e1d4861a555af6ab6bb38c48e0aa24a75e01a883
[oota-llvm.git] / include / llvm / Analysis / ScalarEvolution.h
1 //===- llvm/Analysis/ScalarEvolution.h - Scalar Evolution -------*- C++ -*-===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // The ScalarEvolution class is an LLVM pass which can be used to analyze and
11 // categorize scalar expressions in loops.  It specializes in recognizing
12 // general induction variables, representing them with the abstract and opaque
13 // SCEV class.  Given this analysis, trip counts of loops and other important
14 // properties can be obtained.
15 //
16 // This analysis is primarily useful for induction variable substitution and
17 // strength reduction.
18 //
19 //===----------------------------------------------------------------------===//
20
21 #ifndef LLVM_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H
22 #define LLVM_ANALYSIS_SCALAREVOLUTION_H
23
24 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
25 #include "llvm/ADT/FoldingSet.h"
26 #include "llvm/IR/Function.h"
27 #include "llvm/IR/Instructions.h"
28 #include "llvm/IR/Operator.h"
29 #include "llvm/Pass.h"
30 #include "llvm/Support/Allocator.h"
31 #include "llvm/Support/ConstantRange.h"
32 #include "llvm/Support/DataTypes.h"
33 #include "llvm/Support/ValueHandle.h"
34 #include <map>
35
36 namespace llvm {
37   class APInt;
38   class Constant;
39   class ConstantInt;
40   class DominatorTree;
41   class Type;
42   class ScalarEvolution;
43   class DataLayout;
44   class TargetLibraryInfo;
45   class LLVMContext;
46   class Loop;
47   class LoopInfo;
48   class Operator;
49   class SCEVUnknown;
50   class SCEV;
51   template<> struct FoldingSetTrait<SCEV>;
52
53   /// SCEV - This class represents an analyzed expression in the program.  These
54   /// are opaque objects that the client is not allowed to do much with
55   /// directly.
56   ///
57   class SCEV : public FoldingSetNode {
58     friend struct FoldingSetTrait<SCEV>;
59
60     /// FastID - A reference to an Interned FoldingSetNodeID for this node.
61     /// The ScalarEvolution's BumpPtrAllocator holds the data.
62     FoldingSetNodeIDRef FastID;
63
64     // The SCEV baseclass this node corresponds to
65     const unsigned short SCEVType;
66
67   protected:
68     /// SubclassData - This field is initialized to zero and may be used in
69     /// subclasses to store miscellaneous information.
70     unsigned short SubclassData;
71
72   private:
73     SCEV(const SCEV &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
74     void operator=(const SCEV &) LLVM_DELETED_FUNCTION;
75
76   public:
77     /// NoWrapFlags are bitfield indices into SubclassData.
78     ///
79     /// Add and Mul expressions may have no-unsigned-wrap <NUW> or
80     /// no-signed-wrap <NSW> properties, which are derived from the IR
81     /// operator. NSW is a misnomer that we use to mean no signed overflow or
82     /// underflow.
83     ///
84     /// AddRec expression may have a no-self-wraparound <NW> property if the
85     /// result can never reach the start value. This property is independent of
86     /// the actual start value and step direction. Self-wraparound is defined
87     /// purely in terms of the recurrence's loop, step size, and
88     /// bitwidth. Formally, a recurrence with no self-wraparound satisfies:
89     /// abs(step) * max-iteration(loop) <= unsigned-max(bitwidth).
90     ///
91     /// Note that NUW and NSW are also valid properties of a recurrence, and
92     /// either implies NW. For convenience, NW will be set for a recurrence
93     /// whenever either NUW or NSW are set.
94     enum NoWrapFlags { FlagAnyWrap = 0,          // No guarantee.
95                        FlagNW      = (1 << 0),   // No self-wrap.
96                        FlagNUW     = (1 << 1),   // No unsigned wrap.
97                        FlagNSW     = (1 << 2),   // No signed wrap.
98                        NoWrapMask  = (1 << 3) -1 };
99
100     explicit SCEV(const FoldingSetNodeIDRef ID, unsigned SCEVTy) :
101       FastID(ID), SCEVType(SCEVTy), SubclassData(0) {}
102
103     unsigned getSCEVType() const { return SCEVType; }
104
105     /// getType - Return the LLVM type of this SCEV expression.
106     ///
107     Type *getType() const;
108
109     /// isZero - Return true if the expression is a constant zero.
110     ///
111     bool isZero() const;
112
113     /// isOne - Return true if the expression is a constant one.
114     ///
115     bool isOne() const;
116
117     /// isAllOnesValue - Return true if the expression is a constant
118     /// all-ones value.
119     ///
120     bool isAllOnesValue() const;
121
122     /// isNonConstantNegative - Return true if the specified scev is negated,
123     /// but not a constant.
124     bool isNonConstantNegative() const;
125
126     /// print - Print out the internal representation of this scalar to the
127     /// specified stream.  This should really only be used for debugging
128     /// purposes.
129     void print(raw_ostream &OS) const;
130
131     /// dump - This method is used for debugging.
132     ///
133     void dump() const;
134   };
135
136   // Specialize FoldingSetTrait for SCEV to avoid needing to compute
137   // temporary FoldingSetNodeID values.
