
4523   // We divide by these constants so assume that we have at least one
4524   // instruction that uses at least one register.
4525   R.MaxLocalUsers = std::max(R.MaxLocalUsers, 1U);
4526   R.NumInstructions = std::max(R.NumInstructions, 1U);
4527
4528   // We calculate the unroll factor using the following formula.
4529   // Subtract the number of loop invariants from the number of available
4530   // registers. These registers are used by all of the unrolled instances.
4531   // Next, divide the remaining registers by the number of registers that is
4532   // required by the loop, in order to estimate how many parallel instances
4533   // fit without causing spills. All of this is rounded down if necessary to be
4534   // a power of two. We want power of two unroll factors to simplify any
4535   // addressing operations or alignment considerations.
4536   unsigned UF = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs) /
4537                               R.MaxLocalUsers);
4538
4539   // Don't count the induction variable as unrolled.
4540   if (EnableIndVarRegisterHeur)
4541     UF = PowerOf2Floor((TargetNumRegisters - R.LoopInvariantRegs - 1) /
4542                        std::max(1U, (R.MaxLocalUsers - 1)));
4543
4544   // Clamp the unroll factor ranges to reasonable factors.
4545   unsigned MaxInterleaveSize = TTI.getMaxInterleaveFactor();
4546
4547   // Check if the user has overridden the unroll max.
4548   if (VF == 1) {
4549     if (ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
4550       MaxInterleaveSize = ForceTargetMaxScalarInterleaveFactor;
4551   } else {
4552     if (ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor.getNumOccurrences() > 0)
4553       MaxInterleaveSize = ForceTargetMaxVectorInterleaveFactor;
4554   }
4555
4556   // If we did not calculate the cost for VF (because the user selected the VF)
4557   // then we calculate the cost of VF here.
4558   if (LoopCost == 0)
4559     LoopCost = expectedCost(VF);
4560
4561   // Clamp the calculated UF to be between the 1 and the max unroll factor
4562   // that the target allows.
4563   if (UF > MaxInterleaveSize)
4564     UF = MaxInterleaveSize;
4565   else if (UF < 1)
4566     UF = 1;
4567
4568   // Unroll if we vectorized this loop and there is a reduction that could
4569   // benefit from unrolling.
4570   if (VF > 1 && Legal->getReductionVars()->size()) {
4571     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling because of reductions.\n");
4572     return UF;
4573   }
4574
4575   // Note that if we've already vectorized the loop we will have done the
4576   // runtime check and so unrolling won't require further checks.
4577   bool UnrollingRequiresRuntimePointerCheck =
4578       (VF == 1 && Legal->getRuntimePointerCheck()->Need);
4579
4580   // We want to unroll small loops in order to reduce the loop overhead and
4581   // potentially expose ILP opportunities.
4582   DEBUG(dbgs() << "LV: Loop cost is " << LoopCost << '\n');
4583   if (!UnrollingRequiresRuntimePointerCheck &&
4584       LoopCost < SmallLoopCost) {
4585     // We assume that the cost overhead is 1 and we use the cost model
4586     // to estimate the cost of the loop and unroll until the cost of the
4587     // loop overhead is about 5% of the cost of the loop.
4588     unsigned SmallUF = std::min(UF, (unsigned)PowerOf2Floor(SmallLoopCost / LoopCost));
4589
4590     // Unroll until store/load ports (estimated by max unroll factor) are
4591     // saturated.
4592     unsigned NumStores = Legal->getNumStores();
4593     unsigned NumLoads = Legal->getNumLoads();
4594     unsigned StoresUF = UF / (NumStores ? NumStores : 1);
4595     unsigned LoadsUF = UF /  (NumLoads ? NumLoads : 1);
4596
4597     // If we have a scalar reduction (vector reductions are already dealt with
4598     // by this point), we can increase the critical path length if the loop
4599     // we're unrolling is inside another loop. Limit, by default to 2, so the
4600     // critical path only gets increased by one reduction operation.
