Reapply 254950 w/fix
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / SeparateConstOffsetFromGEP.cpp
index b8529e174cad12529849230c5c72ee6ddb8c09e2..86a10d2a16122866da0ff6043c5c382cd04cad53 100644 (file)
 // ld.global.f32   %f3, [%rl6+128]; // much better
 // ld.global.f32   %f4, [%rl6+132]; // much better
 //
+// Another improvement enabled by the LowerGEP flag is to lower a GEP with
+// multiple indices to either multiple GEPs with a single index or arithmetic
+// operations (depending on whether the target uses alias analysis in codegen).
+// Such transformation can have following benefits:
+// (1) It can always extract constants in the indices of structure type.
+// (2) After such Lowering, there are more optimization opportunities such as
+//     CSE, LICM and CGP.
+//
+// E.g. The following GEPs have multiple indices:
+//  BB1:
+//    %p = getelementptr [10 x %struct]* %ptr, i64 %i, i64 %j1, i32 3
+//    load %p
+//    ...
+//  BB2:
+//    %p2 = getelementptr [10 x %struct]* %ptr, i64 %i, i64 %j1, i32 2
+//    load %p2
+//    ...
+//
+// We can not do CSE for to the common part related to index "i64 %i". Lowering
+// GEPs can achieve such goals.
+// If the target does not use alias analysis in codegen, this pass will
+// lower a GEP with multiple indices into arithmetic operations:
+//  BB1:
+//    %1 = ptrtoint [10 x %struct]* %ptr to i64    ; CSE opportunity
+//    %2 = mul i64 %i, length_of_10xstruct         ; CSE opportunity
+//    %3 = add i64 %1, %2                          ; CSE opportunity
+//    %4 = mul i64 %j1, length_of_struct
+//    %5 = add i64 %3, %4
+//    %6 = add i64 %3, struct_field_3              ; Constant offset
+//    %p = inttoptr i64 %6 to i32*
+//    load %p
+//    ...
+//  BB2:
+//    %7 = ptrtoint [10 x %struct]* %ptr to i64    ; CSE opportunity
+//    %8 = mul i64 %i, length_of_10xstruct         ; CSE opportunity
+//    %9 = add i64 %7, %8                          ; CSE opportunity
+//    %10 = mul i64 %j2, length_of_struct
+//    %11 = add i64 %9, %10
+//    %12 = add i64 %11, struct_field_2            ; Constant offset
+//    %p = inttoptr i64 %12 to i32*
+//    load %p2
+//    ...
+//
+// If the target uses alias analysis in codegen, this pass will lower a GEP
+// with multiple indices into multiple GEPs with a single index:
+//  BB1:
+//    %1 = bitcast [10 x %struct]* %ptr to i8*     ; CSE opportunity
+//    %2 = mul i64 %i, length_of_10xstruct         ; CSE opportunity
+//    %3 = getelementptr i8* %1, i64 %2            ; CSE opportunity
+//    %4 = mul i64 %j1, length_of_struct
+//    %5 = getelementptr i8* %3, i64 %4
+//    %6 = getelementptr i8* %5, struct_field_3    ; Constant offset
+//    %p = bitcast i8* %6 to i32*
+//    load %p
+//    ...
+//  BB2:
+//    %7 = bitcast [10 x %struct]* %ptr to i8*     ; CSE opportunity
+//    %8 = mul i64 %i, length_of_10xstruct         ; CSE opportunity
+//    %9 = getelementptr i8* %7, i64 %8            ; CSE opportunity
+//    %10 = mul i64 %j2, length_of_struct
+//    %11 = getelementptr i8* %9, i64 %10
+//    %12 = getelementptr i8* %11, struct_field_2  ; Constant offset
+//    %p2 = bitcast i8* %12 to i32*
+//    load %p2
+//    ...
+//
+// Lowering GEPs can also benefit other passes such as LICM and CGP.
+// LICM (Loop Invariant Code Motion) can not hoist/sink a GEP of multiple
+// indices if one of the index is variant. If we lower such GEP into invariant
+// parts and variant parts, LICM can hoist/sink those invariant parts.
+// CGP (CodeGen Prepare) tries to sink address calculations that match the
+// target's addressing modes. A GEP with multiple indices may not match and will
+// not be sunk. If we lower such GEP into smaller parts, CGP may sink some of
+// them. So we end up with a better addressing mode.
+//
 //===----------------------------------------------------------------------===//
 
+#include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
+#include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
+#include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
+#include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
 #include "llvm/Analysis/TargetTransformInfo.h"
 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
 #include "llvm/IR/Constants.h"
 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
+#include "llvm/IR/Dominators.h"
 #include "llvm/IR/Instructions.h"
 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
 #include "llvm/IR/Module.h"
+#include "llvm/IR/PatternMatch.h"
 #include "llvm/IR/Operator.h"
 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
+#include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
+#include "llvm/Target/TargetMachine.h"
+#include "llvm/Target/TargetSubtargetInfo.h"
+#include "llvm/IR/IRBuilder.h"
 
 using namespace llvm;
+using namespace llvm::PatternMatch;
 
 static cl::opt<bool> DisableSeparateConstOffsetFromGEP(
     "disable-separate-const-offset-from-gep", cl::init(false),
     cl::desc("Do not separate the constant offset from a GEP instruction"),
     cl::Hidden);
+// Setting this flag may emit false positives when the input module already
+// contains dead instructions. Therefore, we set it only in unit tests that are
+// free of dead code.
+static cl::opt<bool>
+    VerifyNoDeadCode("reassociate-geps-verify-no-dead-code", cl::init(false),
+                     cl::desc("Verify this pass produces no dead code"),
+                     cl::Hidden);
 