138   template<> struct FoldingSetTrait<SCEV> : DefaultFoldingSetTrait<SCEV> {
139     static void Profile(const SCEV &X, FoldingSetNodeID& ID) {
140       ID = X.FastID;
141     }
142     static bool Equals(const SCEV &X, const FoldingSetNodeID &ID,
143                        unsigned IDHash, FoldingSetNodeID &TempID) {
144       return ID == X.FastID;
145     }
146     static unsigned ComputeHash(const SCEV &X, FoldingSetNodeID &TempID) {
147       return X.FastID.ComputeHash();
148     }
149   };
150
151   inline raw_ostream &operator<<(raw_ostream &OS, const SCEV &S) {
152     S.print(OS);
153     return OS;
154   }
155
156   /// SCEVCouldNotCompute - An object of this class is returned by queries that
157   /// could not be answered.  For example, if you ask for the number of
158   /// iterations of a linked-list traversal loop, you will get one of these.
159   /// None of the standard SCEV operations are valid on this class, it is just a
160   /// marker.
161   struct SCEVCouldNotCompute : public SCEV {
162     SCEVCouldNotCompute();
163
164     /// Methods for support type inquiry through isa, cast, and dyn_cast:
165     static bool classof(const SCEV *S);
166   };
167
168   /// ScalarEvolution - This class is the main scalar evolution driver.  Because
169   /// client code (intentionally) can't do much with the SCEV objects directly,
170   /// they must ask this class for services.
171   ///
172   class ScalarEvolution : public FunctionPass {
173   public:
174     /// LoopDisposition - An enum describing the relationship between a
175     /// SCEV and a loop.
176     enum LoopDisposition {
177       LoopVariant,    ///< The SCEV is loop-variant (unknown).
178       LoopInvariant,  ///< The SCEV is loop-invariant.
179       LoopComputable  ///< The SCEV varies predictably with the loop.
180     };
181
182     /// BlockDisposition - An enum describing the relationship between a
183     /// SCEV and a basic block.
184     enum BlockDisposition {
185       DoesNotDominateBlock,  ///< The SCEV does not dominate the block.
186       DominatesBlock,        ///< The SCEV dominates the block.
187       ProperlyDominatesBlock ///< The SCEV properly dominates the block.
188     };
189
190     /// Convenient NoWrapFlags manipulation that hides enum casts and is
191     /// visible in the ScalarEvolution name space.
192     static SCEV::NoWrapFlags LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED_RESULT
193     maskFlags(SCEV::NoWrapFlags Flags, int Mask) {
194       return (SCEV::NoWrapFlags)(Flags & Mask);
195     }
196     static SCEV::NoWrapFlags LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED_RESULT
197     setFlags(SCEV::NoWrapFlags Flags, SCEV::NoWrapFlags OnFlags) {
198       return (SCEV::NoWrapFlags)(Flags | OnFlags);
199     }
200     static SCEV::NoWrapFlags LLVM_ATTRIBUTE_UNUSED_RESULT
201     clearFlags(SCEV::NoWrapFlags Flags, SCEV::NoWrapFlags OffFlags) {
202       return (SCEV::NoWrapFlags)(Flags & ~OffFlags);
203     }
204
205   private:
206     /// SCEVCallbackVH - A CallbackVH to arrange for ScalarEvolution to be
207     /// notified whenever a Value is deleted.
208     class SCEVCallbackVH : public CallbackVH {
209       ScalarEvolution *SE;
210       virtual void deleted();
211       virtual void allUsesReplacedWith(Value *New);
212     public:
213       SCEVCallbackVH(Value *V, ScalarEvolution *SE = 0);
214     };
215
216     friend class SCEVCallbackVH;
217     friend class SCEVExpander;
218     friend class SCEVUnknown;
219
220     /// F - The function we are analyzing.
221     ///
222     Function *F;
223
224     /// LI - The loop information for the function we are currently analyzing.
225     ///
226     LoopInfo *LI;
227
228     /// The DataLayout information for the target we are targeting.
229     ///
230     const DataLayout *DL;
231
232     /// TLI - The target library information for the target we are targeting.
233     ///
234     TargetLibraryInfo *TLI;
235
236     /// DT - The dominator tree.
237     ///
238     DominatorTree *DT;
239
240     /// CouldNotCompute - This SCEV is used to represent unknown trip
241     /// counts and things.
242     SCEVCouldNotCompute CouldNotCompute;
243
244     /// ValueExprMapType - The typedef for ValueExprMap.
245     ///
246     typedef DenseMap<SCEVCallbackVH, const SCEV *, DenseMapInfo<Value *> >
247       ValueExprMapType;
248
249     /// ValueExprMap - This is a cache of the values we have analyzed so far.
250     ///
251     ValueExprMapType ValueExprMap;
252
253     /// Mark predicate values currently being processed by isImpliedCond.
254     DenseSet<Value*> PendingLoopPredicates;
255
256     /// ExitLimit - Information about the number of loop iterations for which a
257     /// loop exit's branch condition evaluates to the not-taken path.  This is a
258     /// temporary pair of exact and max expressions that are eventually
259     /// summarized in ExitNotTakenInfo and BackedgeTakenInfo.