4601     if (Legal->getReductionVars()->size() &&
4602         TheLoop->getLoopDepth() > 1) {
4603       unsigned F = static_cast<unsigned>(MaxNestedScalarReductionUF);
4604       SmallUF = std::min(SmallUF, F);
4605       StoresUF = std::min(StoresUF, F);
4606       LoadsUF = std::min(LoadsUF, F);
4607     }
4608
4609     if (EnableLoadStoreRuntimeUnroll && std::max(StoresUF, LoadsUF) > SmallUF) {
4610       DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to saturate store or load ports.\n");
4611       return std::max(StoresUF, LoadsUF);
4612     }
4613
4614     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to reduce branch cost.\n");
4615     return SmallUF;
4616   }
4617
4618   // Unroll if this is a large loop (small loops are already dealt with by this
4619   // point) that could benefit from interleaved unrolling.
4620   bool HasReductions = (Legal->getReductionVars()->size() > 0);
4621   if (TTI.enableAggressiveInterleaving(HasReductions)) {
4622     DEBUG(dbgs() << "LV: Unrolling to expose ILP.\n");
4623     return UF;
4624   }
4625
4626   DEBUG(dbgs() << "LV: Not Unrolling.\n");
4627   return 1;
4628 }
4629
4630 LoopVectorizationCostModel::RegisterUsage
4631 LoopVectorizationCostModel::calculateRegisterUsage() {
4632   // This function calculates the register usage by measuring the highest number
4633   // of values that are alive at a single location. Obviously, this is a very
4634   // rough estimation. We scan the loop in a topological order in order and
4635   // assign a number to each instruction. We use RPO to ensure that defs are
4636   // met before their users. We assume that each instruction that has in-loop
4637   // users starts an interval. We record every time that an in-loop value is
4638   // used, so we have a list of the first and last occurrences of each
4639   // instruction. Next, we transpose this data structure into a multi map that
4640   // holds the list of intervals that *end* at a specific location. This multi
4641   // map allows us to perform a linear search. We scan the instructions linearly
4642   // and record each time that a new interval starts, by placing it in a set.
4643   // If we find this value in the multi-map then we remove it from the set.
4644   // The max register usage is the maximum size of the set.
4645   // We also search for instructions that are defined outside the loop, but are
4646   // used inside the loop. We need this number separately from the max-interval
4647   // usage number because when we unroll, loop-invariant values do not take
4648   // more register.
4649   LoopBlocksDFS DFS(TheLoop);
4650   DFS.perform(LI);
4651
4652   RegisterUsage R;
4653   R.NumInstructions = 0;
4654
4655   // Each 'key' in the map opens a new interval. The values
4656   // of the map are the index of the 'last seen' usage of the
4657   // instruction that is the key.
4658   typedef DenseMap<Instruction*, unsigned> IntervalMap;
4659   // Maps instruction to its index.
4660   DenseMap<unsigned, Instruction*> IdxToInstr;
4661   // Marks the end of each interval.
4662   IntervalMap EndPoint;
4663   // Saves the list of instruction indices that are used in the loop.
4664   SmallSet<Instruction*, 8> Ends;
4665   // Saves the list of values that are used in the loop but are
4666   // defined outside the loop, such as arguments and constants.
4667   SmallPtrSet<Value*, 8> LoopInvariants;
4668
4669   unsigned Index = 0;
4670   for (LoopBlocksDFS::RPOIterator bb = DFS.beginRPO(),
4671        be = DFS.endRPO(); bb != be; ++bb) {
4672     R.NumInstructions += (*bb)->size();
4673     for (BasicBlock::iterator it = (*bb)->begin(), e = (*bb)->end(); it != e;
4674          ++it) {
4675       Instruction *I = it;
4676       IdxToInstr[Index++] = I;
4677
4678       // Save the end location of each USE.
4679       for (unsigned i = 0; i < I->getNumOperands(); ++i) {
4680         Value *U = I->getOperand(i);
4681         Instruction *Instr = dyn_cast<Instruction>(U);
4682
4683         // Ignore non-instruction values such as arguments, constants, etc.
