Calling ReassociateExpression recursively is extremely dangerous since it will
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
index 4fcbf35f5675becf3883ec6a4ce5d0d93b6cdda9..6ef0c97d3753338bf3ff21da4f5040089f7c662a 100644 (file)
@@ -2,13 +2,13 @@
 //
 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
 //
-// This file was developed by the LLVM research group and is distributed under
-// the University of Illinois Open Source License. See LICENSE.TXT for details.
+// This file is distributed under the University of Illinois Open Source
+// License. See LICENSE.TXT for details.
 //
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 //
 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
-// to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE...
+// to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
 //
 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
 //
 
 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
 #include "llvm/Constants.h"
 #include "llvm/DerivedTypes.h"
 #include "llvm/Function.h"
 #include "llvm/Instructions.h"
+#include "llvm/IntrinsicInst.h"
 #include "llvm/Pass.h"
 #include "llvm/Assembly/Writer.h"
 #include "llvm/Support/CFG.h"
+#include "llvm/Support/IRBuilder.h"
 #include "llvm/Support/Debug.h"
+#include "llvm/Support/ValueHandle.h"
+#include "llvm/Support/raw_ostream.h"
 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
+#include "llvm/ADT/STLExtras.h"
 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
+#include "llvm/ADT/DenseMap.h"
 #include <algorithm>
 using namespace llvm;
 
@@ -51,23 +58,73 @@ namespace {
   }
 }
 
+#ifndef NDEBUG
 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
 ///
-static void PrintOps(Instruction *I, const std::vector<ValueEntry> &Ops) {
+static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
-  cerr << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
-  << *Ops[0].Op->getType();
-  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
-    WriteAsOperand(*cerr.stream() << " ", Ops[i].Op, false, M)
-      << "," << Ops[i].Rank;
-}
-  
-namespace {  
+  dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
+       << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    dbgs() << "[ ";
+    WriteAsOperand(dbgs(), Ops[i].Op, false, M);
+    dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
+  }
+}
+#endif
+
+namespace {
+  /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
+  /// factor of some product.
+  struct Factor {
+    Value *Base;
+    unsigned Power;
+
+    Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
+
+    /// \brief Sort factors by their Base.
+    struct BaseSorter {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Base < RHS.Base;
+      }
+    };
+
+    /// \brief Compare factors for equal bases.
+    struct BaseEqual {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Base == RHS.Base;
+      }
+    };
+
+    /// \brief Sort factors in descending order by their power.
+    struct PowerDescendingSorter {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Power > RHS.Power;
+      }
+    };
+
+    /// \brief Compare factors for equal powers.
+    struct PowerEqual {
+      bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
+        return LHS.Power == RHS.Power;
+      }
+    };
+  };
+}
+
+namespace {
   class Reassociate : public FunctionPass {
-    std::map<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
-    std::map<Value*, unsigned> ValueRankMap;
+    DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
+    DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
+    SmallVector<WeakVH, 8> RedoInsts;
+    SmallVector<WeakVH, 8> DeadInsts;
     bool MadeChange;
   public:
+    static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
+    Reassociate() : FunctionPass(ID) {
+      initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
+    }
+
     bool runOnFunction(Function &F);
 
     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const {
@@ -76,43 +133,55 @@ namespace {
   private:
     void BuildRankMap(Function &F);
     unsigned getRank(Value *V);
-    void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
-    void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, std::vector<ValueEntry> &Ops,
+    Value *ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
+    void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
                          unsigned Idx = 0);
-    Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I, std::vector<ValueEntry> &Ops);
-    void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, std::vector<ValueEntry> &Ops);
+    Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
+                              SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
+    Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
+    bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
+                                SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
+    Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
+                                   SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
+    Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
+    void LinearizeExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
     void LinearizeExpr(BinaryOperator *I);
     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
-    void ReassociateBB(BasicBlock *BB);
-    
+    void ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI);
+
     void RemoveDeadBinaryOp(Value *V);
   };
-
-  RegisterPass<Reassociate> X("reassociate", "Reassociate expressions");
 }
 
+char Reassociate::ID = 0;
+INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
+                "Reassociate expressions", false, false)
+
 // Public interface to the Reassociate pass
 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
 
 void Reassociate::RemoveDeadBinaryOp(Value *V) {
   Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(V);
-  if (!Op || !isa<BinaryOperator>(Op) || !isa<CmpInst>(Op) || !Op->use_empty())
+  if (!Op || !isa<BinaryOperator>(Op))
     return;
-  
+
   Value *LHS = Op->getOperand(0), *RHS = Op->getOperand(1);
+
+  ValueRankMap.erase(Op);
+  DeadInsts.push_back(Op);
   RemoveDeadBinaryOp(LHS);
   RemoveDeadBinaryOp(RHS);
 }
 
-
 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
   if (I->getOpcode() == Instruction::PHI ||
+      I->getOpcode() == Instruction::LandingPad ||
       I->getOpcode() == Instruction::Alloca ||
       I->getOpcode() == Instruction::Load ||
-      I->getOpcode() == Instruction::Malloc ||
       I->getOpcode() == Instruction::Invoke ||
-      I->getOpcode() == Instruction::Call ||
-      I->getOpcode() == Instruction::UDiv || 
+      (I->getOpcode() == Instruction::Call &&
+       !isa<DbgInfoIntrinsic>(I)) ||
+      I->getOpcode() == Instruction::UDiv ||
       I->getOpcode() == Instruction::SDiv ||
       I->getOpcode() == Instruction::FDiv ||
       I->getOpcode() == Instruction::URem ||
@@ -127,7 +196,7 @@ void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
 
   // Assign distinct ranks to function arguments
   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
-    ValueRankMap[I] = ++i;
+    ValueRankMap[&*I] = ++i;
 
   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
@@ -140,18 +209,19 @@ void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
     // all different in the block.
     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
       if (isUnmovableInstruction(I))
-        ValueRankMap[I] = ++BBRank;
+        ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
   }
 }
 
 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
-  if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument...
-
   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
-  if (I == 0) return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
+  if (I == 0) {
+    if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
+    return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
+  }
 
-  unsigned &CachedRank = ValueRankMap[I];
-  if (CachedRank) return CachedRank;    // Rank already known?
+  if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
+    return Rank;    // Rank already known?
 