260     ///
261     /// If MustExit is true, then the exit must be taken when the BECount
262     /// reaches Exact (and before surpassing Max). If MustExit is false, then
263     /// BECount may exceed Exact or Max if the loop exits via another branch. In
264     /// either case, the loop may exit early via another branch.
265     ///
266     /// MustExit is true for most cases. However, an exit guarded by an
267     /// (in)equality on a nonunit stride may be skipped.
268     struct ExitLimit {
269       const SCEV *Exact;
270       const SCEV *Max;
271       bool MustExit;
272
273       /*implicit*/ ExitLimit(const SCEV *E)
274         : Exact(E), Max(E), MustExit(true) {}
275
276       ExitLimit(const SCEV *E, const SCEV *M, bool MustExit)
277         : Exact(E), Max(M), MustExit(MustExit) {}
278
279       /// hasAnyInfo - Test whether this ExitLimit contains any computed
280       /// information, or whether it's all SCEVCouldNotCompute values.
281       bool hasAnyInfo() const {
282         return !isa<SCEVCouldNotCompute>(Exact) ||
283           !isa<SCEVCouldNotCompute>(Max);
284       }
285     };
286
287     /// ExitNotTakenInfo - Information about the number of times a particular
288     /// loop exit may be reached before exiting the loop.
289     struct ExitNotTakenInfo {
290       AssertingVH<BasicBlock> ExitingBlock;
291       const SCEV *ExactNotTaken;
292       PointerIntPair<ExitNotTakenInfo*, 1> NextExit;
293
294       ExitNotTakenInfo() : ExitingBlock(0), ExactNotTaken(0) {}
295
296       /// isCompleteList - Return true if all loop exits are computable.
297       bool isCompleteList() const {
298         return NextExit.getInt() == 0;
299       }
300
301       void setIncomplete() { NextExit.setInt(1); }
302
303       /// getNextExit - Return a pointer to the next exit's not-taken info.
304       ExitNotTakenInfo *getNextExit() const {
305         return NextExit.getPointer();
306       }
307
308       void setNextExit(ExitNotTakenInfo *ENT) { NextExit.setPointer(ENT); }
309     };
310
311     /// BackedgeTakenInfo - Information about the backedge-taken count
312     /// of a loop. This currently includes an exact count and a maximum count.
313     ///
314     class BackedgeTakenInfo {
315       /// ExitNotTaken - A list of computable exits and their not-taken counts.
316       /// Loops almost never have more than one computable exit.
317       ExitNotTakenInfo ExitNotTaken;
318
319       /// Max - An expression indicating the least maximum backedge-taken
320       /// count of the loop that is known, or a SCEVCouldNotCompute.
321       const SCEV *Max;
322
323     public:
324       BackedgeTakenInfo() : Max(0) {}
325
326       /// Initialize BackedgeTakenInfo from a list of exact exit counts.
327       BackedgeTakenInfo(
328         SmallVectorImpl< std::pair<BasicBlock *, const SCEV *> > &ExitCounts,
329         bool Complete, const SCEV *MaxCount);
330
331       /// hasAnyInfo - Test whether this BackedgeTakenInfo contains any
332       /// computed information, or whether it's all SCEVCouldNotCompute
333       /// values.
334       bool hasAnyInfo() const {
335         return ExitNotTaken.ExitingBlock || !isa<SCEVCouldNotCompute>(Max);
336       }
337
338       /// getExact - Return an expression indicating the exact backedge-taken
339       /// count of the loop if it is known, or SCEVCouldNotCompute
340       /// otherwise. This is the number of times the loop header can be
341       /// guaranteed to execute, minus one.
342       const SCEV *getExact(ScalarEvolution *SE) const;
343
344       /// getExact - Return the number of times this loop exit may fall through
345       /// to the back edge, or SCEVCouldNotCompute. The loop is guaranteed not
346       /// to exit via this block before this number of iterations, but may exit
347       /// via another block.
348       const SCEV *getExact(BasicBlock *ExitingBlock, ScalarEvolution *SE) const;
349
350       /// getMax - Get the max backedge taken count for the loop.
351       const SCEV *getMax(ScalarEvolution *SE) const;
352
353       /// Return true if any backedge taken count expressions refer to the given
354       /// subexpression.
355       bool hasOperand(const SCEV *S, ScalarEvolution *SE) const;
356
357       /// clear - Invalidate this result and free associated memory.
358       void clear();
359     };
360
361     /// BackedgeTakenCounts - Cache the backedge-taken count of the loops for
362     /// this function as they are computed.
363     DenseMap<const Loop*, BackedgeTakenInfo> BackedgeTakenCounts;
364
365     /// ConstantEvolutionLoopExitValue - This map contains entries for all of
366     /// the PHI instructions that we attempt to compute constant evolutions for.
367     /// This allows us to avoid potentially expensive recomputation of these
368     /// properties.  An instruction maps to null if we are unable to compute its
369     /// exit value.
370     DenseMap<PHINode*, Constant*> ConstantEvolutionLoopExitValue;
371
372     /// ValuesAtScopes - This map contains entries for all the expressions
373     /// that we attempt to compute getSCEVAtScope information for, which can
374     /// be expensive in extreme cases.
375     DenseMap<const SCEV *,
376              SmallVector<std::pair<const Loop *, const SCEV *>, 2> > ValuesAtScopes;
377
378     /// LoopDispositions - Memoized computeLoopDisposition results.