4684         if (!Instr) continue;
4685
4686         // If this instruction is outside the loop then record it and continue.
4687         if (!TheLoop->contains(Instr)) {
4688           LoopInvariants.insert(Instr);
4689           continue;
4690         }
4691
4692         // Overwrite previous end points.
4693         EndPoint[Instr] = Index;
4694         Ends.insert(Instr);
4695       }
4696     }
4697   }
4698
4699   // Saves the list of intervals that end with the index in 'key'.
4700   typedef SmallVector<Instruction*, 2> InstrList;
4701   DenseMap<unsigned, InstrList> TransposeEnds;
4702
4703   // Transpose the EndPoints to a list of values that end at each index.
4704   for (IntervalMap::iterator it = EndPoint.begin(), e = EndPoint.end();
4705        it != e; ++it)
4706     TransposeEnds[it->second].push_back(it->first);
4707
4708   SmallSet<Instruction*, 8> OpenIntervals;
4709   unsigned MaxUsage = 0;
4710
4711
4712   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Calculating max register usage:\n");
4713   for (unsigned int i = 0; i < Index; ++i) {
4714     Instruction *I = IdxToInstr[i];
4715     // Ignore instructions that are never used within the loop.
4716     if (!Ends.count(I)) continue;
4717
4718     // Ignore ephemeral values.
4719     if (EphValues.count(I))
4720       continue;
4721
4722     // Remove all of the instructions that end at this location.
4723     InstrList &List = TransposeEnds[i];
4724     for (unsigned int j=0, e = List.size(); j < e; ++j)
4725       OpenIntervals.erase(List[j]);
4726
4727     // Count the number of live interals.
4728     MaxUsage = std::max(MaxUsage, OpenIntervals.size());
4729
4730     DEBUG(dbgs() << "LV(REG): At #" << i << " Interval # " <<
4731           OpenIntervals.size() << '\n');
4732
4733     // Add the current instruction to the list of open intervals.
4734     OpenIntervals.insert(I);
4735   }
4736
4737   unsigned Invariant = LoopInvariants.size();
4738   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found max usage: " << MaxUsage << '\n');
4739   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): Found invariant usage: " << Invariant << '\n');
4740   DEBUG(dbgs() << "LV(REG): LoopSize: " << R.NumInstructions << '\n');
4741
4742   R.LoopInvariantRegs = Invariant;
4743   R.MaxLocalUsers = MaxUsage;
4744   return R;
4745 }
4746
4747 unsigned LoopVectorizationCostModel::expectedCost(unsigned VF) {
4748   unsigned Cost = 0;
4749
4750   // For each block.
4751   for (Loop::block_iterator bb = TheLoop->block_begin(),
4752        be = TheLoop->block_end(); bb != be; ++bb) {
4753     unsigned BlockCost = 0;
4754     BasicBlock *BB = *bb;
4755
4756     // For each instruction in the old loop.
4757     for (BasicBlock::iterator it = BB->begin(), e = BB->end(); it != e; ++it) {
4758       // Skip dbg intrinsics.
4759       if (isa<DbgInfoIntrinsic>(it))
4760         continue;
4761
4762       // Ignore ephemeral values.
4763       if (EphValues.count(it))
4764         continue;
4765
4766       unsigned C = getInstructionCost(it, VF);
4767
4768       // Check if we should override the cost.
4769       if (ForceTargetInstructionCost.getNumOccurrences() > 0)
4770         C = ForceTargetInstructionCost;
4771
4772       BlockCost += C;
4773       DEBUG(dbgs() << "LV: Found an estimated cost of " << C << " for VF " <<
4774             VF << " For instruction: " << *it << '\n');
4775     }
4776
4777     // We assume that if-converted blocks have a 50% chance of being executed.
4778     // When the code is scalar then some of the blocks are avoided due to CF.
4779     // When the code is vectorized we execute all code paths.