 namespace {
 
@@ -116,98 +209,215 @@ namespace {
 /// 5); nor can we transform (3 * (a + 5)) to (3 * a + 5), however in this case,
 /// -instcombine probably already optimized (3 * (a + 5)) to (3 * a + 15).
 class ConstantOffsetExtractor {
- public:
-  /// Extracts a constant offset from the given GEP index. It outputs the
-  /// numeric value of the extracted constant offset (0 if failed), and a
+public:
+  /// Extracts a constant offset from the given GEP index. It returns the
   /// new index representing the remainder (equal to the original index minus
-  /// the constant offset).
+  /// the constant offset), or nullptr if we cannot extract a constant offset.
   /// \p Idx The given GEP index
-  /// \p NewIdx The new index to replace
-  /// \p DL The datalayout of the module
-  /// \p IP Calculating the new index requires new instructions. IP indicates
-  /// where to insert them (typically right before the GEP).
-  static int64_t Extract(Value *Idx, Value *&NewIdx, const DataLayout *DL,
-                         Instruction *IP);
-  /// Looks for a constant offset without extracting it. The meaning of the
-  /// arguments and the return value are the same as Extract.
-  static int64_t Find(Value *Idx, const DataLayout *DL);
-
- private:
-  ConstantOffsetExtractor(const DataLayout *Layout, Instruction *InsertionPt)
-      : DL(Layout), IP(InsertionPt) {}
-  /// Searches the expression that computes V for a constant offset. If the
-  /// searching is successful, update UserChain as a path from V to the constant
-  /// offset.
-  int64_t find(Value *V);
-  /// A helper function to look into both operands of a binary operator U.
-  /// \p IsSub Whether U is a sub operator. If so, we need to negate the
-  /// constant offset at some point.
-  int64_t findInEitherOperand(User *U, bool IsSub);
-  /// After finding the constant offset and how it is reached from the GEP
-  /// index, we build a new index which is a clone of the old one except the
-  /// constant offset is removed. For example, given (a + (b + 5)) and knowning
-  /// the constant offset is 5, this function returns (a + b).
+  /// \p GEP The given GEP
+  /// \p UserChainTail Outputs the tail of UserChain so that we can
+  ///                  garbage-collect unused instructions in UserChain.
+  static Value *Extract(Value *Idx, GetElementPtrInst *GEP,
+                        User *&UserChainTail, const DominatorTree *DT);
+  /// Looks for a constant offset from the given GEP index without extracting
+  /// it. It returns the numeric value of the extracted constant offset (0 if
+  /// failed). The meaning of the arguments are the same as Extract.
+  static int64_t Find(Value *Idx, GetElementPtrInst *GEP,
+                      const DominatorTree *DT);
+
+private:
+  ConstantOffsetExtractor(Instruction *InsertionPt, const DominatorTree *DT)
+      : IP(InsertionPt), DL(InsertionPt->getModule()->getDataLayout()), DT(DT) {
+  }
+  /// Searches the expression that computes V for a non-zero constant C s.t.
+  /// V can be reassociated into the form V' + C. If the searching is
+  /// successful, returns C and update UserChain as a def-use chain from C to V;
+  /// otherwise, UserChain is empty.
+  ///
+  /// \p V            The given expression
+  /// \p SignExtended Whether V will be sign-extended in the computation of the
+  ///                 GEP index
+  /// \p ZeroExtended Whether V will be zero-extended in the computation of the
+  ///                 GEP index
+  /// \p NonNegative  Whether V is guaranteed to be non-negative. For example,
+  ///                 an index of an inbounds GEP is guaranteed to be
+  ///                 non-negative. Levaraging this, we can better split
+  ///                 inbounds GEPs.
+  APInt find(Value *V, bool SignExtended, bool ZeroExtended, bool NonNegative);
+  /// A helper function to look into both operands of a binary operator.
+  APInt findInEitherOperand(BinaryOperator *BO, bool SignExtended,
+                            bool ZeroExtended);
+  /// After finding the constant offset C from the GEP index I, we build a new
+  /// index I' s.t. I' + C = I. This function builds and returns the new
+  /// index I' according to UserChain produced by function "find".
+  ///
+  /// The building conceptually takes two steps:
+  /// 1) iteratively distribute s/zext towards the leaves of the expression tree
+  /// that computes I
+  /// 2) reassociate the expression tree to the form I' + C.
+  ///
+  /// For example, to extract the 5 from sext(a + (b + 5)), we first distribute
+  /// sext to a, b and 5 so that we have
+  ///   sext(a) + (sext(b) + 5).
+  /// Then, we reassociate it to
+  ///   (sext(a) + sext(b)) + 5.
+  /// Given this form, we know I' is sext(a) + sext(b).
+  Value *rebuildWithoutConstOffset();
+  /// After the first step of rebuilding the GEP index without the constant
+  /// offset, distribute s/zext to the operands of all operators in UserChain.
+  /// e.g., zext(sext(a + (b + 5)) (assuming no overflow) =>
+  /// zext(sext(a)) + (zext(sext(b)) + zext(sext(5))).
+  ///
+  /// The function also updates UserChain to point to new subexpressions after
+  /// distributing s/zext. e.g., the old UserChain of the above example is
+  /// 5 -> b + 5 -> a + (b + 5) -> sext(...) -> zext(sext(...)),
+  /// and the new UserChain is
+  /// zext(sext(5)) -> zext(sext(b)) + zext(sext(5)) ->
+  ///   zext(sext(a)) + (zext(sext(b)) + zext(sext(5))
   ///
-  /// We cannot simply change the constant to zero because the expression that
-  /// computes the index or its intermediate result may be used by others.
-  Value *rebuildWithoutConstantOffset();
-  // A helper function for rebuildWithoutConstantOffset that rebuilds the direct
-  // user (U) of the constant offset (C).
-  Value *rebuildLeafWithoutConstantOffset(User *U, Value *C);
-  /// Returns a clone of U except the first occurrence of From with To.
-  Value *cloneAndReplace(User *U, Value *From, Value *To);
-
-  /// Returns true if LHS and RHS have no bits in common, i.e., LHS | RHS == 0.
-  bool NoCommonBits(Value *LHS, Value *RHS) const;
-  /// Computes which bits are known to be one or zero.
-  /// \p KnownOne Mask of all bits that are known to be one.
-  /// \p KnownZero Mask of all bits that are known to be zero.
-  void ComputeKnownBits(Value *V, APInt &KnownOne, APInt &KnownZero) const;
-  /// Finds the first use of Used in U. Returns -1 if not found.
-  static unsigned FindFirstUse(User *U, Value *Used);
-  /// Returns whether OPC (sext or zext) can be distributed to the operands of
-  /// BO. e.g., sext can be distributed to the operands of an "add nsw" because
-  /// sext (add nsw a, b) == add nsw (sext a), (sext b).
-  static bool Distributable(unsigned OPC, BinaryOperator *BO);
+  /// \p ChainIndex The index to UserChain. ChainIndex is initially
+  ///               UserChain.size() - 1, and is decremented during
+  ///               the recursion.
+  Value *distributeExtsAndCloneChain(unsigned ChainIndex);
+  /// Reassociates the GEP index to the form I' + C and returns I'.
+  Value *removeConstOffset(unsigned ChainIndex);
+  /// A helper function to apply ExtInsts, a list of s/zext, to value V.
+  /// e.g., if ExtInsts = [sext i32 to i64, zext i16 to i32], this function
+  /// returns "sext i32 (zext i16 V to i32) to i64".
+  Value *applyExts(Value *V);
+
+  /// A helper function that returns whether we can trace into the operands
+  /// of binary operator BO for a constant offset.
+  ///
+  /// \p SignExtended Whether BO is surrounded by sext
+  /// \p ZeroExtended Whether BO is surrounded by zext
+  /// \p NonNegative Whether BO is known to be non-negative, e.g., an in-bound
+  ///                array index.
+  bool CanTraceInto(bool SignExtended, bool ZeroExtended, BinaryOperator *BO,
+                    bool NonNegative);
 
   /// The path from the constant offset to the old GEP index. e.g., if the GEP
   /// index is "a * b + (c + 5)". After running function find, UserChain[0] will
   /// be the constant 5, UserChain[1] will be the subexpression "c + 5", and
   /// UserChain[2] will be the entire expression "a * b + (c + 5)".
   ///
-  /// This path helps rebuildWithoutConstantOffset rebuild the new GEP index.
+  /// This path helps to rebuild the new GEP index.
   SmallVector<User *, 8> UserChain;
-  /// The data layout of the module. Used in ComputeKnownBits.
-  const DataLayout *DL;
+  /// A data structure used in rebuildWithoutConstOffset. Contains all
+  /// sext/zext instructions along UserChain.
+  SmallVector<CastInst *, 16> ExtInsts;
   Instruction *IP;  /// Insertion position of cloned instructions.
+  const DataLayout &DL;
+  const DominatorTree *DT;
 };
 
 /// \brief A pass that tries to split every GEP in the function into a variadic
 /// base and a constant offset. It is a FunctionPass because searching for the
 /// constant offset may inspect other basic blocks.
 class SeparateConstOffsetFromGEP : public FunctionPass {
- public:
+public:
   static char ID;
-  SeparateConstOffsetFromGEP() : FunctionPass(ID) {
+  SeparateConstOffsetFromGEP(const TargetMachine *TM = nullptr,
+                             bool LowerGEP = false)
+      : FunctionPass(ID), DL(nullptr), DT(nullptr), TM(TM), LowerGEP(LowerGEP) {
     initializeSeparateConstOffsetFromGEPPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
   }
 
   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
-    AU.addRequired<DataLayoutPass>();
-    AU.addRequired<TargetTransformInfo>();
+    AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
+    AU.addRequired<ScalarEvolutionWrapperPass>();
+    AU.addRequired<TargetTransformInfoWrapperPass>();
+    AU.addRequired<LoopInfoWrapperPass>();
+    AU.setPreservesCFG();
+    AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
+  }
+
+  bool doInitialization(Module &M) override {
+    DL = &M.getDataLayout();
+    return false;
   }
   bool runOnFunction(Function &F) override;
 