   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
@@ -164,14 +234,14 @@ unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
 
   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
   // assures us that X and ~X will have the same rank.
-  if (!I->getType()->isInteger() ||
+  if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
     ++Rank;
 
-  //DOUT << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
-  //     << Rank << "\n";
+  //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
+  //     << Rank << "\n");
 
-  return CachedRank = Rank;
+  return ValueRankMap[I] = Rank;
 }
 
 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
@@ -185,13 +255,15 @@ static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
 
 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
 ///
-static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
-  Constant *Cst = ConstantInt::getAllOnesValue(Neg->getType());
+static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg,
+                         DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
+  Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
 
-  std::string NegName = Neg->getName(); Neg->setName("");
-  Instruction *Res = BinaryOperator::createMul(Neg->getOperand(1), Cst, NegName,
-                                               Neg);
+  Instruction *Res = BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
+  ValueRankMap.erase(Neg);
+  Res->takeName(Neg);
   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
+  Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
   Neg->eraseFromParent();
   return Res;
 }
@@ -201,13 +273,14 @@ static Instruction *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
 // linearize it as well.  Besides that case, this does not recurse into A,B, or
 // C.
 void Reassociate::LinearizeExpr(BinaryOperator *I) {
-  BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
-  BinaryOperator *RHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(1));
-  assert(isReassociableOp(LHS, I->getOpcode()) &&
-         isReassociableOp(RHS, I->getOpcode()) &&
-         "Not an expression that needs linearization?");
+  BinaryOperator *LHS = isReassociableOp(I->getOperand(0), I->getOpcode());
+  BinaryOperator *RHS = isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode());
+  assert(LHS && RHS && "Not an expression that needs linearization?");
 
-  DOUT << "Linear" << *LHS << *RHS << *I;
+  DEBUG({
+      dbgs() << "Linear:\n";
+      dbgs() << '\t' << *LHS << "\t\n" << *RHS << "\t\n" << *I << '\n';
+    });
 
   // Move the RHS instruction to live immediately before I, avoiding breaking
   // dominator properties.
@@ -218,19 +291,24 @@ void Reassociate::LinearizeExpr(BinaryOperator *I) {
   RHS->setOperand(0, LHS);
   I->setOperand(0, RHS);
 
+  // Conservatively clear all the optional flags, which may not hold
+  // after the reassociation.
+  I->clearSubclassOptionalData();
+  LHS->clearSubclassOptionalData();
+  RHS->clearSubclassOptionalData();
+
   ++NumLinear;
   MadeChange = true;
-  DOUT << "Linearized: " << *I;
+  DEBUG(dbgs() << "Linearized: " << *I << '\n');
 
   // If D is part of this expression tree, tail recurse.
   if (isReassociableOp(I->getOperand(1), I->getOpcode()))
     LinearizeExpr(I);
 }
 
-
 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression tree, traverse
 /// all of the uses putting it into canonical form.  This forces a left-linear
-/// form of the the expression (((a+b)+c)+d), and collects information about the
+/// form of the expression (((a+b)+c)+d), and collects information about the
 /// rank of the non-tree operands.
 ///
 /// NOTE: These intentionally destroys the expression tree operands (turning
@@ -238,7 +316,7 @@ void Reassociate::LinearizeExpr(BinaryOperator *I) {
 /// caller MUST use something like RewriteExprTree to put the values back in.
 ///
 void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
-                                    std::vector<ValueEntry> &Ops) {
+                                    SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
   Value *LHS = I->getOperand(0), *RHS = I->getOperand(1);
   unsigned Opcode = I->getOpcode();
 
@@ -250,11 +328,11 @@ void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
   // transform them into multiplies by -1 so they can be reassociated.
   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul) {
     if (!LHSBO && LHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(LHS)) {
-      LHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(LHS));
+      LHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(LHS), ValueRankMap);
       LHSBO = isReassociableOp(LHS, Opcode);
     }
     if (!RHSBO && RHS->hasOneUse() && BinaryOperator::isNeg(RHS)) {
-      RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS));
+      RHS = LowerNegateToMultiply(cast<Instruction>(RHS), ValueRankMap);
       RHSBO = isReassociableOp(RHS, Opcode);
     }
   }
@@ -265,21 +343,22 @@ void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
       // such, just remember these operands and their rank.
       Ops.push_back(ValueEntry(getRank(LHS), LHS));
       Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
-      
+
       // Clear the leaves out.
       I->setOperand(0, UndefValue::get(I->getType()));
       I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
       return;
-    } else {
-      // Turn X+(Y+Z) -> (Y+Z)+X
-      std::swap(LHSBO, RHSBO);
-      std::swap(LHS, RHS);
-      bool Success = !I->swapOperands();
-      assert(Success && "swapOperands failed");
-      MadeChange = true;
     }
+
+    // Turn X+(Y+Z) -> (Y+Z)+X
+    std::swap(LHSBO, RHSBO);
+    std::swap(LHS, RHS);
+    bool Success = !I->swapOperands();
+    assert(Success && "swapOperands failed");
+    (void)Success;
+    MadeChange = true;
   } else if (RHSBO) {
-    // Turn (A+B)+(C+D) -> (((A+B)+C)+D).  This guarantees the the RHS is not
+    // Turn (A+B)+(C+D) -> (((A+B)+C)+D).  This guarantees the RHS is not
     // part of the expression tree.
     LinearizeExpr(I);
     LHS = LHSBO = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
@@ -300,7 +379,7 @@ void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
 