4780     if (VF == 1 && Legal->blockNeedsPredication(*bb))
4781       BlockCost /= 2;
4782
4783     Cost += BlockCost;
4784   }
4785
4786   return Cost;
4787 }
4788
4789 /// \brief Check whether the address computation for a non-consecutive memory
4790 /// access looks like an unlikely candidate for being merged into the indexing
4791 /// mode.
4792 ///
4793 /// We look for a GEP which has one index that is an induction variable and all
4794 /// other indices are loop invariant. If the stride of this access is also
4795 /// within a small bound we decide that this address computation can likely be
4796 /// merged into the addressing mode.
4797 /// In all other cases, we identify the address computation as complex.
4798 static bool isLikelyComplexAddressComputation(Value *Ptr,
4799                                               LoopVectorizationLegality *Legal,
4800                                               ScalarEvolution *SE,
4801                                               const Loop *TheLoop) {
4802   GetElementPtrInst *Gep = dyn_cast<GetElementPtrInst>(Ptr);
4803   if (!Gep)
4804     return true;
4805
4806   // We are looking for a gep with all loop invariant indices except for one
4807   // which should be an induction variable.
4808   unsigned NumOperands = Gep->getNumOperands();
4809   for (unsigned i = 1; i < NumOperands; ++i) {
4810     Value *Opd = Gep->getOperand(i);
4811     if (!SE->isLoopInvariant(SE->getSCEV(Opd), TheLoop) &&
4812         !Legal->isInductionVariable(Opd))
4813       return true;
4814   }
4815
4816   // Now we know we have a GEP ptr, %inv, %ind, %inv. Make sure that the step
4817   // can likely be merged into the address computation.
4818   unsigned MaxMergeDistance = 64;
4819
4820   const SCEVAddRecExpr *AddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE->getSCEV(Ptr));
4821   if (!AddRec)
4822     return true;
4823
4824   // Check the step is constant.
4825   const SCEV *Step = AddRec->getStepRecurrence(*SE);
4826   // Calculate the pointer stride and check if it is consecutive.
4827   const SCEVConstant *C = dyn_cast<SCEVConstant>(Step);
4828   if (!C)
4829     return true;
4830
4831   const APInt &APStepVal = C->getValue()->getValue();
4832
4833   // Huge step value - give up.
4834   if (APStepVal.getBitWidth() > 64)
4835     return true;
4836
4837   int64_t StepVal = APStepVal.getSExtValue();
4838
4839   return StepVal > MaxMergeDistance;
4840 }
4841
4842 static bool isStrideMul(Instruction *I, LoopVectorizationLegality *Legal) {
4843   if (Legal->hasStride(I->getOperand(0)) || Legal->hasStride(I->getOperand(1)))
4844     return true;
4845   return false;
4846 }
4847
4848 unsigned
4849 LoopVectorizationCostModel::getInstructionCost(Instruction *I, unsigned VF) {
4850   // If we know that this instruction will remain uniform, check the cost of
4851   // the scalar version.
4852   if (Legal->isUniformAfterVectorization(I))
4853     VF = 1;
4854
4855   Type *RetTy = I->getType();
4856   Type *VectorTy = ToVectorTy(RetTy, VF);
4857
4858   // TODO: We need to estimate the cost of intrinsic calls.
4859   switch (I->getOpcode()) {
4860   case Instruction::GetElementPtr:
4861     // We mark this instruction as zero-cost because the cost of GEPs in
4862     // vectorized code depends on whether the corresponding memory instruction
4863     // is scalarized or not. Therefore, we handle GEPs with the memory
4864     // instruction cost.
4865     return 0;
4866   case Instruction::Br: {
4867     return TTI.getCFInstrCost(I->getOpcode());
4868   }
4869   case Instruction::PHI:
4870     //TODO: IF-converted IFs become selects.