- private:
+private:
   /// Tries to split the given GEP into a variadic base and a constant offset,
   /// and returns true if the splitting succeeds.
   bool splitGEP(GetElementPtrInst *GEP);
-  /// Finds the constant offset within each index, and accumulates them. This
-  /// function only inspects the GEP without changing it. The output
-  /// NeedsExtraction indicates whether we can extract a non-zero constant
-  /// offset from any index.
-  int64_t accumulateByteOffset(GetElementPtrInst *GEP, const DataLayout *DL,
-                               bool &NeedsExtraction);
+  /// Lower a GEP with multiple indices into multiple GEPs with a single index.
+  /// Function splitGEP already split the original GEP into a variadic part and
+  /// a constant offset (i.e., AccumulativeByteOffset). This function lowers the
+  /// variadic part into a set of GEPs with a single index and applies
+  /// AccumulativeByteOffset to it.
+  /// \p Variadic                  The variadic part of the original GEP.
+  /// \p AccumulativeByteOffset    The constant offset.
+  void lowerToSingleIndexGEPs(GetElementPtrInst *Variadic,
+                              int64_t AccumulativeByteOffset);
+  /// Lower a GEP with multiple indices into ptrtoint+arithmetics+inttoptr form.
+  /// Function splitGEP already split the original GEP into a variadic part and
+  /// a constant offset (i.e., AccumulativeByteOffset). This function lowers the
+  /// variadic part into a set of arithmetic operations and applies
+  /// AccumulativeByteOffset to it.
+  /// \p Variadic                  The variadic part of the original GEP.
+  /// \p AccumulativeByteOffset    The constant offset.
+  void lowerToArithmetics(GetElementPtrInst *Variadic,
+                          int64_t AccumulativeByteOffset);
+  /// Finds the constant offset within each index and accumulates them. If
+  /// LowerGEP is true, it finds in indices of both sequential and structure
+  /// types, otherwise it only finds in sequential indices. The output
+  /// NeedsExtraction indicates whether we successfully find a non-zero constant
+  /// offset.
+  int64_t accumulateByteOffset(GetElementPtrInst *GEP, bool &NeedsExtraction);
+  /// Canonicalize array indices to pointer-size integers. This helps to
+  /// simplify the logic of splitting a GEP. For example, if a + b is a
+  /// pointer-size integer, we have
+  ///   gep base, a + b = gep (gep base, a), b
+  /// However, this equality may not hold if the size of a + b is smaller than
+  /// the pointer size, because LLVM conceptually sign-extends GEP indices to
+  /// pointer size before computing the address
+  /// (http://llvm.org/docs/LangRef.html#id181).
+  ///
+  /// This canonicalization is very likely already done in clang and
+  /// instcombine. Therefore, the program will probably remain the same.
+  ///
+  /// Returns true if the module changes.
+  ///
+  /// Verified in @i32_add in split-gep.ll
+  bool canonicalizeArrayIndicesToPointerSize(GetElementPtrInst *GEP);
+  /// Optimize sext(a)+sext(b) to sext(a+b) when a+b can't sign overflow.
+  /// SeparateConstOffsetFromGEP distributes a sext to leaves before extracting
+  /// the constant offset. After extraction, it becomes desirable to reunion the
+  /// distributed sexts. For example,
+  ///
+  ///                              &a[sext(i +nsw (j +nsw 5)]
+  ///   => distribute              &a[sext(i) +nsw (sext(j) +nsw 5)]
+  ///   => constant extraction     &a[sext(i) + sext(j)] + 5
+  ///   => reunion                 &a[sext(i +nsw j)] + 5
+  bool reuniteExts(Function &F);
+  /// A helper that reunites sexts in an instruction.
+  bool reuniteExts(Instruction *I);
+  /// Find the closest dominator of <Dominatee> that is equivalent to <Key>.
+  Instruction *findClosestMatchingDominator(const SCEV *Key,
+                                            Instruction *Dominatee);
+  /// Verify F is free of dead code.
+  void verifyNoDeadCode(Function &F);
+
+  bool hasMoreThanOneUseInLoop(Value *v, Loop *L);
+  // Swap the index operand of two GEP.
+  void swapGEPOperand(GetElementPtrInst *First, GetElementPtrInst *Second);
+  // Check if it is safe to swap operand of two GEP.
+  bool isLegalToSwapOperand(GetElementPtrInst *First, GetElementPtrInst *Second,
+                            Loop *CurLoop);
+
+  const DataLayout *DL;
+  DominatorTree *DT;
+  ScalarEvolution *SE;
+  const TargetMachine *TM;
+
+  LoopInfo *LI;
+  TargetLibraryInfo *TLI;
+  /// Whether to lower a GEP with multiple indices into arithmetic operations or
+  /// multiple GEPs with a single index.
+  bool LowerGEP;
+  DenseMap<const SCEV *, SmallVector<Instruction *, 2>> DominatingExprs;
 };
 }  // anonymous namespace
 
@@ -216,213 +426,315 @@ INITIALIZE_PASS_BEGIN(
     SeparateConstOffsetFromGEP, "separate-const-offset-from-gep",
     "Split GEPs to a variadic base and a constant offset for better CSE", false,
     false)
-INITIALIZE_AG_DEPENDENCY(TargetTransformInfo)
-INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DataLayoutPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(ScalarEvolutionWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetTransformInfoWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopInfoWrapperPass)
+INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
 INITIALIZE_PASS_END(
     SeparateConstOffsetFromGEP, "separate-const-offset-from-gep",
     "Split GEPs to a variadic base and a constant offset for better CSE", false,
     false)
 
-FunctionPass *llvm::createSeparateConstOffsetFromGEPPass() {
-  return new SeparateConstOffsetFromGEP();
+FunctionPass *
+llvm::createSeparateConstOffsetFromGEPPass(const TargetMachine *TM,
+                                           bool LowerGEP) {
+  return new SeparateConstOffsetFromGEP(TM, LowerGEP);
 }
 
-bool ConstantOffsetExtractor::Distributable(unsigned OPC, BinaryOperator *BO) {
-  assert(OPC == Instruction::SExt || OPC == Instruction::ZExt);
+bool ConstantOffsetExtractor::CanTraceInto(bool SignExtended,
+                                            bool ZeroExtended,
+                                            BinaryOperator *BO,
+                                            bool NonNegative) {
+  // We only consider ADD, SUB and OR, because a non-zero constant found in
+  // expressions composed of these operations can be easily hoisted as a
+  // constant offset by reassociation.
+  if (BO->getOpcode() != Instruction::Add &&
+      BO->getOpcode() != Instruction::Sub &&
+      BO->getOpcode() != Instruction::Or) {
+    return false;
+  }
+
+  Value *LHS = BO->getOperand(0), *RHS = BO->getOperand(1);
+  // Do not trace into "or" unless it is equivalent to "add". If LHS and RHS
+  // don't have common bits, (LHS | RHS) is equivalent to (LHS + RHS).
+  if (BO->getOpcode() == Instruction::Or &&
+      !haveNoCommonBitsSet(LHS, RHS, DL, nullptr, BO, DT))
+    return false;
+
+  // In addition, tracing into BO requires that its surrounding s/zext (if
+  // any) is distributable to both operands.
+  //
+  // Suppose BO = A op B.
+  //  SignExtended | ZeroExtended | Distributable?
+  // --------------+--------------+----------------------------------
+  //       0       |      0       | true because no s/zext exists
+  //       0       |      1       | zext(BO) == zext(A) op zext(B)
+  //       1       |      0       | sext(BO) == sext(A) op sext(B)
+  //       1       |      1       | zext(sext(BO)) ==
+  //               |              |     zext(sext(A)) op zext(sext(B))
+  if (BO->getOpcode() == Instruction::Add && !ZeroExtended && NonNegative) {
+    // If a + b >= 0 and (a >= 0 or b >= 0), then
+    //   sext(a + b) = sext(a) + sext(b)
+    // even if the addition is not marked nsw.
+    //
+    // Leveraging this invarient, we can trace into an sext'ed inbound GEP
+    // index if the constant offset is non-negative.
+    //
+    // Verified in @sext_add in split-gep.ll.
+    if (ConstantInt *ConstLHS = dyn_cast<ConstantInt>(LHS)) {
+      if (!ConstLHS->isNegative())
+        return true;
+    }
+    if (ConstantInt *ConstRHS = dyn_cast<ConstantInt>(RHS)) {
+      if (!ConstRHS->isNegative())
+        return true;
+    }
+  }
 
   // sext (add/sub nsw A, B) == add/sub nsw (sext A), (sext B)
   // zext (add/sub nuw A, B) == add/sub nuw (zext A), (zext B)
   if (BO->getOpcode() == Instruction::Add ||
       BO->getOpcode() == Instruction::Sub) {
-    return (OPC == Instruction::SExt && BO->hasNoSignedWrap()) ||
-           (OPC == Instruction::ZExt && BO->hasNoUnsignedWrap());
+    if (SignExtended && !BO->hasNoSignedWrap())
+      return false;
+    if (ZeroExtended && !BO->hasNoUnsignedWrap())
+      return false;
   }
 
-  // sext/zext (and/or/xor A, B) == and/or/xor (sext/zext A), (sext/zext B)
-  // -instcombine also leverages this invariant to do the reverse
-  // transformation to reduce integer casts.
-  return BO->getOpcode() == Instruction::And ||
-         BO->getOpcode() == Instruction::Or ||
-         BO->getOpcode() == Instruction::Xor;
+  return true;
 }
 