379     DenseMap<const SCEV *,
380              SmallVector<std::pair<const Loop *, LoopDisposition>, 2> > LoopDispositions;
381
382     /// computeLoopDisposition - Compute a LoopDisposition value.
383     LoopDisposition computeLoopDisposition(const SCEV *S, const Loop *L);
384
385     /// BlockDispositions - Memoized computeBlockDisposition results.
386     DenseMap<const SCEV *,
387              SmallVector<std::pair<const BasicBlock *, BlockDisposition>, 2> > BlockDispositions;
388
389     /// computeBlockDisposition - Compute a BlockDisposition value.
390     BlockDisposition computeBlockDisposition(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
391
392     /// UnsignedRanges - Memoized results from getUnsignedRange
393     DenseMap<const SCEV *, ConstantRange> UnsignedRanges;
394
395     /// SignedRanges - Memoized results from getSignedRange
396     DenseMap<const SCEV *, ConstantRange> SignedRanges;
397
398     /// setUnsignedRange - Set the memoized unsigned range for the given SCEV.
399     const ConstantRange &setUnsignedRange(const SCEV *S,
400                                           const ConstantRange &CR) {
401       std::pair<DenseMap<const SCEV *, ConstantRange>::iterator, bool> Pair =
402         UnsignedRanges.insert(std::make_pair(S, CR));
403       if (!Pair.second)
404         Pair.first->second = CR;
405       return Pair.first->second;
406     }
407
408     /// setUnsignedRange - Set the memoized signed range for the given SCEV.
409     const ConstantRange &setSignedRange(const SCEV *S,
410                                         const ConstantRange &CR) {
411       std::pair<DenseMap<const SCEV *, ConstantRange>::iterator, bool> Pair =
412         SignedRanges.insert(std::make_pair(S, CR));
413       if (!Pair.second)
414         Pair.first->second = CR;
415       return Pair.first->second;
416     }
417
418     /// createSCEV - We know that there is no SCEV for the specified value.
419     /// Analyze the expression.
420     const SCEV *createSCEV(Value *V);
421
422     /// createNodeForPHI - Provide the special handling we need to analyze PHI
423     /// SCEVs.
424     const SCEV *createNodeForPHI(PHINode *PN);
425
426     /// createNodeForGEP - Provide the special handling we need to analyze GEP
427     /// SCEVs.
428     const SCEV *createNodeForGEP(GEPOperator *GEP);
429
430     /// computeSCEVAtScope - Implementation code for getSCEVAtScope; called
431     /// at most once for each SCEV+Loop pair.
432     ///
433     const SCEV *computeSCEVAtScope(const SCEV *S, const Loop *L);
434
435     /// ForgetSymbolicValue - This looks up computed SCEV values for all
436     /// instructions that depend on the given instruction and removes them from
437     /// the ValueExprMap map if they reference SymName. This is used during PHI
438     /// resolution.
439     void ForgetSymbolicName(Instruction *I, const SCEV *SymName);
440
441     /// getBackedgeTakenInfo - Return the BackedgeTakenInfo for the given
442     /// loop, lazily computing new values if the loop hasn't been analyzed
443     /// yet.
444     const BackedgeTakenInfo &getBackedgeTakenInfo(const Loop *L);
445
446     /// ComputeBackedgeTakenCount - Compute the number of times the specified
447     /// loop will iterate.
448     BackedgeTakenInfo ComputeBackedgeTakenCount(const Loop *L);
449
450     /// ComputeExitLimit - Compute the number of times the backedge of the
451     /// specified loop will execute if it exits via the specified block.
452     ExitLimit ComputeExitLimit(const Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
453
454     /// ComputeExitLimitFromCond - Compute the number of times the backedge of
455     /// the specified loop will execute if its exit condition were a conditional
456     /// branch of ExitCond, TBB, and FBB.
457     ExitLimit ComputeExitLimitFromCond(const Loop *L,
458                                        Value *ExitCond,
459                                        BasicBlock *TBB,
460                                        BasicBlock *FBB,
461                                        bool IsSubExpr);
462
463     /// ComputeExitLimitFromICmp - Compute the number of times the backedge of
464     /// the specified loop will execute if its exit condition were a conditional
465     /// branch of the ICmpInst ExitCond, TBB, and FBB.
466     ExitLimit ComputeExitLimitFromICmp(const Loop *L,
467                                        ICmpInst *ExitCond,
468                                        BasicBlock *TBB,
469                                        BasicBlock *FBB,
470                                        bool IsSubExpr);
471
472     /// ComputeExitLimitFromSingleExitSwitch - Compute the number of times the
473     /// backedge of the specified loop will execute if its exit condition were a
474     /// switch with a single exiting case to ExitingBB.
475     ExitLimit
476     ComputeExitLimitFromSingleExitSwitch(const Loop *L, SwitchInst *Switch,
477                                BasicBlock *ExitingBB, bool IsSubExpr);
478
479     /// ComputeLoadConstantCompareExitLimit - Given an exit condition
480     /// of 'icmp op load X, cst', try to see if we can compute the
481     /// backedge-taken count.