4871     return 0;
4872   case Instruction::Add:
4873   case Instruction::FAdd:
4874   case Instruction::Sub:
4875   case Instruction::FSub:
4876   case Instruction::Mul:
4877   case Instruction::FMul:
4878   case Instruction::UDiv:
4879   case Instruction::SDiv:
4880   case Instruction::FDiv:
4881   case Instruction::URem:
4882   case Instruction::SRem:
4883   case Instruction::FRem:
4884   case Instruction::Shl:
4885   case Instruction::LShr:
4886   case Instruction::AShr:
4887   case Instruction::And:
4888   case Instruction::Or:
4889   case Instruction::Xor: {
4890     // Since we will replace the stride by 1 the multiplication should go away.
4891     if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && isStrideMul(I, Legal))
4892       return 0;
4893     // Certain instructions can be cheaper to vectorize if they have a constant
4894     // second vector operand. One example of this are shifts on x86.
4895     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op1VK =
4896       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
4897     TargetTransformInfo::OperandValueKind Op2VK =
4898       TargetTransformInfo::OK_AnyValue;
4899     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op1VP =
4900         TargetTransformInfo::OP_None;
4901     TargetTransformInfo::OperandValueProperties Op2VP =
4902         TargetTransformInfo::OP_None;
4903     Value *Op2 = I->getOperand(1);
4904
4905     // Check for a splat of a constant or for a non uniform vector of constants.
4906     if (isa<ConstantInt>(Op2)) {
4907       ConstantInt *CInt = cast<ConstantInt>(Op2);
4908       if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
4909         Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
4910       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
4911     } else if (isa<ConstantVector>(Op2) || isa<ConstantDataVector>(Op2)) {
4912       Op2VK = TargetTransformInfo::OK_NonUniformConstantValue;
4913       Constant *SplatValue = cast<Constant>(Op2)->getSplatValue();
4914       if (SplatValue) {
4915         ConstantInt *CInt = dyn_cast<ConstantInt>(SplatValue);
4916         if (CInt && CInt->getValue().isPowerOf2())
4917           Op2VP = TargetTransformInfo::OP_PowerOf2;
4918         Op2VK = TargetTransformInfo::OK_UniformConstantValue;
4919       }
4920     }
4921
4922     return TTI.getArithmeticInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, Op1VK, Op2VK,
4923                                       Op1VP, Op2VP);
4924   }
4925   case Instruction::Select: {
4926     SelectInst *SI = cast<SelectInst>(I);
4927     const SCEV *CondSCEV = SE->getSCEV(SI->getCondition());
4928     bool ScalarCond = (SE->isLoopInvariant(CondSCEV, TheLoop));
4929     Type *CondTy = SI->getCondition()->getType();
4930     if (!ScalarCond)
4931       CondTy = VectorType::get(CondTy, VF);
4932
4933     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, CondTy);
4934   }
4935   case Instruction::ICmp:
4936   case Instruction::FCmp: {
4937     Type *ValTy = I->getOperand(0)->getType();
4938     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
4939     return TTI.getCmpSelInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy);
4940   }
4941   case Instruction::Store:
4942   case Instruction::Load: {
4943     StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I);
4944     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I);
4945     Type *ValTy = (SI ? SI->getValueOperand()->getType() :
4946                    LI->getType());
4947     VectorTy = ToVectorTy(ValTy, VF);
4948
4949     unsigned Alignment = SI ? SI->getAlignment() : LI->getAlignment();
4950     unsigned AS = SI ? SI->getPointerAddressSpace() :
4951       LI->getPointerAddressSpace();
4952     Value *Ptr = SI ? SI->getPointerOperand() : LI->getPointerOperand();
4953     // We add the cost of address computation here instead of with the gep
4954     // instruction because only here we know whether the operation is
4955     // scalarized.
4956     if (VF == 1)
4957       return TTI.getAddressComputationCost(VectorTy) +
4958         TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
4959
4960     // Scalarized loads/stores.