-int64_t ConstantOffsetExtractor::findInEitherOperand(User *U, bool IsSub) {
-  assert(U->getNumOperands() == 2);
-  int64_t ConstantOffset = find(U->getOperand(0));
+APInt ConstantOffsetExtractor::findInEitherOperand(BinaryOperator *BO,
+                                                   bool SignExtended,
+                                                   bool ZeroExtended) {
+  // BO being non-negative does not shed light on whether its operands are
+  // non-negative. Clear the NonNegative flag here.
+  APInt ConstantOffset = find(BO->getOperand(0), SignExtended, ZeroExtended,
+                              /* NonNegative */ false);
   // If we found a constant offset in the left operand, stop and return that.
   // This shortcut might cause us to miss opportunities of combining the
   // constant offsets in both operands, e.g., (a + 4) + (b + 5) => (a + b) + 9.
   // However, such cases are probably already handled by -instcombine,
   // given this pass runs after the standard optimizations.
   if (ConstantOffset != 0) return ConstantOffset;
-  ConstantOffset = find(U->getOperand(1));
+  ConstantOffset = find(BO->getOperand(1), SignExtended, ZeroExtended,
+                        /* NonNegative */ false);
   // If U is a sub operator, negate the constant offset found in the right
   // operand.
-  return IsSub ? -ConstantOffset : ConstantOffset;
+  if (BO->getOpcode() == Instruction::Sub)
+    ConstantOffset = -ConstantOffset;
+  return ConstantOffset;
 }
 
-int64_t ConstantOffsetExtractor::find(Value *V) {
-  // TODO(jingyue): We can even trace into integer/pointer casts, such as
+APInt ConstantOffsetExtractor::find(Value *V, bool SignExtended,
+                                    bool ZeroExtended, bool NonNegative) {
+  // TODO(jingyue): We could trace into integer/pointer casts, such as
   // inttoptr, ptrtoint, bitcast, and addrspacecast. We choose to handle only
   // integers because it gives good enough results for our benchmarks.
-  assert(V->getType()->isIntegerTy());
+  unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(V->getType())->getBitWidth();
 
+  // We cannot do much with Values that are not a User, such as an Argument.
   User *U = dyn_cast<User>(V);
-  // We cannot do much with Values that are not a User, such as BasicBlock and
-  // MDNode.
-  if (U == nullptr) return 0;
+  if (U == nullptr) return APInt(BitWidth, 0);
 
-  int64_t ConstantOffset = 0;
-  if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(U)) {
+  APInt ConstantOffset(BitWidth, 0);
+  if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(V)) {
     // Hooray, we found it!
-    ConstantOffset = CI->getSExtValue();
-  } else if (Operator *O = dyn_cast<Operator>(U)) {
-    // The GEP index may be more complicated than a simple addition of a
-    // varaible and a constant. Therefore, we trace into subexpressions for more
-    // hoisting opportunities.
-    switch (O->getOpcode()) {
-      case Instruction::Add: {
-        ConstantOffset = findInEitherOperand(U, false);
-        break;
-      }
-      case Instruction::Sub: {
-        ConstantOffset = findInEitherOperand(U, true);
-        break;
-      }
-      case Instruction::Or: {
-        // If LHS and RHS don't have common bits, (LHS | RHS) is equivalent to
-        // (LHS + RHS).
-        if (NoCommonBits(U->getOperand(0), U->getOperand(1)))
-          ConstantOffset = findInEitherOperand(U, false);
-        break;
-      }
-      case Instruction::SExt:
-      case Instruction::ZExt: {
-        // We trace into sext/zext if the operator can be distributed to its
-        // operand. e.g., we can transform into "sext (add nsw a, 5)" and
-        // extract constant 5, because
-        //   sext (add nsw a, 5) == add nsw (sext a), 5
-        if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(U->getOperand(0))) {
-          if (Distributable(O->getOpcode(), BO))
-            ConstantOffset = find(U->getOperand(0));
-        }
-        break;
-      }
-    }
+    ConstantOffset = CI->getValue();
+  } else if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(V)) {
+    // Trace into subexpressions for more hoisting opportunities.
+    if (CanTraceInto(SignExtended, ZeroExtended, BO, NonNegative))
+      ConstantOffset = findInEitherOperand(BO, SignExtended, ZeroExtended);
+  } else if (isa<SExtInst>(V)) {
+    ConstantOffset = find(U->getOperand(0), /* SignExtended */ true,
+                          ZeroExtended, NonNegative).sext(BitWidth);
+  } else if (isa<ZExtInst>(V)) {
+    // As an optimization, we can clear the SignExtended flag because
+    // sext(zext(a)) = zext(a). Verified in @sext_zext in split-gep.ll.
+    //
+    // Clear the NonNegative flag, because zext(a) >= 0 does not imply a >= 0.
+    ConstantOffset =
+        find(U->getOperand(0), /* SignExtended */ false,
+             /* ZeroExtended */ true, /* NonNegative */ false).zext(BitWidth);
   }
-  // If we found a non-zero constant offset, adds it to the path for future
-  // transformation (rebuildWithoutConstantOffset). Zero is a valid constant
-  // offset, but doesn't help this optimization.
+
+  // If we found a non-zero constant offset, add it to the path for
+  // rebuildWithoutConstOffset. Zero is a valid constant offset, but doesn't
+  // help this optimization.
   if (ConstantOffset != 0)
     UserChain.push_back(U);
   return ConstantOffset;
 }
 
-unsigned ConstantOffsetExtractor::FindFirstUse(User *U, Value *Used) {
-  for (unsigned I = 0, E = U->getNumOperands(); I < E; ++I) {
-    if (U->getOperand(I) == Used)
-      return I;
+Value *ConstantOffsetExtractor::applyExts(Value *V) {
+  Value *Current = V;
+  // ExtInsts is built in the use-def order. Therefore, we apply them to V
+  // in the reversed order.
+  for (auto I = ExtInsts.rbegin(), E = ExtInsts.rend(); I != E; ++I) {
+    if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(Current)) {
+      // If Current is a constant, apply s/zext using ConstantExpr::getCast.
+      // ConstantExpr::getCast emits a ConstantInt if C is a ConstantInt.
+      Current = ConstantExpr::getCast((*I)->getOpcode(), C, (*I)->getType());
+    } else {
+      Instruction *Ext = (*I)->clone();
+      Ext->setOperand(0, Current);
+      Ext->insertBefore(IP);
+      Current = Ext;
+    }
   }
-  return -1;
+  return Current;
 }
 
-Value *ConstantOffsetExtractor::cloneAndReplace(User *U, Value *From,
-                                                Value *To) {
-  // Finds in U the first use of From. It is safe to ignore future occurrences
-  // of From, because findInEitherOperand similarly stops searching the right
-  // operand when the first operand has a non-zero constant offset.
-  unsigned OpNo = FindFirstUse(U, From);
-  assert(OpNo != (unsigned)-1 && "UserChain wasn't built correctly");
-
-  // ConstantOffsetExtractor::find only follows Operators (i.e., Instructions
-  // and ConstantExprs). Therefore, U is either an Instruction or a
-  // ConstantExpr.
-  if (Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(U)) {
-    Instruction *Clone = I->clone();
-    Clone->setOperand(OpNo, To);
-    Clone->insertBefore(IP);
-    return Clone;
-  }
-  // cast<Constant>(To) is safe because a ConstantExpr only uses Constants.
-  return cast<ConstantExpr>(U)
-      ->getWithOperandReplaced(OpNo, cast<Constant>(To));
+Value *ConstantOffsetExtractor::rebuildWithoutConstOffset() {
+  distributeExtsAndCloneChain(UserChain.size() - 1);
+  // Remove all nullptrs (used to be s/zext) from UserChain.
+  unsigned NewSize = 0;
+  for (auto I = UserChain.begin(), E = UserChain.end(); I != E; ++I) {
+    if (*I != nullptr) {
+      UserChain[NewSize] = *I;
+      NewSize++;
+    }
+  }
+  UserChain.resize(NewSize);
+  return removeConstOffset(UserChain.size() - 1);
 }
 
-Value *ConstantOffsetExtractor::rebuildLeafWithoutConstantOffset(User *U,
-                                                                 Value *C) {
-  assert(U->getNumOperands() <= 2 &&
-         "We didn't trace into any operator with more than 2 operands");
-  // If U has only one operand which is the constant offset, removing the
-  // constant offset leaves U as a null value.
-  if (U->getNumOperands() == 1)
-    return Constant::getNullValue(U->getType());
-
-  // U->getNumOperands() == 2
-  unsigned OpNo = FindFirstUse(U, C); // U->getOperand(OpNo) == C
-  assert(OpNo < 2 && "UserChain wasn't built correctly");
-  Value *TheOther = U->getOperand(1 - OpNo); // The other operand of U
-  // If U = C - X, removing C makes U = -X; otherwise U will simply be X.
-  if (!isa<SubOperator>(U) || OpNo == 1)
-    return TheOther;
-  if (isa<ConstantExpr>(U))
-    return ConstantExpr::getNeg(cast<Constant>(TheOther));
-  return BinaryOperator::CreateNeg(TheOther, "", IP);
-}
+Value *
+ConstantOffsetExtractor::distributeExtsAndCloneChain(unsigned ChainIndex) {
+  User *U = UserChain[ChainIndex];
+  if (ChainIndex == 0) {
+    assert(isa<ConstantInt>(U));
+    // If U is a ConstantInt, applyExts will return a ConstantInt as well.
+    return UserChain[ChainIndex] = cast<ConstantInt>(applyExts(U));
+  }
 