   // Remember the RHS operand and its rank.
   Ops.push_back(ValueEntry(getRank(RHS), RHS));
-  
+
   // Clear the RHS leaf out.
   I->setOperand(1, UndefValue::get(I->getType()));
 }
@@ -309,19 +388,25 @@ void Reassociate::LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
 // linearized and optimized, emit them in-order.  This function is written to be
 // tail recursive.
 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
-                                  std::vector<ValueEntry> &Ops,
+                                  SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
                                   unsigned i) {
   if (i+2 == Ops.size()) {
     if (I->getOperand(0) != Ops[i].Op ||
         I->getOperand(1) != Ops[i+1].Op) {
       Value *OldLHS = I->getOperand(0);
-      DOUT << "RA: " << *I;
+      DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
       I->setOperand(0, Ops[i].Op);
       I->setOperand(1, Ops[i+1].Op);
-      DOUT << "TO: " << *I;
+
+      // Clear all the optional flags, which may not hold after the
+      // reassociation if the expression involved more than just this operation.
+      if (Ops.size() != 2)
+        I->clearSubclassOptionalData();
+
+      DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
       MadeChange = true;
       ++NumChanged;
-      
+
       // If we reassociated a tree to fewer operands (e.g. (1+a+2) -> (a+3)
       // delete the extra, now dead, nodes.
       RemoveDeadBinaryOp(OldLHS);
@@ -331,31 +416,36 @@ void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
   assert(i+2 < Ops.size() && "Ops index out of range!");
 
   if (I->getOperand(1) != Ops[i].Op) {
-    DOUT << "RA: " << *I;
+    DEBUG(dbgs() << "RA: " << *I << '\n');
     I->setOperand(1, Ops[i].Op);
-    DOUT << "TO: " << *I;
+
+    // Conservatively clear all the optional flags, which may not hold
+    // after the reassociation.
+    I->clearSubclassOptionalData();
+
+    DEBUG(dbgs() << "TO: " << *I << '\n');
     MadeChange = true;
     ++NumChanged;
   }
-  
+
   BinaryOperator *LHS = cast<BinaryOperator>(I->getOperand(0));
   assert(LHS->getOpcode() == I->getOpcode() &&
          "Improper expression tree!");
-  
+
   // Compactify the tree instructions together with each other to guarantee
   // that the expression tree is dominated by all of Ops.
   LHS->moveBefore(I);
   RewriteExprTree(LHS, Ops, i+1);
 }
 
-
-
-// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
-// that computes the negative version of the value specified.  The negative
-// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
-// that should be processed next by the reassociation pass.
-//
+/// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
+/// that computes the negative version of the value specified.  The negative
+/// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
+/// that should be processed next by the reassociation pass.
 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
+  if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
+    return ConstantExpr::getNeg(C);
+
   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
@@ -363,7 +453,7 @@ static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
-  // we introduce tons of unnecessary negation instructions...
+  // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
   //
   if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V))
     if (I->getOpcode() == Instruction::Add && I->hasOneUse()) {
@@ -373,7 +463,7 @@ static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
 
       // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
       // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
-      // assured that the neg instructions we just inserted dominate the 
+      // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
       // instruction we are about to insert after them.
       //
       I->moveBefore(BI);
@@ -381,76 +471,130 @@ static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
       return I;
     }
 
+  // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
+  // Scan the use lists of V to see if we have one already.
+  for (Value::use_iterator UI = V->use_begin(), E = V->use_end(); UI != E;++UI){
+    User *U = *UI;
+    if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
+
+    // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
+    // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
+    // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
+    // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
+    BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
+
+    // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
+    if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
+      continue;
+
+    BasicBlock::iterator InsertPt;
+    if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
+      if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
+        InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
+      } else {
+        InsertPt = InstInput;
+        ++InsertPt;
+      }
+      while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
+    } else {
+      InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
+    }
+    TheNeg->moveBefore(InsertPt);
+    return TheNeg;
+  }
+
   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
   // negation.
-  //
-  return BinaryOperator::createNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
+  return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
+}
+
+/// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
+/// X-Y into (X + -Y).
+static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
+  // If this is a negation, we can't split it up!
+  if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
+    return false;
+
+  // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
+  // subtract or if this is only used by one.
+  if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
+      isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
+    return true;
+  if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
+      isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
+    return true;
+  if (Sub->hasOneUse() &&
+      (isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add) ||
+       isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Sub)))
+    return true;
+
+  return false;
 }
 
 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
 /// reassociation.
-static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
-  // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
-  // if this is only used by one.
-  if (!isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) &&
-      !isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) &&
-      !(Sub->hasOneUse() &&isReassociableOp(Sub->use_back(), Instruction::Add)))
-    return 0;
-
-  // Convert a subtract into an add and a neg instruction... so that sub
-  // instructions can be commuted with other add instructions...
+static Instruction *BreakUpSubtract(Instruction *Sub,
+                         DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
+  // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
+  // instructions to be commuted with other add instructions.
   //
-  // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction...
-  // and set it as the RHS of the add instruction we just made...
+  // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
+  // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
   //
-  std::string Name = Sub->getName();
-  Sub->setName("");
   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
   Instruction *New =
-    BinaryOperator::createAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, Name, Sub);
+    BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
+  New->takeName(Sub);
 