4961     int ConsecutiveStride = Legal->isConsecutivePtr(Ptr);
4962     bool Reverse = ConsecutiveStride < 0;
4963     const DataLayout &DL = I->getModule()->getDataLayout();
4964     unsigned ScalarAllocatedSize = DL.getTypeAllocSize(ValTy);
4965     unsigned VectorElementSize = DL.getTypeStoreSize(VectorTy) / VF;
4966     if (!ConsecutiveStride || ScalarAllocatedSize != VectorElementSize) {
4967       bool IsComplexComputation =
4968         isLikelyComplexAddressComputation(Ptr, Legal, SE, TheLoop);
4969       unsigned Cost = 0;
4970       // The cost of extracting from the value vector and pointer vector.
4971       Type *PtrTy = ToVectorTy(Ptr->getType(), VF);
4972       for (unsigned i = 0; i < VF; ++i) {
4973         //  The cost of extracting the pointer operand.
4974         Cost += TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement, PtrTy, i);
4975         // In case of STORE, the cost of ExtractElement from the vector.
4976         // In case of LOAD, the cost of InsertElement into the returned
4977         // vector.
4978         Cost += TTI.getVectorInstrCost(SI ? Instruction::ExtractElement :
4979                                             Instruction::InsertElement,
4980                                             VectorTy, i);
4981       }
4982
4983       // The cost of the scalar loads/stores.
4984       Cost += VF * TTI.getAddressComputationCost(PtrTy, IsComplexComputation);
4985       Cost += VF * TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), ValTy->getScalarType(),
4986                                        Alignment, AS);
4987       return Cost;
4988     }
4989
4990     // Wide load/stores.
4991     unsigned Cost = TTI.getAddressComputationCost(VectorTy);
4992     if (Legal->isMaskRequired(I))
4993       Cost += TTI.getMaskedMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment,
4994                                         AS);
4995     else
4996       Cost += TTI.getMemoryOpCost(I->getOpcode(), VectorTy, Alignment, AS);
4997
4998     if (Reverse)
4999       Cost += TTI.getShuffleCost(TargetTransformInfo::SK_Reverse,
5000                                   VectorTy, 0);
5001     return Cost;
5002   }
5003   case Instruction::ZExt:
5004   case Instruction::SExt:
5005   case Instruction::FPToUI:
5006   case Instruction::FPToSI:
5007   case Instruction::FPExt:
5008   case Instruction::PtrToInt:
5009   case Instruction::IntToPtr:
5010   case Instruction::SIToFP:
5011   case Instruction::UIToFP:
5012   case Instruction::Trunc:
5013   case Instruction::FPTrunc:
5014   case Instruction::BitCast: {
5015     // We optimize the truncation of induction variable.
5016     // The cost of these is the same as the scalar operation.
5017     if (I->getOpcode() == Instruction::Trunc &&
5018         Legal->isInductionVariable(I->getOperand(0)))
5019       return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), I->getType(),
5020                                   I->getOperand(0)->getType());
5021
5022     Type *SrcVecTy = ToVectorTy(I->getOperand(0)->getType(), VF);
5023     return TTI.getCastInstrCost(I->getOpcode(), VectorTy, SrcVecTy);
5024   }
5025   case Instruction::Call: {
5026     CallInst *CI = cast<CallInst>(I);
5027     Intrinsic::ID ID = getIntrinsicIDForCall(CI, TLI);
5028     assert(ID && "Not an intrinsic call!");
5029     Type *RetTy = ToVectorTy(CI->getType(), VF);
5030     SmallVector<Type*, 4> Tys;
5031     for (unsigned i = 0, ie = CI->getNumArgOperands(); i != ie; ++i)
5032       Tys.push_back(ToVectorTy(CI->getArgOperand(i)->getType(), VF));
5033     return TTI.getIntrinsicInstrCost(ID, RetTy, Tys);
5034   }
5035   default: {
5036     // We are scalarizing the instruction. Return the cost of the scalar
5037     // instruction, plus the cost of insert and extract into vector
5038     // elements, times the vector width.
5039     unsigned Cost = 0;
5040
5041     if (!RetTy->isVoidTy() && VF != 1) {
5042       unsigned InsCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::InsertElement,
5043                                                 VectorTy);
5044       unsigned ExtCost = TTI.getVectorInstrCost(Instruction::ExtractElement,
5045                                                 VectorTy);
5046
5047       // The cost of inserting the results plus extracting each one of the
5048       // operands.