482     ExitLimit ComputeLoadConstantCompareExitLimit(LoadInst *LI,
483                                                   Constant *RHS,
484                                                   const Loop *L,
485                                                   ICmpInst::Predicate p);
486
487     /// ComputeExitCountExhaustively - If the loop is known to execute a
488     /// constant number of times (the condition evolves only from constants),
489     /// try to evaluate a few iterations of the loop until we get the exit
490     /// condition gets a value of ExitWhen (true or false).  If we cannot
491     /// evaluate the exit count of the loop, return CouldNotCompute.
492     const SCEV *ComputeExitCountExhaustively(const Loop *L,
493                                              Value *Cond,
494                                              bool ExitWhen);
495
496     /// HowFarToZero - Return the number of times an exit condition comparing
497     /// the specified value to zero will execute.  If not computable, return
498     /// CouldNotCompute.
499     ExitLimit HowFarToZero(const SCEV *V, const Loop *L, bool IsSubExpr);
500
501     /// HowFarToNonZero - Return the number of times an exit condition checking
502     /// the specified value for nonzero will execute.  If not computable, return
503     /// CouldNotCompute.
504     ExitLimit HowFarToNonZero(const SCEV *V, const Loop *L);
505
506     /// HowManyLessThans - Return the number of times an exit condition
507     /// containing the specified less-than comparison will execute.  If not
508     /// computable, return CouldNotCompute. isSigned specifies whether the
509     /// less-than is signed.
510     ExitLimit HowManyLessThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
511                                const Loop *L, bool isSigned, bool IsSubExpr);
512     ExitLimit HowManyGreaterThans(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
513                                   const Loop *L, bool isSigned, bool IsSubExpr);
514
515     /// getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB - Return a predecessor of BB
516     /// (which may not be an immediate predecessor) which has exactly one
517     /// successor from which BB is reachable, or null if no such block is
518     /// found.
519     std::pair<BasicBlock *, BasicBlock *>
520     getPredecessorWithUniqueSuccessorForBB(BasicBlock *BB);
521
522     /// isImpliedCond - Test whether the condition described by Pred, LHS, and
523     /// RHS is true whenever the given FoundCondValue value evaluates to true.
524     bool isImpliedCond(ICmpInst::Predicate Pred,
525                        const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
526                        Value *FoundCondValue,
527                        bool Inverse);
528
529     /// isImpliedCondOperands - Test whether the condition described by Pred,
530     /// LHS, and RHS is true whenever the condition described by Pred, FoundLHS,
531     /// and FoundRHS is true.
532     bool isImpliedCondOperands(ICmpInst::Predicate Pred,
533                                const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
534                                const SCEV *FoundLHS, const SCEV *FoundRHS);
535
536     /// isImpliedCondOperandsHelper - Test whether the condition described by
537     /// Pred, LHS, and RHS is true whenever the condition described by Pred,
538     /// FoundLHS, and FoundRHS is true.
539     bool isImpliedCondOperandsHelper(ICmpInst::Predicate Pred,
540                                      const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
541                                      const SCEV *FoundLHS,
542                                      const SCEV *FoundRHS);
543
544     /// getConstantEvolutionLoopExitValue - If we know that the specified Phi is
545     /// in the header of its containing loop, we know the loop executes a
546     /// constant number of times, and the PHI node is just a recurrence
547     /// involving constants, fold it.
548     Constant *getConstantEvolutionLoopExitValue(PHINode *PN, const APInt& BEs,
549                                                 const Loop *L);
550
551     /// isKnownPredicateWithRanges - Test if the given expression is known to
552     /// satisfy the condition described by Pred and the known constant ranges
553     /// of LHS and RHS.
554     ///
555     bool isKnownPredicateWithRanges(ICmpInst::Predicate Pred,
556                                     const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
557
558     /// forgetMemoizedResults - Drop memoized information computed for S.
559     void forgetMemoizedResults(const SCEV *S);
560
561     /// Return false iff given SCEV contains a SCEVUnknown with NULL value-
562     /// pointer.
563     bool checkValidity(const SCEV *S) const;
564
565   public:
566     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
567     ScalarEvolution();
568
569     LLVMContext &getContext() const { return F->getContext(); }
570
571     /// isSCEVable - Test if values of the given type are analyzable within
572     /// the SCEV framework. This primarily includes integer types, and it
573     /// can optionally include pointer types if the ScalarEvolution class
574     /// has access to target-specific information.
575     bool isSCEVable(Type *Ty) const;
576
577     /// getTypeSizeInBits - Return the size in bits of the specified type,
578     /// for which isSCEVable must return true.
579     uint64_t getTypeSizeInBits(Type *Ty) const;
580
581     /// getEffectiveSCEVType - Return a type with the same bitwidth as
582     /// the given type and which represents how SCEV will treat the given
583     /// type, for which isSCEVable must return true. For pointer types,
584     /// this is the pointer-sized integer type.
585     Type *getEffectiveSCEVType(Type *Ty) const;
586
587     /// getSCEV - Return a SCEV expression for the full generality of the
588     /// specified expression.