   // Everyone now refers to the add instruction.
+  ValueRankMap.erase(Sub);
   Sub->replaceAllUsesWith(New);
+  New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
   Sub->eraseFromParent();
 
-  DOUT << "Negated: " << *New;
+  DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
   return New;
 }
 
 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
 /// reassociation.
-static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
+static Instruction *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl,
+                         DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> &ValueRankMap) {
   // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
   // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
   if (isReassociableOp(Shl->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
-      (Shl->hasOneUse() && 
+      (Shl->hasOneUse() &&
        (isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Mul) ||
         isReassociableOp(Shl->use_back(), Instruction::Add)))) {
     Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
     MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
-    
-    std::string Name = Shl->getName();  Shl->setName("");
-    Instruction *Mul = BinaryOperator::createMul(Shl->getOperand(0), MulCst,
-                                                 Name, Shl);
+
+    Instruction *Mul =
+      BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
+    ValueRankMap.erase(Shl);
+    Mul->takeName(Shl);
     Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
+    Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
     Shl->eraseFromParent();
     return Mul;
   }
   return 0;
 }
 
-// Scan backwards and forwards among values with the same rank as element i to
-// see if X exists.  If X does not exist, return i.
-static unsigned FindInOperandList(std::vector<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
+/// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
+/// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
+/// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
+/// same rank.
+static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
                                   Value *X) {
   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
   unsigned e = Ops.size();
   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
     if (Ops[j].Op == X)
       return j;
-  // Scan backwards
+  // Scan backwards.
   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
     if (Ops[j].Op == X)
       return j;
@@ -459,72 +603,538 @@ static unsigned FindInOperandList(std::vector<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
 
 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
-static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I, std::vector<Value*> &Ops) {
+static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
+                                  SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
-  
+
   Value *V1 = Ops.back();
   Ops.pop_back();
   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
-  return BinaryOperator::createAdd(V2, V1, "tmp", I);
+  return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
 }
 
-/// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a 
+/// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
   if (!BO) return 0;
-  
-  std::vector<ValueEntry> Factors;
+
+  SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
   LinearizeExprTree(BO, Factors);
 
   bool FoundFactor = false;
-  for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i)
+  bool NeedsNegate = false;
+  for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
     if (Factors[i].Op == Factor) {
       FoundFactor = true;
       Factors.erase(Factors.begin()+i);
       break;
     }
+
+    // If this is a negative version of this factor, remove it.
+    if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
+      if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
+        if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
+          FoundFactor = NeedsNegate = true;
+          Factors.erase(Factors.begin()+i);
+          break;
+        }
+  }
+
   if (!FoundFactor) {
     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
     RewriteExprTree(BO, Factors);
     return 0;
   }
-  
-  if (Factors.size() == 1) return Factors[0].Op;
-  
-  RewriteExprTree(BO, Factors);
-  return BO;
+
+  BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
+
+  // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
+  // remaining operand.
+  if (Factors.size() == 1) {
+    ValueRankMap.erase(BO);
+    DeadInsts.push_back(BO);
+    V = Factors[0].Op;
+  } else {
+    RewriteExprTree(BO, Factors);
+    V = BO;
+  }
+
+  if (NeedsNegate)
+    V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
+
+  return V;
 }
 
 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
+///
+/// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
-                                         std::vector<Value*> &Factors) {
+                                         SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
+                                       const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
+                                         bool IsRoot) {
   BinaryOperator *BO;
-  if ((!V->hasOneUse() && !V->use_empty()) ||
+  if (!(V->hasOneUse() || V->use_empty()) || // More than one use.
       !(BO = dyn_cast<BinaryOperator>(V)) ||
       BO->getOpcode() != Instruction::Mul) {
     Factors.push_back(V);
     return;
   }
-  
+
+  // If this value has a single use because it is another input to the add
+  // tree we're reassociating and we dropped its use, it actually has two
+  // uses and we can't factor it.
+  if (!IsRoot) {
+    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
+      if (Ops[i].Op == V) {
+        Factors.push_back(V);
+        return;
+      }
+  }
+
+
   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
-  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors);
-  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors);
+  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops, false);
+  FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops, false);
+}
+
+/// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
+/// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
+/// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
+/// necessary.
+static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
+                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
+  // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    // First, check for X and ~X in the operand list.
+    assert(i < Ops.size());
+    if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
+      Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
+      unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
+      if (FoundX != i) {
+        if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
+          return Constant::getNullValue(X->getType());
+
+        if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
+          return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
+      }
+    }
+
+    // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
+    // each other, due to our sorting criteria.
+    assert(i < Ops.size());
+    if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
+      if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
+        // Drop duplicate values for And and Or.
+        Ops.erase(Ops.begin()+i);
+        --i; --e;
+        ++NumAnnihil;
+        continue;
+      }
+
+      // Drop pairs of values for Xor.
+      assert(Opcode == Instruction::Xor);
+      if (e == 2)
+        return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
+
+      // Y ^ X^X -> Y
+      Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
+      i -= 1; e -= 2;
+      ++NumAnnihil;
+    }
+  }
+  return 0;
 }
 