5049       Cost += VF * (InsCost + ExtCost * I->getNumOperands());
5050     }
5051
5052     // The cost of executing VF copies of the scalar instruction. This opcode
5053     // is unknown. Assume that it is the same as 'mul'.
5054     Cost += VF * TTI.getArithmeticInstrCost(Instruction::Mul, VectorTy);
5055     return Cost;
5056   }
5057   }// end of switch.
5058 }
5059
5060 char LoopVectorize::ID = 0;
5061 static const char lv_name[] = "Loop Vectorization";
5062 INITIALIZE_PASS_BEGIN(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
5063 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
5064 INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(AliasAnalysis)
5065 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
5066 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BlockFrequencyInfo)
5067 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
5068 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolution)
5069 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LCSSA)
5070 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
5071 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopSimplify)
5072 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopAccessAnalysis)
5073 INITIALIZE_PASS_END(LoopVectorize, LV_NAME, lv_name, false, false)
5074
5075 namespace llvm {
5076   Pass *createLoopVectorizePass(bool NoUnrolling, bool AlwaysVectorize) {
5077     return new LoopVectorize(NoUnrolling, AlwaysVectorize);
5078   }
5079 }
5080
5081 bool LoopVectorizationCostModel::isConsecutiveLoadOrStore(Instruction *Inst) {
5082   // Check for a store.
5083   if (StoreInst *ST = dyn_cast<StoreInst>(Inst))
5084     return Legal->isConsecutivePtr(ST->getPointerOperand()) != 0;
5085
5086   // Check for a load.
5087   if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(Inst))
5088     return Legal->isConsecutivePtr(LI->getPointerOperand()) != 0;
5089
5090   return false;
5091 }
5092
5093
5094 void InnerLoopUnroller::scalarizeInstruction(Instruction *Instr,
5095                                              bool IfPredicateStore) {
5096   assert(!Instr->getType()->isAggregateType() && "Can't handle vectors");
5097   // Holds vector parameters or scalars, in case of uniform vals.
5098   SmallVector<VectorParts, 4> Params;
5099
5100   setDebugLocFromInst(Builder, Instr);
5101
5102   // Find all of the vectorized parameters.
5103   for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
5104     Value *SrcOp = Instr->getOperand(op);
5105
5106     // If we are accessing the old induction variable, use the new one.
5107     if (SrcOp == OldInduction) {
5108       Params.push_back(getVectorValue(SrcOp));
5109       continue;
5110     }
5111
5112     // Try using previously calculated values.
5113     Instruction *SrcInst = dyn_cast<Instruction>(SrcOp);
5114
5115     // If the src is an instruction that appeared earlier in the basic block
5116     // then it should already be vectorized.
5117     if (SrcInst && OrigLoop->contains(SrcInst)) {
5118       assert(WidenMap.has(SrcInst) && "Source operand is unavailable");
5119       // The parameter is a vector value from earlier.
5120       Params.push_back(WidenMap.get(SrcInst));
5121     } else {
5122       // The parameter is a scalar from outside the loop. Maybe even a constant.
5123       VectorParts Scalars;
5124       Scalars.append(UF, SrcOp);
5125       Params.push_back(Scalars);
5126     }
5127   }
5128
5129   assert(Params.size() == Instr->getNumOperands() &&
5130          "Invalid number of operands");
5131
5132   // Does this instruction return a value ?
5133   bool IsVoidRetTy = Instr->getType()->isVoidTy();
5134
5135   Value *UndefVec = IsVoidRetTy ? nullptr :
5136   UndefValue::get(Instr->getType());
5137   // Create a new entry in the WidenMap and initialize it to Undef or Null.