589     const SCEV *getSCEV(Value *V);
590
591     const SCEV *getConstant(ConstantInt *V);
592     const SCEV *getConstant(const APInt& Val);
593     const SCEV *getConstant(Type *Ty, uint64_t V, bool isSigned = false);
594     const SCEV *getTruncateExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
595     const SCEV *getZeroExtendExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
596     const SCEV *getSignExtendExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
597     const SCEV *getAnyExtendExpr(const SCEV *Op, Type *Ty);
598     const SCEV *getAddExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
599                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap);
600     const SCEV *getAddExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
601                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap) {
602       SmallVector<const SCEV *, 2> Ops;
603       Ops.push_back(LHS);
604       Ops.push_back(RHS);
605       return getAddExpr(Ops, Flags);
606     }
607     const SCEV *getAddExpr(const SCEV *Op0, const SCEV *Op1, const SCEV *Op2,
608                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap) {
609       SmallVector<const SCEV *, 3> Ops;
610       Ops.push_back(Op0);
611       Ops.push_back(Op1);
612       Ops.push_back(Op2);
613       return getAddExpr(Ops, Flags);
614     }
615     const SCEV *getMulExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Ops,
616                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap);
617     const SCEV *getMulExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
618                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap)
619     {
620       SmallVector<const SCEV *, 2> Ops;
621       Ops.push_back(LHS);
622       Ops.push_back(RHS);
623       return getMulExpr(Ops, Flags);
624     }
625     const SCEV *getMulExpr(const SCEV *Op0, const SCEV *Op1, const SCEV *Op2,
626                            SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap) {
627       SmallVector<const SCEV *, 3> Ops;
628       Ops.push_back(Op0);
629       Ops.push_back(Op1);
630       Ops.push_back(Op2);
631       return getMulExpr(Ops, Flags);
632     }
633     const SCEV *getUDivExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
634     const SCEV *getUDivExactExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
635     const SCEV *getAddRecExpr(const SCEV *Start, const SCEV *Step,
636                               const Loop *L, SCEV::NoWrapFlags Flags);
637     const SCEV *getAddRecExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands,
638                               const Loop *L, SCEV::NoWrapFlags Flags);
639     const SCEV *getAddRecExpr(const SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands,
640                               const Loop *L, SCEV::NoWrapFlags Flags) {
641       SmallVector<const SCEV *, 4> NewOp(Operands.begin(), Operands.end());
642       return getAddRecExpr(NewOp, L, Flags);
643     }
644     const SCEV *getSMaxExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
645     const SCEV *getSMaxExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands);
646     const SCEV *getUMaxExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
647     const SCEV *getUMaxExpr(SmallVectorImpl<const SCEV *> &Operands);
648     const SCEV *getSMinExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
649     const SCEV *getUMinExpr(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
650     const SCEV *getUnknown(Value *V);
651     const SCEV *getCouldNotCompute();
652
653     /// getSizeOfExpr - Return an expression for sizeof AllocTy that is type
654     /// IntTy
655     ///
656     const SCEV *getSizeOfExpr(Type *IntTy, Type *AllocTy);
657
658     /// getOffsetOfExpr - Return an expression for offsetof on the given field
659     /// with type IntTy
660     ///
661     const SCEV *getOffsetOfExpr(Type *IntTy, StructType *STy, unsigned FieldNo);
662
663     /// getNegativeSCEV - Return the SCEV object corresponding to -V.
664     ///
665     const SCEV *getNegativeSCEV(const SCEV *V);
666
667     /// getNotSCEV - Return the SCEV object corresponding to ~V.
668     ///
669     const SCEV *getNotSCEV(const SCEV *V);
670
671     /// getMinusSCEV - Return LHS-RHS.  Minus is represented in SCEV as A+B*-1.
672     const SCEV *getMinusSCEV(const SCEV *LHS, const SCEV *RHS,
673                              SCEV::NoWrapFlags Flags = SCEV::FlagAnyWrap);
674
675     /// getTruncateOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
676     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
677     /// extended, it is zero extended.
678     const SCEV *getTruncateOrZeroExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
679
680     /// getTruncateOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion
681     /// of the input value to the specified type.  If the type must be
682     /// extended, it is sign extended.
683     const SCEV *getTruncateOrSignExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
684
685     /// getNoopOrZeroExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
686     /// the input value to the specified type.  If the type must be extended,
687     /// it is zero extended.  The conversion must not be narrowing.
688     const SCEV *getNoopOrZeroExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
689
690     /// getNoopOrSignExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
691     /// the input value to the specified type.  If the type must be extended,
692     /// it is sign extended.  The conversion must not be narrowing.
693     const SCEV *getNoopOrSignExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
694
695     /// getNoopOrAnyExtend - Return a SCEV corresponding to a conversion of
696     /// the input value to the specified type. If the type must be extended,
697     /// it is extended with unspecified bits. The conversion must not be
698     /// narrowing.
699     const SCEV *getNoopOrAnyExtend(const SCEV *V, Type *Ty);
700
701     /// getTruncateOrNoop - Return a SCEV corresponding to a conversion of the
702     /// input value to the specified type.  The conversion must not be
703     /// widening.
704     const SCEV *getTruncateOrNoop(const SCEV *V, Type *Ty);
705
706     /// getUMaxFromMismatchedTypes - Promote the operands to the wider of
707     /// the types using zero-extension, and then perform a umax operation
708     /// with them.