+/// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
+/// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
+/// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
+Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
+                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
+  // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
+  // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
+  //
+  // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
+  //
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    Value *TheOp = Ops[i].Op;
+    // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
+    // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
+    // that these need to be next to each other in the vector.
+    if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
+      // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
+      unsigned NumFound = 0;
+      do {
+        Ops.erase(Ops.begin()+i);
+        ++NumFound;
+      } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
+
+      DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
+      ++NumFactor;
+
+      // Insert a new multiply.
+      Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
+      Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
+
+      // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
+      // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
+      // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
+      RedoInsts.push_back(Mul);
+
+      // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
+      if (Ops.empty())
+        return Mul;
 
+      // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
+      // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
+      // things being added by this operation.
+      Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
+
+      --i;
+      e = Ops.size();
+      continue;
+    }
+
+    // Check for X and -X in the operand list.
+    if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
+      continue;
+
+    Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
+    unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
+    if (FoundX == i)
+      continue;
+
+    // Remove X and -X from the operand list.
+    if (Ops.size() == 2)
+      return Constant::getNullValue(X->getType());
+
+    Ops.erase(Ops.begin()+i);
+    if (i < FoundX)
+      --FoundX;
+    else
+      --i;   // Need to back up an extra one.
+    Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
+    ++NumAnnihil;
+    --i;     // Revisit element.
+    e -= 2;  // Removed two elements.
+  }
+
+  // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
+  // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
+  // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
+  // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
+  // for any ADD operands that are MULs.
+  DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
+
+  // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
+  // where they are actually the same multiply.
+  unsigned MaxOcc = 0;
+  Value *MaxOccVal = 0;
+  for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
+    BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
+    if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
+      continue;
+
+    // Compute all of the factors of this added value.
+    SmallVector<Value*, 8> Factors;
+    FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops, true);
+    assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
+
+    // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
+    SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
+    for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
+      Value *Factor = Factors[i];
+      if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
+
+      unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
+      if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
+
+      // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
+      // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
+      // cannot be positivified.
+      if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
+        if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
+          Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
+          assert(!Duplicates.count(Factor) &&
+                 "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
+
+          unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
+          if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
+        }
+    }
+  }
+
+  // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
+  if (MaxOcc > 1) {
+    DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
+    ++NumFactor;
+
+    // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
+    // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
+    // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
+    // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
+    Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
+    SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
+    for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
+      // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
+      BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op);
+      if (BOp == 0 || BOp->getOpcode() != Instruction::Mul || !BOp->use_empty())
+        continue;
+
+      if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
+        // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
+        // one fell swoop.
+        for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
+          --j;
+          if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
+            NewMulOps.push_back(V);
+            Ops.erase(Ops.begin()+j);
+          }
+        }
+        --i;
+      }
+    }
+
+    // No need for extra uses anymore.
+    delete DummyInst;
+
+    unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
+    Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
+
+    // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
+    // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
+    // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
+    assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
+    (void)NumAddedValues;
+    RedoInsts.push_back(V);
+
+    // Create the multiply.
+    Value *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
+
+    // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
+    // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
+    RedoInsts.push_back(V2);
+
+    // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
+    // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
+    if (Ops.empty())
+      return V2;
+
+    // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
+    // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
+    // things being added by this operation.
+    Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
+  }
+
+  return 0;
+}
+
+namespace {
+  /// \brief Predicate tests whether a ValueEntry's op is in a map.
+  struct IsValueInMap {
+    const DenseMap<Value *, unsigned> &Map;
+
+    IsValueInMap(const DenseMap<Value *, unsigned> &Map) : Map(Map) {}
+
+    bool operator()(const ValueEntry &Entry) {
+      return Map.find(Entry.Op) != Map.end();
+    }
+  };
+}
+
+/// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
+///
+/// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
+/// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
+/// the order of descending power.
+///
+///      (x*x)          -> [(x, 2)]
+///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
+///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
+///
+/// \returns Whether any factors have a power greater than one.
+bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
+                                         SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
+  unsigned FactorPowerSum = 0;
+  DenseMap<Value *, unsigned> FactorCounts;
+  for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 0, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
+    // Note that 'use_empty' uses means the only use is in the linearized tree
+    // represented by Ops -- we remove the values from the actual operations to
+    // reduce their use count.
+    if (!Ops[Idx].Op->use_empty()) {
+      if (LastIdx == Idx)
+        ++LastIdx;
+      continue;
+    }
+    if (LastIdx == Idx || Ops[LastIdx].Op != Ops[Idx].Op) {
+      LastIdx = Idx;
+      continue;
+    }
+    // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
+    DenseMap<Value *, unsigned>::iterator CountIt;
+    bool Inserted;
+    llvm::tie(CountIt, Inserted)
+      = FactorCounts.insert(std::make_pair(Ops[Idx].Op, 2));
+    if (Inserted) {
+      FactorPowerSum += 2;
+      Factors.push_back(Factor(Ops[Idx].Op, 2));
+    } else {
+      ++CountIt->second;
+      ++FactorPowerSum;
+    }
+  }
+  // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
+  // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
+  // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
+  // trying to simplify already minimal formations.
+  if (FactorPowerSum < 4)
+    return false;
+
+  // Remove all the operands which are in the map.
+  Ops.erase(std::remove_if(Ops.begin(), Ops.end(), IsValueInMap(FactorCounts)),
+            Ops.end());
+
+  // Record the adjusted power for the simplification factors. We add back into
+  // the Ops list any values with an odd power, and make the power even. This
+  // allows the outer-most multiplication tree to remain in tact during
+  // simplification.
+  unsigned OldOpsSize = Ops.size();
+  for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
+    Factors[Idx].Power = FactorCounts[Factors[Idx].Base];
+    if (Factors[Idx].Power & 1) {
+      Ops.push_back(ValueEntry(getRank(Factors[Idx].Base), Factors[Idx].Base));
+      --Factors[Idx].Power;
+      --FactorPowerSum;
+    }
+  }
+  // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
+  // below our mininum of '4'.
+  assert(FactorPowerSum >= 4);
+
+  // Patch up the sort of the ops vector by sorting the factors we added back
+  // onto the back, and merging the two sequences.
+  if (OldOpsSize != Ops.size()) {
+    SmallVectorImpl<ValueEntry>::iterator MiddleIt = Ops.begin() + OldOpsSize;
+    std::sort(MiddleIt, Ops.end());
+    std::inplace_merge(Ops.begin(), MiddleIt, Ops.end());
+  }
+
+  std::sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
+  return true;
+}
+
+/// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
+static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
+                                SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
+  if (Ops.size() == 1)
+    return Ops.back();
+
+  Value *LHS = Ops.pop_back_val();
+  do {
+    LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
+  } while (!Ops.empty());
+
+  return LHS;
+}
+
+/// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
+///
+/// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
+/// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
+/// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
+/// value.
+Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
+                                            SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
+  assert(Factors[0].Power);
+  SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
+  for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
+       Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
+    if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
+      LastIdx = Idx;
+      continue;
+    }
+
+    // We want to multiply across all the factors with the same power so that
+    // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
+    // for that.
+    SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
+    InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
+    do {
+      InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
+      ++Idx;
+    } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
+
+    // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
+    // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
+    Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
+    RedoInsts.push_back(Factors[LastIdx].Base);
+
+    LastIdx = Idx;
+  }
+  // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
+  // base.
+  Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
+                            Factor::PowerEqual()),
+                Factors.end());
+
+  // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
+  // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
+  // expression.
+  for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
+    if (Factors[Idx].Power & 1)
+      OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
+    Factors[Idx].Power >>= 1;
+  }
+  if (Factors[0].Power) {
+    Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
+    OuterProduct.push_back(SquareRoot);
+    OuterProduct.push_back(SquareRoot);
+  }
+  if (OuterProduct.size() == 1)
+    return OuterProduct.front();
+
+  Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
+  RedoInsts.push_back(V);
+  return V;
+}
+
+Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
+                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
+  // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
+  // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
+  if (Ops.size() < 4)
+    return 0;
+
+  // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
+  // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
+  // re-use.
+  SmallVector<Factor, 4> Factors;
+  if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
+    return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
+
+  IRBuilder<> Builder(I);
+  Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
+  if (Ops.empty())
+    return V;
+
+  ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
+  Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
+  return 0;
+}
 