-Value *ConstantOffsetExtractor::rebuildWithoutConstantOffset() {
-  assert(UserChain.size() > 0 && "you at least found a constant, right?");
-  // Start with the constant and go up through UserChain, each time building a
-  // clone of the subexpression but with the constant removed.
-  // e.g., to build a clone of (a + (b + (c + 5)) but with the 5 removed, we
-  // first c, then (b + c), and finally (a + (b + c)).
-  //
-  // Fast path: if the GEP index is a constant, simply returns 0.
-  if (UserChain.size() == 1)
-    return ConstantInt::get(UserChain[0]->getType(), 0);
-
-  Value *Remainder =
-      rebuildLeafWithoutConstantOffset(UserChain[1], UserChain[0]);
-  for (size_t I = 2; I < UserChain.size(); ++I)
-    Remainder = cloneAndReplace(UserChain[I], UserChain[I - 1], Remainder);
-  return Remainder;
+  if (CastInst *Cast = dyn_cast<CastInst>(U)) {
+    assert((isa<SExtInst>(Cast) || isa<ZExtInst>(Cast)) &&
+           "We only traced into two types of CastInst: sext and zext");
+    ExtInsts.push_back(Cast);
+    UserChain[ChainIndex] = nullptr;
+    return distributeExtsAndCloneChain(ChainIndex - 1);
+  }
+
+  // Function find only trace into BinaryOperator and CastInst.
+  BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(U);
+  // OpNo = which operand of BO is UserChain[ChainIndex - 1]
+  unsigned OpNo = (BO->getOperand(0) == UserChain[ChainIndex - 1] ? 0 : 1);
+  Value *TheOther = applyExts(BO->getOperand(1 - OpNo));
+  Value *NextInChain = distributeExtsAndCloneChain(ChainIndex - 1);
+
+  BinaryOperator *NewBO = nullptr;
+  if (OpNo == 0) {
+    NewBO = BinaryOperator::Create(BO->getOpcode(), NextInChain, TheOther,
+                                   BO->getName(), IP);
+  } else {
+    NewBO = BinaryOperator::Create(BO->getOpcode(), TheOther, NextInChain,
+                                   BO->getName(), IP);
+  }
+  return UserChain[ChainIndex] = NewBO;
 }
 
-int64_t ConstantOffsetExtractor::Extract(Value *Idx, Value *&NewIdx,
-                                         const DataLayout *DL,
-                                         Instruction *IP) {
-  ConstantOffsetExtractor Extractor(DL, IP);
-  // Find a non-zero constant offset first.
-  int64_t ConstantOffset = Extractor.find(Idx);
-  if (ConstantOffset == 0)
-    return 0;
-  // Then rebuild a new index with the constant removed.
-  NewIdx = Extractor.rebuildWithoutConstantOffset();
-  return ConstantOffset;
+Value *ConstantOffsetExtractor::removeConstOffset(unsigned ChainIndex) {
+  if (ChainIndex == 0) {
+    assert(isa<ConstantInt>(UserChain[ChainIndex]));
+    return ConstantInt::getNullValue(UserChain[ChainIndex]->getType());
+  }
+
+  BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(UserChain[ChainIndex]);
+  assert(BO->getNumUses() <= 1 &&
+         "distributeExtsAndCloneChain clones each BinaryOperator in "
+         "UserChain, so no one should be used more than "
+         "once");
+
+  unsigned OpNo = (BO->getOperand(0) == UserChain[ChainIndex - 1] ? 0 : 1);
+  assert(BO->getOperand(OpNo) == UserChain[ChainIndex - 1]);
+  Value *NextInChain = removeConstOffset(ChainIndex - 1);
+  Value *TheOther = BO->getOperand(1 - OpNo);
+
+  // If NextInChain is 0 and not the LHS of a sub, we can simplify the
+  // sub-expression to be just TheOther.
+  if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(NextInChain)) {
+    if (CI->isZero() && !(BO->getOpcode() == Instruction::Sub && OpNo == 0))
+      return TheOther;
+  }
+
+  BinaryOperator::BinaryOps NewOp = BO->getOpcode();
+  if (BO->getOpcode() == Instruction::Or) {
+    // Rebuild "or" as "add", because "or" may be invalid for the new
+    // epxression.
+    //
+    // For instance, given
+    //   a | (b + 5) where a and b + 5 have no common bits,
+    // we can extract 5 as the constant offset.
+    //
+    // However, reusing the "or" in the new index would give us
+    //   (a | b) + 5
+    // which does not equal a | (b + 5).
+    //
+    // Replacing the "or" with "add" is fine, because
+    //   a | (b + 5) = a + (b + 5) = (a + b) + 5
+    NewOp = Instruction::Add;
+  }
+
+  BinaryOperator *NewBO;
+  if (OpNo == 0) {
+    NewBO = BinaryOperator::Create(NewOp, NextInChain, TheOther, "", IP);
+  } else {
+    NewBO = BinaryOperator::Create(NewOp, TheOther, NextInChain, "", IP);
+  }
+  NewBO->takeName(BO);
+  return NewBO;
 }
 
-int64_t ConstantOffsetExtractor::Find(Value *Idx, const DataLayout *DL) {
-  return ConstantOffsetExtractor(DL, nullptr).find(Idx);
+Value *ConstantOffsetExtractor::Extract(Value *Idx, GetElementPtrInst *GEP,
+                                        User *&UserChainTail,
+                                        const DominatorTree *DT) {
+  ConstantOffsetExtractor Extractor(GEP, DT);
+  // Find a non-zero constant offset first.
+  APInt ConstantOffset =
+      Extractor.find(Idx, /* SignExtended */ false, /* ZeroExtended */ false,
+                     GEP->isInBounds());
+  if (ConstantOffset == 0) {
+    UserChainTail = nullptr;
+    return nullptr;
+  }
+  // Separates the constant offset from the GEP index.
+  Value *IdxWithoutConstOffset = Extractor.rebuildWithoutConstOffset();
+  UserChainTail = Extractor.UserChain.back();
+  return IdxWithoutConstOffset;
 }
 
-void ConstantOffsetExtractor::ComputeKnownBits(Value *V, APInt &KnownOne,
-                                               APInt &KnownZero) const {
-  IntegerType *IT = cast<IntegerType>(V->getType());
-  KnownOne = APInt(IT->getBitWidth(), 0);
-  KnownZero = APInt(IT->getBitWidth(), 0);
-  llvm::computeKnownBits(V, KnownZero, KnownOne, DL, 0);
+int64_t ConstantOffsetExtractor::Find(Value *Idx, GetElementPtrInst *GEP,
+                                      const DominatorTree *DT) {
+  // If Idx is an index of an inbound GEP, Idx is guaranteed to be non-negative.
+  return ConstantOffsetExtractor(GEP, DT)
+      .find(Idx, /* SignExtended */ false, /* ZeroExtended */ false,
+            GEP->isInBounds())
+      .getSExtValue();
 }
 
-bool ConstantOffsetExtractor::NoCommonBits(Value *LHS, Value *RHS) const {
-  assert(LHS->getType() == RHS->getType() &&
-         "LHS and RHS should have the same type");
-  APInt LHSKnownOne, LHSKnownZero, RHSKnownOne, RHSKnownZero;
-  ComputeKnownBits(LHS, LHSKnownOne, LHSKnownZero);
-  ComputeKnownBits(RHS, RHSKnownOne, RHSKnownZero);
-  return (LHSKnownZero | RHSKnownZero).isAllOnesValue();
+bool SeparateConstOffsetFromGEP::canonicalizeArrayIndicesToPointerSize(
+    GetElementPtrInst *GEP) {
+  bool Changed = false;
+  Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(GEP->getType());
+  gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
+  for (User::op_iterator I = GEP->op_begin() + 1, E = GEP->op_end();
+       I != E; ++I, ++GTI) {
+    // Skip struct member indices which must be i32.
+    if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
+      if ((*I)->getType() != IntPtrTy) {
+        *I = CastInst::CreateIntegerCast(*I, IntPtrTy, true, "idxprom", GEP);
+        Changed = true;
+      }
+    }
+  }
+  return Changed;
 }
 