709     const SCEV *getUMaxFromMismatchedTypes(const SCEV *LHS,
710                                            const SCEV *RHS);
711
712     /// getUMinFromMismatchedTypes - Promote the operands to the wider of
713     /// the types using zero-extension, and then perform a umin operation
714     /// with them.
715     const SCEV *getUMinFromMismatchedTypes(const SCEV *LHS,
716                                            const SCEV *RHS);
717
718     /// getPointerBase - Transitively follow the chain of pointer-type operands
719     /// until reaching a SCEV that does not have a single pointer operand. This
720     /// returns a SCEVUnknown pointer for well-formed pointer-type expressions,
721     /// but corner cases do exist.
722     const SCEV *getPointerBase(const SCEV *V);
723
724     /// getSCEVAtScope - Return a SCEV expression for the specified value
725     /// at the specified scope in the program.  The L value specifies a loop
726     /// nest to evaluate the expression at, where null is the top-level or a
727     /// specified loop is immediately inside of the loop.
728     ///
729     /// This method can be used to compute the exit value for a variable defined
730     /// in a loop by querying what the value will hold in the parent loop.
731     ///
732     /// In the case that a relevant loop exit value cannot be computed, the
733     /// original value V is returned.
734     const SCEV *getSCEVAtScope(const SCEV *S, const Loop *L);
735
736     /// getSCEVAtScope - This is a convenience function which does
737     /// getSCEVAtScope(getSCEV(V), L).
738     const SCEV *getSCEVAtScope(Value *V, const Loop *L);
739
740     /// isLoopEntryGuardedByCond - Test whether entry to the loop is protected
741     /// by a conditional between LHS and RHS.  This is used to help avoid max
742     /// expressions in loop trip counts, and to eliminate casts.
743     bool isLoopEntryGuardedByCond(const Loop *L, ICmpInst::Predicate Pred,
744                                   const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
745
746     /// isLoopBackedgeGuardedByCond - Test whether the backedge of the loop is
747     /// protected by a conditional between LHS and RHS.  This is used to
748     /// to eliminate casts.
749     bool isLoopBackedgeGuardedByCond(const Loop *L, ICmpInst::Predicate Pred,
750                                      const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
751
752     /// getSmallConstantTripCount - Returns the maximum trip count of this loop
753     /// as a normal unsigned value. Returns 0 if the trip count is unknown or
754     /// not constant. This "trip count" assumes that control exits via
755     /// ExitingBlock. More precisely, it is the number of times that control may
756     /// reach ExitingBlock before taking the branch. For loops with multiple
757     /// exits, it may not be the number times that the loop header executes if
758     /// the loop exits prematurely via another branch.
759     unsigned getSmallConstantTripCount(Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
760
761     /// getSmallConstantTripMultiple - Returns the largest constant divisor of
762     /// the trip count of this loop as a normal unsigned value, if
763     /// possible. This means that the actual trip count is always a multiple of
764     /// the returned value (don't forget the trip count could very well be zero
765     /// as well!). As explained in the comments for getSmallConstantTripCount,
766     /// this assumes that control exits the loop via ExitingBlock.
767     unsigned getSmallConstantTripMultiple(Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
768
769     // getExitCount - Get the expression for the number of loop iterations for
770     // which this loop is guaranteed not to exit via ExitingBlock. Otherwise
771     // return SCEVCouldNotCompute.
772     const SCEV *getExitCount(Loop *L, BasicBlock *ExitingBlock);
773
774     /// getBackedgeTakenCount - If the specified loop has a predictable
775     /// backedge-taken count, return it, otherwise return a SCEVCouldNotCompute
776     /// object. The backedge-taken count is the number of times the loop header
777     /// will be branched to from within the loop. This is one less than the
778     /// trip count of the loop, since it doesn't count the first iteration,
779     /// when the header is branched to from outside the loop.
780     ///
781     /// Note that it is not valid to call this method on a loop without a
782     /// loop-invariant backedge-taken count (see
783     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount).
784     ///
785     const SCEV *getBackedgeTakenCount(const Loop *L);
786
787     /// getMaxBackedgeTakenCount - Similar to getBackedgeTakenCount, except
788     /// return the least SCEV value that is known never to be less than the
789     /// actual backedge taken count.
790     const SCEV *getMaxBackedgeTakenCount(const Loop *L);
791
792     /// hasLoopInvariantBackedgeTakenCount - Return true if the specified loop
793     /// has an analyzable loop-invariant backedge-taken count.
794     bool hasLoopInvariantBackedgeTakenCount(const Loop *L);
795
796     /// forgetLoop - This method should be called by the client when it has
797     /// changed a loop in a way that may effect ScalarEvolution's ability to
798     /// compute a trip count, or if the loop is deleted.
799     void forgetLoop(const Loop *L);
800
801     /// forgetValue - This method should be called by the client when it has
802     /// changed a value in a way that may effect its value, or which may
803     /// disconnect it from a def-use chain linking it to a loop.
804     void forgetValue(Value *V);
805
806     /// \brief Called when the client has changed the disposition of values in
807     /// this loop.
808     ///
809     /// We don't have a way to invalidate per-loop dispositions. Clear and
810     /// recompute is simpler.