 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
-                                       std::vector<ValueEntry> &Ops) {
+                                       SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
   // Start by folding any constants that we found.
   bool IterateOptimization = false;
   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
 
   unsigned Opcode = I->getOpcode();
-  
+
   if (Constant *V1 = dyn_cast<Constant>(Ops[Ops.size()-2].Op))
     if (Constant *V2 = dyn_cast<Constant>(Ops.back().Op)) {
       Ops.pop_back();
@@ -537,272 +1147,158 @@ Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
     switch (Opcode) {
     default: break;
     case Instruction::And:
-      if (CstVal->isNullValue()) {           // ... & 0 -> 0
-        ++NumAnnihil;
+      if (CstVal->isZero())                  // X & 0 -> 0
         return CstVal;
-      } else if (CstVal->isAllOnesValue()) { // ... & -1 -> ...
+      if (CstVal->isAllOnesValue())          // X & -1 -> X
         Ops.pop_back();
-      }
       break;
     case Instruction::Mul:
-      if (CstVal->isNullValue()) {           // ... * 0 -> 0
+      if (CstVal->isZero()) {                // X * 0 -> 0
         ++NumAnnihil;
         return CstVal;
-      } else if (cast<ConstantInt>(CstVal)->getZExtValue() == 1) {
-        Ops.pop_back();                      // ... * 1 -> ...
       }
+
+      if (cast<ConstantInt>(CstVal)->isOne())
+        Ops.pop_back();                      // X * 1 -> X
       break;
     case Instruction::Or:
-      if (CstVal->isAllOnesValue()) {        // ... | -1 -> -1
-        ++NumAnnihil;
+      if (CstVal->isAllOnesValue())          // X | -1 -> -1
         return CstVal;
-      }
       // FALLTHROUGH!
     case Instruction::Add:
     case Instruction::Xor:
-      if (CstVal->isNullValue())             // ... [|^+] 0 -> ...
+      if (CstVal->isZero())                  // X [|^+] 0 -> X
         Ops.pop_back();
       break;
     }
   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
 