-int64_t SeparateConstOffsetFromGEP::accumulateByteOffset(
-    GetElementPtrInst *GEP, const DataLayout *DL, bool &NeedsExtraction) {
+int64_t
+SeparateConstOffsetFromGEP::accumulateByteOffset(GetElementPtrInst *GEP,
+                                                 bool &NeedsExtraction) {
   NeedsExtraction = false;
   int64_t AccumulativeByteOffset = 0;
   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
@@ -430,7 +742,7 @@ int64_t SeparateConstOffsetFromGEP::accumulateByteOffset(
     if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
       // Tries to extract a constant offset from this GEP index.
       int64_t ConstantOffset =
-          ConstantOffsetExtractor::Find(GEP->getOperand(I), DL);
+          ConstantOffsetExtractor::Find(GEP->getOperand(I), GEP, DT);
       if (ConstantOffset != 0) {
         NeedsExtraction = true;
         // A GEP may have multiple indices.  We accumulate the extracted
@@ -439,11 +751,137 @@ int64_t SeparateConstOffsetFromGEP::accumulateByteOffset(
         AccumulativeByteOffset +=
             ConstantOffset * DL->getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType());
       }
+    } else if (LowerGEP) {
+      StructType *StTy = cast<StructType>(*GTI);
+      uint64_t Field = cast<ConstantInt>(GEP->getOperand(I))->getZExtValue();
+      // Skip field 0 as the offset is always 0.
+      if (Field != 0) {
+        NeedsExtraction = true;
+        AccumulativeByteOffset +=
+            DL->getStructLayout(StTy)->getElementOffset(Field);
+      }
     }
   }
   return AccumulativeByteOffset;
 }
 
+void SeparateConstOffsetFromGEP::lowerToSingleIndexGEPs(
+    GetElementPtrInst *Variadic, int64_t AccumulativeByteOffset) {
+  IRBuilder<> Builder(Variadic);
+  Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(Variadic->getType());
+
+  Type *I8PtrTy =
+      Builder.getInt8PtrTy(Variadic->getType()->getPointerAddressSpace());
+  Value *ResultPtr = Variadic->getOperand(0);
+  Loop *L = LI->getLoopFor(Variadic->getParent());
+  // Check if the base is not loop invariant or used more than once.
+  bool isSwapCandidate =
+      L && L->isLoopInvariant(ResultPtr) &&
+      !hasMoreThanOneUseInLoop(ResultPtr, L);
+  Value *FirstResult = nullptr;
+
+  if (ResultPtr->getType() != I8PtrTy)
+    ResultPtr = Builder.CreateBitCast(ResultPtr, I8PtrTy);
+
+  gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*Variadic);
+  // Create an ugly GEP for each sequential index. We don't create GEPs for
+  // structure indices, as they are accumulated in the constant offset index.
+  for (unsigned I = 1, E = Variadic->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
+    if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
+      Value *Idx = Variadic->getOperand(I);
+      // Skip zero indices.
+      if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Idx))
+        if (CI->isZero())
+          continue;
+
+      APInt ElementSize = APInt(IntPtrTy->getIntegerBitWidth(),
+                                DL->getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
+      // Scale the index by element size.
+      if (ElementSize != 1) {
+        if (ElementSize.isPowerOf2()) {
+          Idx = Builder.CreateShl(
+              Idx, ConstantInt::get(IntPtrTy, ElementSize.logBase2()));
+        } else {
+          Idx = Builder.CreateMul(Idx, ConstantInt::get(IntPtrTy, ElementSize));
+        }
+      }
+      // Create an ugly GEP with a single index for each index.
+      ResultPtr =
+          Builder.CreateGEP(Builder.getInt8Ty(), ResultPtr, Idx, "uglygep");
+      if (FirstResult == nullptr)
+        FirstResult = ResultPtr;
+    }
+  }
+
+  // Create a GEP with the constant offset index.
+  if (AccumulativeByteOffset != 0) {
+    Value *Offset = ConstantInt::get(IntPtrTy, AccumulativeByteOffset);
+    ResultPtr =
+        Builder.CreateGEP(Builder.getInt8Ty(), ResultPtr, Offset, "uglygep");
+  } else
+    isSwapCandidate = false;
+
+  // If we created a GEP with constant index, and the base is loop invariant,
+  // then we swap the first one with it, so LICM can move constant GEP out
+  // later.
+  GetElementPtrInst *FirstGEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(FirstResult);
+  GetElementPtrInst *SecondGEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(ResultPtr);
+  if (isSwapCandidate && isLegalToSwapOperand(FirstGEP, SecondGEP, L))
+    swapGEPOperand(FirstGEP, SecondGEP);
+
+  if (ResultPtr->getType() != Variadic->getType())
+    ResultPtr = Builder.CreateBitCast(ResultPtr, Variadic->getType());
+
+  Variadic->replaceAllUsesWith(ResultPtr);
+  Variadic->eraseFromParent();
+}
+
+void
+SeparateConstOffsetFromGEP::lowerToArithmetics(GetElementPtrInst *Variadic,
+                                               int64_t AccumulativeByteOffset) {
+  IRBuilder<> Builder(Variadic);
+  Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(Variadic->getType());
+
+  Value *ResultPtr = Builder.CreatePtrToInt(Variadic->getOperand(0), IntPtrTy);
+  gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*Variadic);
+  // Create ADD/SHL/MUL arithmetic operations for each sequential indices. We
+  // don't create arithmetics for structure indices, as they are accumulated
+  // in the constant offset index.
+  for (unsigned I = 1, E = Variadic->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
+    if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
+      Value *Idx = Variadic->getOperand(I);
+      // Skip zero indices.
+      if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Idx))
+        if (CI->isZero())
+          continue;
+
+      APInt ElementSize = APInt(IntPtrTy->getIntegerBitWidth(),
+                                DL->getTypeAllocSize(GTI.getIndexedType()));
+      // Scale the index by element size.
+      if (ElementSize != 1) {
+        if (ElementSize.isPowerOf2()) {
+          Idx = Builder.CreateShl(
+              Idx, ConstantInt::get(IntPtrTy, ElementSize.logBase2()));
+        } else {
+          Idx = Builder.CreateMul(Idx, ConstantInt::get(IntPtrTy, ElementSize));
+        }
+      }
+      // Create an ADD for each index.
+      ResultPtr = Builder.CreateAdd(ResultPtr, Idx);
+    }
+  }
+
+  // Create an ADD for the constant offset index.
+  if (AccumulativeByteOffset != 0) {
+    ResultPtr = Builder.CreateAdd(
+        ResultPtr, ConstantInt::get(IntPtrTy, AccumulativeByteOffset));
+  }
+
+  ResultPtr = Builder.CreateIntToPtr(ResultPtr, Variadic->getType());
+  Variadic->replaceAllUsesWith(ResultPtr);
+  Variadic->eraseFromParent();
+}
+
 bool SeparateConstOffsetFromGEP::splitGEP(GetElementPtrInst *GEP) {
   // Skip vector GEPs.
   if (GEP->getType()->isVectorTy())
@@ -454,83 +892,97 @@ bool SeparateConstOffsetFromGEP::splitGEP(GetElementPtrInst *GEP) {
   if (GEP->hasAllConstantIndices())
     return false;
 
-  bool Changed = false;
-
-  // Shortcuts integer casts. Eliminating these explicit casts can make
-  // subsequent optimizations more obvious: ConstantOffsetExtractor needn't
-  // trace into these casts.
-  if (GEP->isInBounds()) {
-    // Doing this to inbounds GEPs is safe because their indices are guaranteed
-    // to be non-negative and in bounds.
-    gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
-    for (unsigned I = 1, E = GEP->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
-      if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
-        if (Operator *O = dyn_cast<Operator>(GEP->getOperand(I))) {
-          if (O->getOpcode() == Instruction::SExt ||
-              O->getOpcode() == Instruction::ZExt) {
-            GEP->setOperand(I, O->getOperand(0));
-            Changed = true;
-          }
-        }
-      }
-    }
-  }
+  bool Changed = canonicalizeArrayIndicesToPointerSize(GEP);
 