5138   VectorParts &VecResults = WidenMap.splat(Instr, UndefVec);
5139
5140   Instruction *InsertPt = Builder.GetInsertPoint();
5141   BasicBlock *IfBlock = Builder.GetInsertBlock();
5142   BasicBlock *CondBlock = nullptr;
5143
5144   VectorParts Cond;
5145   Loop *VectorLp = nullptr;
5146   if (IfPredicateStore) {
5147     assert(Instr->getParent()->getSinglePredecessor() &&
5148            "Only support single predecessor blocks");
5149     Cond = createEdgeMask(Instr->getParent()->getSinglePredecessor(),
5150                           Instr->getParent());
5151     VectorLp = LI->getLoopFor(IfBlock);
5152     assert(VectorLp && "Must have a loop for this block");
5153   }
5154
5155   // For each vector unroll 'part':
5156   for (unsigned Part = 0; Part < UF; ++Part) {
5157     // For each scalar that we create:
5158
5159     // Start an "if (pred) a[i] = ..." block.
5160     Value *Cmp = nullptr;
5161     if (IfPredicateStore) {
5162       if (Cond[Part]->getType()->isVectorTy())
5163         Cond[Part] =
5164             Builder.CreateExtractElement(Cond[Part], Builder.getInt32(0));
5165       Cmp = Builder.CreateICmp(ICmpInst::ICMP_EQ, Cond[Part],
5166                                ConstantInt::get(Cond[Part]->getType(), 1));
5167       CondBlock = IfBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "cond.store");
5168       LoopVectorBody.push_back(CondBlock);
5169       VectorLp->addBasicBlockToLoop(CondBlock, *LI);
5170       // Update Builder with newly created basic block.
5171       Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
5172     }
5173
5174     Instruction *Cloned = Instr->clone();
5175       if (!IsVoidRetTy)
5176         Cloned->setName(Instr->getName() + ".cloned");
5177       // Replace the operands of the cloned instructions with extracted scalars.
5178       for (unsigned op = 0, e = Instr->getNumOperands(); op != e; ++op) {
5179         Value *Op = Params[op][Part];
5180         Cloned->setOperand(op, Op);
5181       }
5182
5183       // Place the cloned scalar in the new loop.
5184       Builder.Insert(Cloned);
5185
5186       // If the original scalar returns a value we need to place it in a vector
5187       // so that future users will be able to use it.
5188       if (!IsVoidRetTy)
5189         VecResults[Part] = Cloned;
5190
5191     // End if-block.
5192       if (IfPredicateStore) {
5193         BasicBlock *NewIfBlock = CondBlock->splitBasicBlock(InsertPt, "else");
5194         LoopVectorBody.push_back(NewIfBlock);
5195         VectorLp->addBasicBlockToLoop(NewIfBlock, *LI);
5196         Builder.SetInsertPoint(InsertPt);
5197         Instruction *OldBr = IfBlock->getTerminator();
5198         BranchInst::Create(CondBlock, NewIfBlock, Cmp, OldBr);
5199         OldBr->eraseFromParent();
5200         IfBlock = NewIfBlock;
5201       }
5202   }
5203 }
5204
5205 void InnerLoopUnroller::vectorizeMemoryInstruction(Instruction *Instr) {
5206   StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(Instr);
5207   bool IfPredicateStore = (SI && Legal->blockNeedsPredication(SI->getParent()));
5208
5209   return scalarizeInstruction(Instr, IfPredicateStore);
5210 }
5211
5212 Value *InnerLoopUnroller::reverseVector(Value *Vec) {
5213   return Vec;
5214 }
5215
5216 Value *InnerLoopUnroller::getBroadcastInstrs(Value *V) {
5217   return V;
5218 }
5219
5220 Value *InnerLoopUnroller::getStepVector(Value *Val, int StartIdx, Value *Step) {
5221   // When unrolling and the VF is 1, we only need to add a simple scalar.
5222   Type *ITy = Val->getType();
5223   assert(!ITy->isVectorTy() && "Val must be a scalar");
5224   Constant *C = ConstantInt::get(ITy, StartIdx);
5225   return Builder.CreateAdd(Val, Builder.CreateMul(C, Step), "induction");
5226 }