-  // Handle destructive annihilation do to identities between elements in the
+  // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
   // argument list here.
+  unsigned NumOps = Ops.size();
   switch (Opcode) {
   default: break;
   case Instruction::And:
   case Instruction::Or:
   case Instruction::Xor:
-    // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
-    // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-      // First, check for X and ~X in the operand list.
-      assert(i < Ops.size());
-      if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
-        Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
-        unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
-        if (FoundX != i) {
-          if (Opcode == Instruction::And) {   // ...&X&~X = 0
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getNullValue(X->getType());
-          } else if (Opcode == Instruction::Or) {   // ...|X|~X = -1
-            ++NumAnnihil;
-            return ConstantInt::getAllOnesValue(X->getType());
-          }
-        }
-      }
-
-      // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
-      // each other, due to our sorting criteria.
-      assert(i < Ops.size());
-      if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
-        if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
-          // Drop duplicate values.
-          Ops.erase(Ops.begin()+i);
-          --i; --e;
-          IterateOptimization = true;
-          ++NumAnnihil;
-        } else {
-          assert(Opcode == Instruction::Xor);
-          if (e == 2) {
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
-          }
-          // ... X^X -> ...
-          Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
-          i -= 1; e -= 2;
-          IterateOptimization = true;
-          ++NumAnnihil;
-        }
-      }
-    }
+    if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
+      return Result;
     break;
 
   case Instruction::Add:
-    // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
-    // can simplify the expression. X+-X == 0.
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-      assert(i < Ops.size());
-      // Check for X and -X in the operand list.
-      if (BinaryOperator::isNeg(Ops[i].Op)) {
-        Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(Ops[i].Op);
-        unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
-        if (FoundX != i) {
-          // Remove X and -X from the operand list.
-          if (Ops.size() == 2) {
-            ++NumAnnihil;
-            return Constant::getNullValue(X->getType());
-          } else {
-            Ops.erase(Ops.begin()+i);
-            if (i < FoundX)
-              --FoundX;
-            else
-              --i;   // Need to back up an extra one.
-            Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
-            IterateOptimization = true;
-            ++NumAnnihil;
-            --i;     // Revisit element.
-            e -= 2;  // Removed two elements.
-          }
-        }
-      }
-    }
-    
-
-    // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
-    // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
-    // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
-    // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
-    // for any ADD operands that are MULs.
-    std::map<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
-    unsigned MaxOcc = 0;
-    Value *MaxOccVal = 0;
-    for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-      if (BinaryOperator *BOp = dyn_cast<BinaryOperator>(Ops[i].Op)) {
-        if (BOp->getOpcode() == Instruction::Mul && BOp->use_empty()) {
-          // Compute all of the factors of this added value.
-          std::vector<Value*> Factors;
-          FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors);
-          assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
-
-          // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
-          if (Factors.size() == 2) {
-            unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factors[0]];
-            if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factors[0]; }
-            if (Factors[0] != Factors[1]) {   // Don't double count A*A.
-              Occ = ++FactorOccurrences[Factors[1]];
-              if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factors[1]; }
-            }
-          } else {
-            std::set<Value*> Duplicates;
-            for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
-              if (Duplicates.insert(Factors[i]).second) {
-                unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factors[i]];
-                if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factors[i]; }
-              }
-            }
-          }
-        }
-      }
-    }
+    if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
+      return Result;
+    break;
 
-    // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
-    if (MaxOcc > 1) {
-      DOUT << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << "\n";
-      
-      // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
-      // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
-      // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause 
-      // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
-      Instruction *DummyInst = BinaryOperator::createAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
-      std::vector<Value*> NewMulOps;
-      for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
-        if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
-          NewMulOps.push_back(V);
-          Ops.erase(Ops.begin()+i);
-          --i; --e;
-        }
-      }
-      
-      // No need for extra uses anymore.
-      delete DummyInst;
-
-      unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
-      Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
-      Value *V2 = BinaryOperator::createMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
-
-      // Now that we have inserted V and its sole use, optimize it. This allows
-      // us to handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
-      // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
-      if (NumAddedValues > 1)
-        ReassociateExpression(cast<BinaryOperator>(V));
-      
-      ++NumFactor;
-      
-      if (Ops.size() == 0)
-        return V2;
-
-      // Add the new value to the list of things being added.
-      Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
-      
-      // Rewrite the tree so that there is now a use of V.
-      RewriteExprTree(I, Ops);
-      return OptimizeExpression(I, Ops);
-    }
+  case Instruction::Mul:
+    if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
+      return Result;
     break;
-  //case Instruction::Mul:
   }
 
-  if (IterateOptimization)
+  if (IterateOptimization || Ops.size() != NumOps)
     return OptimizeExpression(I, Ops);
   return 0;
 }
 
+/// ReassociateInst - Inspect and reassociate the instruction at the
+/// given position, post-incrementing the position.
+void Reassociate::ReassociateInst(BasicBlock::iterator &BBI) {
+  Instruction *BI = BBI++;
+  if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
+      isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
+    if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI, ValueRankMap)) {
+      MadeChange = true;
+      BI = NI;
+    }
 
-/// ReassociateBB - Inspect all of the instructions in this basic block,
-/// reassociating them as we go.
-void Reassociate::ReassociateBB(BasicBlock *BB) {
-  for (BasicBlock::iterator BBI = BB->begin(); BBI != BB->end(); ) {
-    Instruction *BI = BBI++;
-    if (BI->getOpcode() == Instruction::Shl &&
-        isa<ConstantInt>(BI->getOperand(1)))
-      if (Instruction *NI = ConvertShiftToMul(BI)) {
-        MadeChange = true;
-        BI = NI;
-      }
+  // Floating point binary operators are not associative, but we can still
+  // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
+  // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
+  // other transformations simpler.
+  if (isa<BinaryOperator>(BI) &&
+      (BI->getType()->isFloatingPointTy() || BI->getType()->isVectorTy())) {
+    // FAdd and FMul can be commuted.
+    if (BI->getOpcode() != Instruction::FMul &&
+        BI->getOpcode() != Instruction::FAdd)
+      return;
 