-  const DataLayout *DL = &getAnalysis<DataLayoutPass>().getDataLayout();
   bool NeedsExtraction;
-  int64_t AccumulativeByteOffset =
-      accumulateByteOffset(GEP, DL, NeedsExtraction);
+  int64_t AccumulativeByteOffset = accumulateByteOffset(GEP, NeedsExtraction);
 
   if (!NeedsExtraction)
     return Changed;
-  // Before really splitting the GEP, check whether the backend supports the
-  // addressing mode we are about to produce. If no, this splitting probably
-  // won't be beneficial.
-  TargetTransformInfo &TTI = getAnalysis<TargetTransformInfo>();
-  if (!TTI.isLegalAddressingMode(GEP->getType()->getElementType(),
-                                 /*BaseGV=*/nullptr, AccumulativeByteOffset,
-                                 /*HasBaseReg=*/true, /*Scale=*/0)) {
-    return Changed;
+  // If LowerGEP is disabled, before really splitting the GEP, check whether the
+  // backend supports the addressing mode we are about to produce. If no, this
+  // splitting probably won't be beneficial.
+  // If LowerGEP is enabled, even the extracted constant offset can not match
+  // the addressing mode, we can still do optimizations to other lowered parts
+  // of variable indices. Therefore, we don't check for addressing modes in that
+  // case.
+  if (!LowerGEP) {
+    TargetTransformInfo &TTI =
+        getAnalysis<TargetTransformInfoWrapperPass>().getTTI(
+            *GEP->getParent()->getParent());
+    unsigned AddrSpace = GEP->getPointerAddressSpace();
+    if (!TTI.isLegalAddressingMode(GEP->getType()->getElementType(),
+                                   /*BaseGV=*/nullptr, AccumulativeByteOffset,
+                                   /*HasBaseReg=*/true, /*Scale=*/0,
+                                   AddrSpace)) {
+      return Changed;
+    }
   }
 
-  // Remove the constant offset in each GEP index. The resultant GEP computes
-  // the variadic base.
+  // Remove the constant offset in each sequential index. The resultant GEP
+  // computes the variadic base.
+  // Notice that we don't remove struct field indices here. If LowerGEP is
+  // disabled, a structure index is not accumulated and we still use the old
+  // one. If LowerGEP is enabled, a structure index is accumulated in the
+  // constant offset. LowerToSingleIndexGEPs or lowerToArithmetics will later
+  // handle the constant offset and won't need a new structure index.
   gep_type_iterator GTI = gep_type_begin(*GEP);
   for (unsigned I = 1, E = GEP->getNumOperands(); I != E; ++I, ++GTI) {
     if (isa<SequentialType>(*GTI)) {
-      Value *NewIdx = nullptr;
-      // Tries to extract a constant offset from this GEP index.
-      int64_t ConstantOffset =
-          ConstantOffsetExtractor::Extract(GEP->getOperand(I), NewIdx, DL, GEP);
-      if (ConstantOffset != 0) {
-        assert(NewIdx != nullptr &&
-               "ConstantOffset != 0 implies NewIdx is set");
+      // Splits this GEP index into a variadic part and a constant offset, and
+      // uses the variadic part as the new index.
+      Value *OldIdx = GEP->getOperand(I);
+      User *UserChainTail;
+      Value *NewIdx =
+          ConstantOffsetExtractor::Extract(OldIdx, GEP, UserChainTail, DT);
+      if (NewIdx != nullptr) {
+        // Switches to the index with the constant offset removed.
         GEP->setOperand(I, NewIdx);
-        // Clear the inbounds attribute because the new index may be off-bound.
-        // e.g.,
-        //
-        // b = add i64 a, 5
-        // addr = gep inbounds float* p, i64 b
-        //
-        // is transformed to:
-        //
-        // addr2 = gep float* p, i64 a
-        // addr = gep float* addr2, i64 5
-        //
-        // If a is -4, although the old index b is in bounds, the new index a is
-        // off-bound. http://llvm.org/docs/LangRef.html#id181 says "if the
-        // inbounds keyword is not present, the offsets are added to the base
-        // address with silently-wrapping two's complement arithmetic".
-        // Therefore, the final code will be a semantically equivalent.
-        //
-        // TODO(jingyue): do some range analysis to keep as many inbounds as
-        // possible. GEPs with inbounds are more friendly to alias analysis.
-        GEP->setIsInBounds(false);
-        Changed = true;
+        // After switching to the new index, we can garbage-collect UserChain
+        // and the old index if they are not used.
+        RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(UserChainTail);
+        RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(OldIdx);
       }
     }
   }
 
+  // Clear the inbounds attribute because the new index may be off-bound.
+  // e.g.,
+  //
+  //   b     = add i64 a, 5
+  //   addr  = gep inbounds float, float* p, i64 b
+  //
+  // is transformed to:
+  //
+  //   addr2 = gep float, float* p, i64 a ; inbounds removed
+  //   addr  = gep inbounds float, float* addr2, i64 5
+  //
+  // If a is -4, although the old index b is in bounds, the new index a is
+  // off-bound. http://llvm.org/docs/LangRef.html#id181 says "if the
+  // inbounds keyword is not present, the offsets are added to the base
+  // address with silently-wrapping two's complement arithmetic".
+  // Therefore, the final code will be a semantically equivalent.
+  //
+  // TODO(jingyue): do some range analysis to keep as many inbounds as
+  // possible. GEPs with inbounds are more friendly to alias analysis.
+  bool GEPWasInBounds = GEP->isInBounds();
+  GEP->setIsInBounds(false);
+
+  // Lowers a GEP to either GEPs with a single index or arithmetic operations.
+  if (LowerGEP) {
+    // As currently BasicAA does not analyze ptrtoint/inttoptr, do not lower to
+    // arithmetic operations if the target uses alias analysis in codegen.
+    if (TM && TM->getSubtargetImpl(*GEP->getParent()->getParent())->useAA())
+      lowerToSingleIndexGEPs(GEP, AccumulativeByteOffset);
+    else
+      lowerToArithmetics(GEP, AccumulativeByteOffset);
+    return true;
+  }
+
+  // No need to create another GEP if the accumulative byte offset is 0.
+  if (AccumulativeByteOffset == 0)
+    return true;
+
   // Offsets the base with the accumulative byte offset.
   //
   //   %gep                        ; the base
@@ -562,18 +1014,21 @@ bool SeparateConstOffsetFromGEP::splitGEP(GetElementPtrInst *GEP) {
   Instruction *NewGEP = GEP->clone();
   NewGEP->insertBefore(GEP);
 
+  // Per ANSI C standard, signed / unsigned = unsigned and signed % unsigned =
+  // unsigned.. Therefore, we cast ElementTypeSizeOfGEP to signed because it is
+  // used with unsigned integers later.
+  int64_t ElementTypeSizeOfGEP = static_cast<int64_t>(
+      DL->getTypeAllocSize(GEP->getType()->getElementType()));
   Type *IntPtrTy = DL->getIntPtrType(GEP->getType());
-  uint64_t ElementTypeSizeOfGEP =
-      DL->getTypeAllocSize(GEP->getType()->getElementType());
   if (AccumulativeByteOffset % ElementTypeSizeOfGEP == 0) {
     // Very likely. As long as %gep is natually aligned, the byte offset we
     // extracted should be a multiple of sizeof(*%gep).
-    // Per ANSI C standard, signed / unsigned = unsigned. Therefore, we
-    // cast ElementTypeSizeOfGEP to signed.
-    int64_t Index =
-        AccumulativeByteOffset / static_cast<int64_t>(ElementTypeSizeOfGEP);
-    NewGEP = GetElementPtrInst::Create(
-        NewGEP, ConstantInt::get(IntPtrTy, Index, true), GEP->getName(), GEP);
+    int64_t Index = AccumulativeByteOffset / ElementTypeSizeOfGEP;
+    NewGEP = GetElementPtrInst::Create(GEP->getResultElementType(), NewGEP,
+                                       ConstantInt::get(IntPtrTy, Index, true),
+                                       GEP->getName(), GEP);
+    // Inherit the inbounds attribute of the original GEP.
+    cast<GetElementPtrInst>(NewGEP)->setIsInBounds(GEPWasInBounds);
   } else {
     // Unlikely but possible. For example,
     // #pragma pack(1)
@@ -593,8 +1048,11 @@ bool SeparateConstOffsetFromGEP::splitGEP(GetElementPtrInst *GEP) {
                                        GEP->getPointerAddressSpace());
     NewGEP = new BitCastInst(NewGEP, I8PtrTy, "", GEP);
     NewGEP = GetElementPtrInst::Create(
-        NewGEP, ConstantInt::get(IntPtrTy, AccumulativeByteOffset, true),
-        "uglygep", GEP);
+        Type::getInt8Ty(GEP->getContext()), NewGEP,
+        ConstantInt::get(IntPtrTy, AccumulativeByteOffset, true), "uglygep",
+        GEP);
+    // Inherit the inbounds attribute of the original GEP.
+    cast<GetElementPtrInst>(NewGEP)->setIsInBounds(GEPWasInBounds);
     if (GEP->getType() != I8PtrTy)
       NewGEP = new BitCastInst(NewGEP, GEP->getType(), GEP->getName(), GEP);
   }
@@ -606,18 +1064,202 @@ bool SeparateConstOffsetFromGEP::splitGEP(GetElementPtrInst *GEP) {
 }
 
 bool SeparateConstOffsetFromGEP::runOnFunction(Function &F) {
+  if (skipOptnoneFunction(F))
+    return false;
+
   if (DisableSeparateConstOffsetFromGEP)
     return false;
 