811     void forgetLoopDispositions(const Loop *L) { LoopDispositions.clear(); }
812
813     /// GetMinTrailingZeros - Determine the minimum number of zero bits that S
814     /// is guaranteed to end in (at every loop iteration).  It is, at the same
815     /// time, the minimum number of times S is divisible by 2.  For example,
816     /// given {4,+,8} it returns 2.  If S is guaranteed to be 0, it returns the
817     /// bitwidth of S.
818     uint32_t GetMinTrailingZeros(const SCEV *S);
819
820     /// getUnsignedRange - Determine the unsigned range for a particular SCEV.
821     ///
822     ConstantRange getUnsignedRange(const SCEV *S);
823
824     /// getSignedRange - Determine the signed range for a particular SCEV.
825     ///
826     ConstantRange getSignedRange(const SCEV *S);
827
828     /// isKnownNegative - Test if the given expression is known to be negative.
829     ///
830     bool isKnownNegative(const SCEV *S);
831
832     /// isKnownPositive - Test if the given expression is known to be positive.
833     ///
834     bool isKnownPositive(const SCEV *S);
835
836     /// isKnownNonNegative - Test if the given expression is known to be
837     /// non-negative.
838     ///
839     bool isKnownNonNegative(const SCEV *S);
840
841     /// isKnownNonPositive - Test if the given expression is known to be
842     /// non-positive.
843     ///
844     bool isKnownNonPositive(const SCEV *S);
845
846     /// isKnownNonZero - Test if the given expression is known to be
847     /// non-zero.
848     ///
849     bool isKnownNonZero(const SCEV *S);
850
851     /// isKnownPredicate - Test if the given expression is known to satisfy
852     /// the condition described by Pred, LHS, and RHS.
853     ///
854     bool isKnownPredicate(ICmpInst::Predicate Pred,
855                           const SCEV *LHS, const SCEV *RHS);
856
857     /// SimplifyICmpOperands - Simplify LHS and RHS in a comparison with
858     /// predicate Pred. Return true iff any changes were made. If the
859     /// operands are provably equal or unequal, LHS and RHS are set to
860     /// the same value and Pred is set to either ICMP_EQ or ICMP_NE.
861     ///
862     bool SimplifyICmpOperands(ICmpInst::Predicate &Pred,
863                               const SCEV *&LHS,
864                               const SCEV *&RHS,
865                               unsigned Depth = 0);
866
867     /// getLoopDisposition - Return the "disposition" of the given SCEV with
868     /// respect to the given loop.
869     LoopDisposition getLoopDisposition(const SCEV *S, const Loop *L);
870
871     /// isLoopInvariant - Return true if the value of the given SCEV is
872     /// unchanging in the specified loop.
873     bool isLoopInvariant(const SCEV *S, const Loop *L);
874
875     /// hasComputableLoopEvolution - Return true if the given SCEV changes value
876     /// in a known way in the specified loop.  This property being true implies
877     /// that the value is variant in the loop AND that we can emit an expression
878     /// to compute the value of the expression at any particular loop iteration.
879     bool hasComputableLoopEvolution(const SCEV *S, const Loop *L);
880
881     /// getLoopDisposition - Return the "disposition" of the given SCEV with
882     /// respect to the given block.
883     BlockDisposition getBlockDisposition(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
884
885     /// dominates - Return true if elements that makes up the given SCEV
886     /// dominate the specified basic block.
887     bool dominates(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
888
889     /// properlyDominates - Return true if elements that makes up the given SCEV
890     /// properly dominate the specified basic block.
891     bool properlyDominates(const SCEV *S, const BasicBlock *BB);
892
893     /// hasOperand - Test whether the given SCEV has Op as a direct or
894     /// indirect operand.
895     bool hasOperand(const SCEV *S, const SCEV *Op) const;
896
897     virtual bool runOnFunction(Function &F);
898     virtual void releaseMemory();
899     virtual void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const;
900     virtual void print(raw_ostream &OS, const Module* = 0) const;
901     virtual void verifyAnalysis() const;
902
903   private:
904     /// Compute the backedge taken count knowing the interval difference, the
905     /// stride and presence of the equality in the comparison.
906     const SCEV *computeBECount(const SCEV *Delta, const SCEV *Stride,
907                                bool Equality);
908
909     /// Verify if an linear IV with positive stride can overflow when in a
910     /// less-than comparison, knowing the invariant term of the comparison,
911     /// the stride and the knowledge of NSW/NUW flags on the recurrence.
912     bool doesIVOverflowOnLT(const SCEV *RHS, const SCEV *Stride,
913                             bool IsSigned, bool NoWrap);
914
915     /// Verify if an linear IV with negative stride can overflow when in a
916     /// greater-than comparison, knowing the invariant term of the comparison,
917     /// the stride and the knowledge of NSW/NUW flags on the recurrence.
918     bool doesIVOverflowOnGT(const SCEV *RHS, const SCEV *Stride,
919                             bool IsSigned, bool NoWrap);
920
921   private:
922     FoldingSet<SCEV> UniqueSCEVs;
923     BumpPtrAllocator SCEVAllocator;
924
925     /// FirstUnknown - The head of a linked list of all SCEVUnknown
926     /// values that have been allocated. This is used by releaseMemory
927     /// to locate them all and call their destructors.
928     SCEVUnknown *FirstUnknown;
929   };
930 }
931
932 #endif