-    // Reject cases where it is pointless to do this.
-    if (!isa<BinaryOperator>(BI) || BI->getType()->isFloatingPoint() || 
-        isa<PackedType>(BI->getType()))
-      continue;  // Floating point ops are not associative.
-
-    // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
-    // see if we can convert it to X+-Y.
-    if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
-      if (!BinaryOperator::isNeg(BI)) {
-        if (Instruction *NI = BreakUpSubtract(BI)) {
-          MadeChange = true;
-          BI = NI;
-        }
-      } else {
-        // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
-        // and if this is not an inner node of a multiply tree.
-        if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
-            (!BI->hasOneUse() ||
-             !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
-          BI = LowerNegateToMultiply(BI);
-          MadeChange = true;
-        }
-      }
+    Value *LHS = BI->getOperand(0);
+    Value *RHS = BI->getOperand(1);
+    unsigned LHSRank = getRank(LHS);
+    unsigned RHSRank = getRank(RHS);
+
+    // Sort the operands by rank.
+    if (RHSRank < LHSRank) {
+      BI->setOperand(0, RHS);
+      BI->setOperand(1, LHS);
     }
 
-    // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
-    if (!BI->isAssociative()) continue;
-    BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
+    return;
+  }
 
-    // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
-    // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
-    if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
-      continue;
+  // Do not reassociate operations that we do not understand.
+  if (!isa<BinaryOperator>(BI))
+    return;
 
-    // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it 
-    // until we process the subtract.
-    if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
-        cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
-      continue;
+  // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
+  // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
+  // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
+  // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
+  // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
+  // optimized for the most likely conditions.
+  if (BI->getType()->isIntegerTy(1))
+    return;
 
-    ReassociateExpression(I);
+  // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
+  // see if we can convert it to X+-Y.
+  if (BI->getOpcode() == Instruction::Sub) {
+    if (ShouldBreakUpSubtract(BI)) {
+      BI = BreakUpSubtract(BI, ValueRankMap);
+      // Reset the BBI iterator in case BreakUpSubtract changed the
+      // instruction it points to.
+      BBI = BI;
+      ++BBI;
+      MadeChange = true;
+    } else if (BinaryOperator::isNeg(BI)) {
+      // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
+      // and if this is not an inner node of a multiply tree.
+      if (isReassociableOp(BI->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
+          (!BI->hasOneUse() ||
+           !isReassociableOp(BI->use_back(), Instruction::Mul))) {
+        BI = LowerNegateToMultiply(BI, ValueRankMap);
+        MadeChange = true;
+      }
+    }
   }
+
+  // If this instruction is a commutative binary operator, process it.
+  if (!BI->isAssociative()) return;
+  BinaryOperator *I = cast<BinaryOperator>(BI);
+
+  // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
+  // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
+  if (I->hasOneUse() && isReassociableOp(I->use_back(), I->getOpcode()))
+    return;
+
+  // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
+  // until we process the subtract.
+  if (I->hasOneUse() && I->getOpcode() == Instruction::Add &&
+      cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
+    return;
+
+  ReassociateExpression(I);
 }
 
-void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
-  
-  // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting
-  std::vector<ValueEntry> Ops;
+Value *Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
+
+  // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
+  // operand information.
+  SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
   LinearizeExprTree(I, Ops);
-  
-  DOUT << "RAIn:\t"; DEBUG(PrintOps(I, Ops)); DOUT << "\n";
-  
+
+  DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
+
   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
@@ -810,18 +1306,21 @@ void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
   // the vector.
   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
-  
+
   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
   // sorted form, optimize it globally if possible.
   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
     // eliminate it.
-    DOUT << "Reassoc to scalar: " << *V << "\n";
+    DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
     I->replaceAllUsesWith(V);
+    if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
+      VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
     RemoveDeadBinaryOp(I);
-    return;
+    ++NumAnnihil;
+    return V;
   }
-  
+
   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
@@ -830,24 +1329,27 @@ void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
       cast<Instruction>(I->use_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
-    Ops.insert(Ops.begin(), Ops.back());
-    Ops.pop_back();
+    ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
+    Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
   }
-  
-  DOUT << "RAOut:\t"; DEBUG(PrintOps(I, Ops)); DOUT << "\n";
-  
+
+  DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
+
   if (Ops.size() == 1) {
     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
     // eliminate it.
     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
+    if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
+      OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
     RemoveDeadBinaryOp(I);
-  } else {
-    // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
-    // the expression tree, removing any unneeded nodes.
-    RewriteExprTree(I, Ops);
+    return Ops[0].Op;
   }
-}
 
+  // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
+  // the expression tree, removing any unneeded nodes.
+  RewriteExprTree(I, Ops);
+  return I;
+}
 
 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
   // Recalculate the rank map for F
@@ -855,11 +1357,24 @@ bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
 
   MadeChange = false;
   for (Function::iterator FI = F.begin(), FE = F.end(); FI != FE; ++FI)
-    ReassociateBB(FI);
+    for (BasicBlock::iterator BBI = FI->begin(); BBI != FI->end(); )
+      ReassociateInst(BBI);
+
+  // Now that we're done, revisit any instructions which are likely to
+  // have secondary reassociation opportunities.
+  while (!RedoInsts.empty())
+    if (Value *V = RedoInsts.pop_back_val()) {
+      BasicBlock::iterator BBI = cast<Instruction>(V);
+      ReassociateInst(BBI);
+    }
+
+  // Now that we're done, delete any instructions which are no longer used.
+  while (!DeadInsts.empty())
+    if (Value *V = DeadInsts.pop_back_val())
+      RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(V);
 
-  // We are done with the rank map...
+  // We are done with the rank map.
   RankMap.clear();
   ValueRankMap.clear();
   return MadeChange;
 }
-