+  DT = &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
+  SE = &getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
+  LI = &getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo();
+  TLI = &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI();
   bool Changed = false;
   for (Function::iterator B = F.begin(), BE = F.end(); B != BE; ++B) {
-    for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), IE = B->end(); I != IE; ) {
-      if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I++)) {
+    for (BasicBlock::iterator I = B->begin(), IE = B->end(); I != IE;)
+      if (GetElementPtrInst *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I++))
         Changed |= splitGEP(GEP);
+    // No need to split GEP ConstantExprs because all its indices are constant
+    // already.
+  }
+
+  Changed |= reuniteExts(F);
+
+  if (VerifyNoDeadCode)
+    verifyNoDeadCode(F);
+
+  return Changed;
+}
+
+Instruction *SeparateConstOffsetFromGEP::findClosestMatchingDominator(
+    const SCEV *Key, Instruction *Dominatee) {
+  auto Pos = DominatingExprs.find(Key);
+  if (Pos == DominatingExprs.end())
+    return nullptr;
+
+  auto &Candidates = Pos->second;
+  // Because we process the basic blocks in pre-order of the dominator tree, a
+  // candidate that doesn't dominate the current instruction won't dominate any
+  // future instruction either. Therefore, we pop it out of the stack. This
+  // optimization makes the algorithm O(n).
+  while (!Candidates.empty()) {
+    Instruction *Candidate = Candidates.back();
+    if (DT->dominates(Candidate, Dominatee))
+      return Candidate;
+    Candidates.pop_back();
+  }
+  return nullptr;
+}
+
+bool SeparateConstOffsetFromGEP::reuniteExts(Instruction *I) {
+  if (!SE->isSCEVable(I->getType()))
+    return false;
+
+  //   Dom: LHS+RHS
+  //   I: sext(LHS)+sext(RHS)
+  // If Dom can't sign overflow and Dom dominates I, optimize I to sext(Dom).
+  // TODO: handle zext
+  Value *LHS = nullptr, *RHS = nullptr;
+  if (match(I, m_Add(m_SExt(m_Value(LHS)), m_SExt(m_Value(RHS)))) ||
+      match(I, m_Sub(m_SExt(m_Value(LHS)), m_SExt(m_Value(RHS))))) {
+    if (LHS->getType() == RHS->getType()) {
+      const SCEV *Key =
+          SE->getAddExpr(SE->getUnknown(LHS), SE->getUnknown(RHS));
+      if (auto *Dom = findClosestMatchingDominator(Key, I)) {
+        Instruction *NewSExt = new SExtInst(Dom, I->getType(), "", I);
+        NewSExt->takeName(I);
+        I->replaceAllUsesWith(NewSExt);
+        RecursivelyDeleteTriviallyDeadInstructions(I);
+        return true;
       }
-      // No need to split GEP ConstantExprs because all its indices are constant
-      // already.
+    }
+  }
+
+  // Add I to DominatingExprs if it's an add/sub that can't sign overflow.
+  if (match(I, m_NSWAdd(m_Value(LHS), m_Value(RHS))) ||
+      match(I, m_NSWSub(m_Value(LHS), m_Value(RHS)))) {
+    if (isKnownNotFullPoison(I)) {
+      const SCEV *Key =
+          SE->getAddExpr(SE->getUnknown(LHS), SE->getUnknown(RHS));
+      DominatingExprs[Key].push_back(I);
+    }
+  }
+  return false;
+}
+
+bool SeparateConstOffsetFromGEP::reuniteExts(Function &F) {
+  bool Changed = false;
+  DominatingExprs.clear();
+  for (auto Node = GraphTraits<DominatorTree *>::nodes_begin(DT);
+       Node != GraphTraits<DominatorTree *>::nodes_end(DT); ++Node) {
+    BasicBlock *BB = Node->getBlock();
+    for (auto I = BB->begin(); I != BB->end(); ) {
+      Instruction *Cur = &*I++;
+      Changed |= reuniteExts(Cur);
     }
   }
   return Changed;
 }
+
+void SeparateConstOffsetFromGEP::verifyNoDeadCode(Function &F) {
+  for (auto &B : F) {
+    for (auto &I : B) {
+      if (isInstructionTriviallyDead(&I)) {
+        std::string ErrMessage;
+        raw_string_ostream RSO(ErrMessage);
+        RSO << "Dead instruction detected!\n" << I << "\n";
+        llvm_unreachable(RSO.str().c_str());
+      }
+    }
+  }
+}
+
+bool SeparateConstOffsetFromGEP::isLegalToSwapOperand(
+    GetElementPtrInst *FirstGEP, GetElementPtrInst *SecondGEP, Loop *CurLoop) {
+  if (!FirstGEP || !FirstGEP->hasOneUse())
+    return false;
+
+  if (!SecondGEP || FirstGEP->getParent() != SecondGEP->getParent())
+    return false;
+
+  if (FirstGEP == SecondGEP)
+    return false;
+
+  unsigned FirstNum = FirstGEP->getNumOperands();
+  unsigned SecondNum = SecondGEP->getNumOperands();
+  // Give up if the number of operands are not 2.
+  if (FirstNum != SecondNum || FirstNum != 2)
+    return false;
+
+  Value *FirstBase = FirstGEP->getOperand(0);
+  Value *SecondBase = SecondGEP->getOperand(0);
+  Value *FirstOffset = FirstGEP->getOperand(1);
+  // Give up if the index of the first GEP is loop invariant.
+  if (CurLoop->isLoopInvariant(FirstOffset))
+    return false;
+
+  // Give up if base doesn't have same type.
+  if (FirstBase->getType() != SecondBase->getType())
+    return false;
+
+  Instruction *FirstOffsetDef = dyn_cast<Instruction>(FirstOffset);
+
+  // Check if the second operand of first GEP has constant coefficient.
+  // For an example, for the following code,  we won't gain anything by
+  // hoisting the second GEP out because the second GEP can be folded away.
+  //   %scevgep.sum.ur159 = add i64 %idxprom48.ur, 256
+  //   %67 = shl i64 %scevgep.sum.ur159, 2
+  //   %uglygep160 = getelementptr i8* %65, i64 %67
+  //   %uglygep161 = getelementptr i8* %uglygep160, i64 -1024
+
+  // Skip constant shift instruction which may be generated by Splitting GEPs.
+  if (FirstOffsetDef && FirstOffsetDef->isShift() &&
+      isa<ConstantInt>(FirstOffsetDef->getOperand(1)))
+    FirstOffsetDef = dyn_cast<Instruction>(FirstOffsetDef->getOperand(0));
+
+  // Give up if FirstOffsetDef is an Add or Sub with constant.
+  // Because it may not profitable at all due to constant folding.
+  if (FirstOffsetDef)
+    if (BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(FirstOffsetDef)) {
+      unsigned opc = BO->getOpcode();
+      if ((opc == Instruction::Add || opc == Instruction::Sub) &&
+          (isa<ConstantInt>(BO->getOperand(0)) ||
+           isa<ConstantInt>(BO->getOperand(1))))
+        return false;
+    }
+  return true;
+}
+
+bool SeparateConstOffsetFromGEP::hasMoreThanOneUseInLoop(Value *V, Loop *L) {
+  int UsesInLoop = 0;
+  for (User *U : V->users()) {
+    if (Instruction *User = dyn_cast<Instruction>(U))
+      if (L->contains(User))
+        if (++UsesInLoop > 1)
+          return true;
+  }
+  return false;
+}
+
+void SeparateConstOffsetFromGEP::swapGEPOperand(GetElementPtrInst *First,
+                                                GetElementPtrInst *Second) {
+  Value *Offset1 = First->getOperand(1);
+  Value *Offset2 = Second->getOperand(1);
+  First->setOperand(1, Offset2);
+  Second->setOperand(1, Offset1);
+
+  // We changed p+o+c to p+c+o, p+c may not be inbound anymore.
+  const DataLayout &DAL = First->getModule()->getDataLayout();
+  APInt Offset(DAL.getPointerSizeInBits(
+                   cast<PointerType>(First->getType())->getAddressSpace()),
+               0);
+  Value *NewBase =
+      First->stripAndAccumulateInBoundsConstantOffsets(DAL, Offset);
+  uint64_t ObjectSize;
+  if (!getObjectSize(NewBase, ObjectSize, DAL, TLI) ||
+     Offset.ugt(ObjectSize)) {
+    First->setIsInBounds(false);
+    Second->setIsInBounds(false);
+  } else
+    First->setIsInBounds(true);
+}